中華建筑理念及其橋梁結(jié)構(gòu)功能預(yù)測(cè)

施　穎　王榮波　李大華

[摘 要]論文闡述了中華優(yōu)秀建筑理念--“土木工程”的內(nèi)涵，回顧了歷史上橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能和存在的結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，論文提出采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)建造橋梁，并討論了發(fā)揚(yáng)這一“土木工程”優(yōu)良傳統(tǒng)的可行性和合理性，同時(shí)介紹了采用與現(xiàn)有建成的橋梁結(jié)構(gòu)相類比的方法，用纖維加筋結(jié)構(gòu)可建造跨度8000米，主塔高度可達(dá)2000米的斜拉橋，因此，提出了“數(shù)字城市”迫切需要的數(shù)字通訊與區(qū)域大型斜拉橋建筑統(tǒng)籌規(guī)劃后續(xù)研究的新問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]土木工程 斜拉橋 纖維混凝土 纖維仿木 現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu) 數(shù)字城市

作者簡(jiǎn)介：施穎（1963-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1984年畢業(yè)于西安公路學(xué)院橋梁與隧道專業(yè)，工學(xué)學(xué)士。

一、“土木工程”的內(nèi)涵

“土木”是中華傳統(tǒng)“五行”哲學(xué)“金木水火土”中的二個(gè)字，這應(yīng)該是“土木”的哲學(xué)淵源。土木：“謂建筑之事也，如筑屋、架橋、筑堤、開(kāi)路等工事是也（國(guó)語(yǔ)晉語(yǔ)九）。”,也就是說(shuō)，中華大土木工程不僅含有建筑工程，而且還包含著水利工程和交通工程?！巴聊尽币辉~是中華特有的，因?yàn)橥庹Z(yǔ)沒(méi)有可以確切表示其內(nèi)涵的詞，例如，英文：“Civil Engineering”，其本意是為了在英國(guó)區(qū)別于“軍用工程”而定義為“民用工程”，是較為接近“土木工程”的英文術(shù)語(yǔ)而不得以在英譯文中采用了，因此，“土木工程”的正確英文譯法理應(yīng)是“Tumu Engineering”。

《史記》說(shuō)“火生土，水生木”，“土木”本意與水、火有關(guān)，也就是在“金木水火土”中占了四個(gè)字，唯獨(dú)與其中的“金”字無(wú)關(guān)，因此，中華傳統(tǒng)建筑理念下的土木工程結(jié)構(gòu)一定是無(wú)金屬結(jié)構(gòu)。但是在近代，西方工業(yè)進(jìn)步極大地改變了東西方的勢(shì)力地位，中華在外來(lái)列強(qiáng)的侵掠下，當(dāng)所謂的“鐵甲艦”撞碎了我們的木船時(shí)，才深刻認(rèn)識(shí)到鋼鐵的厲害。這不僅使中華民族在建筑上基本放棄了不使用金屬的理念，后來(lái)又“大煉鋼鐵”，目前鋼鐵產(chǎn)量已雄踞世界第一位，大量用鋼成為了國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策之一。在中國(guó)古代，幾千年來(lái)為什么在土木建筑中不用金屬，最重要的原因之一就是金屬不耐腐蝕，顯然，結(jié)構(gòu)工程的壽命保證是非常重要的，土木工程結(jié)構(gòu)如果使用了金屬必然是短壽的，歷史上無(wú)數(shù)建筑物的壽命表現(xiàn)都可證明這一點(diǎn)。后來(lái)，中國(guó)逐漸放棄了“土木”的理念，在建筑結(jié)構(gòu)上開(kāi)始使用鋼鐵，這顯然是被“打”出來(lái)的結(jié)果。

盡管如此，中華傳統(tǒng)的“土木”理念經(jīng)過(guò)后人仔細(xì)斟酌，并沒(méi)有錯(cuò)，而且可以從中得到各種明確的啟示，獲取眾多的成功經(jīng)驗(yàn)。在纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）替代鋼材應(yīng)用于土木工程時(shí)，通過(guò)這種科技進(jìn)步可以恢復(fù)中華“土木”理念，發(fā)揚(yáng)優(yōu)良民族傳統(tǒng)。為此，我們提出了現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的概念[1]，包括纖維混凝土結(jié)構(gòu)、纖維砌塊結(jié)構(gòu)和纖維仿木結(jié)構(gòu)三類主要形式?，F(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用，可以很好地解決建筑高強(qiáng)度、大跨度、耐腐、防火、防水、無(wú)磁、抗震、抗爆等重要需求，并有益于通風(fēng)、采光、保溫、抗疲勞、結(jié)構(gòu)智能化等。

二、橋梁結(jié)構(gòu)的功能和問(wèn)題

橋梁工程是跨越障礙的主要手段與技術(shù)，是交通運(yùn)輸中的生命線，其功能是跨接某個(gè)特定的空間以便某些荷載或交通可以運(yùn)輸過(guò)一個(gè)自然障礙物或人造街道，上至遠(yuǎn)古狩獵時(shí)代下至近代和當(dāng)代，橋的任何形式必須體現(xiàn)這個(gè)基本功能。而結(jié)構(gòu)主體有早期的天然材料(木、石、藤、竹乃至皮革之類)，到現(xiàn)代必然以大量鋼鐵為主要材料，但為了延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命，必須用混凝土包裹起來(lái)或噴涂其它金屬和涂料。從而對(duì)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁增加自重，影響跨越能力；對(duì)鋼橋，費(fèi)用太高，日后養(yǎng)護(hù)維修工作量又大。

隨著中國(guó)改革開(kāi)放，經(jīng)濟(jì)的騰飛，農(nóng)村的城市化進(jìn)程的加快，中國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)前所未有，而中國(guó)的橋梁建設(shè)者嘔心瀝血，銳意進(jìn)取，各種各樣的橋梁應(yīng)運(yùn)而生，并不斷刷新國(guó)內(nèi)紀(jì)錄與世界紀(jì)錄，把中國(guó)的橋梁科學(xué)技術(shù)水平提到了一個(gè)新的高度。2008年在中國(guó)的長(zhǎng)江上，豎起一座世界第一高塔（250m）、第一跨度(1088m)的斜拉橋，在杭州灣建造世界最長(zhǎng)的跨海大橋（36km），把斜拉橋和跨海大橋的設(shè)計(jì)、建造、管理的水平提升到一個(gè)相當(dāng)高的高度。

綜觀大跨度橋梁的發(fā)展趨勢(shì)，橋梁技術(shù)的發(fā)展將有一個(gè)質(zhì)的飛躍。大跨度橋梁向更長(zhǎng)、更大、更柔的方向發(fā)展。21世紀(jì)橋梁工程師們已向海峽進(jìn)軍，去征服一個(gè)有一個(gè)紀(jì)錄，跨度越來(lái)越大，塔高已越來(lái)越高。究之橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)往超長(zhǎng)、超大、超柔方向的發(fā)展趨勢(shì)，除自然條件外，多少還存在一些人為的因素，一種人性的體現(xiàn)，下面的一段“關(guān)于什么是摩天大廈的起因”也許能剖析橋梁發(fā)展的這一趨勢(shì)。

從1885美國(guó)芝加哥家庭保險(xiǎn)公司的世界上第一幢有金屬結(jié)構(gòu)的高層建筑到現(xiàn)在，高層建筑的發(fā)展又走過(guò)了120年。人類為什么要往高建造呢？菲利普.約翰遜在1996年的《摩天大廈》一書(shū)中說(shuō)“關(guān)于什么是摩天大廈的起因，人們有不同的概念，但在文化上的原因只有一個(gè)：為宗教信仰和自豪的目的往上升高?？墒俏覀兊纳虡I(yè)摩天大廈是競(jìng)爭(zhēng)性商業(yè)世界啟動(dòng)和推進(jìn)的結(jié)果?！薄啊谏虡I(yè)世界中，在那里是競(jìng)爭(zhēng)性的。群塔的眾多體量在一起代表一個(gè)文化時(shí)代，它們?yōu)槁曂c公認(rèn)一一站在那里奮斗。我有了一個(gè)……比你有的大一點(diǎn)，這是一種天然愿望，……?！?“欲窮千里目，更上一層樓”，王之渙站在黃鶴樓上說(shuō)出了人類往高的愿望、要求、及需要。

綜上所述，目前中國(guó)交通、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，綜合國(guó)力處于大發(fā)展時(shí)期，就更應(yīng)該優(yōu)先選用新技術(shù)、新材料建造起更多的世界最大跨度橋梁、最高建筑群體。讓“土木工程”優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚(yáng)光大，中國(guó)超跨度、超高層建筑應(yīng)立于世界土木工程建筑之巔峰。

現(xiàn)代新型建筑材料的應(yīng)用，會(huì)使橋梁跨度越來(lái)越大、主塔越來(lái)越高，人們對(duì)其跨度、高度極限問(wèn)題很感興趣，同時(shí)也會(huì)探討和預(yù)測(cè)這類高橋塔結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代城市中的新功能問(wèn)題。

三、發(fā)揚(yáng)“土木工程”傳統(tǒng)的可行性和合理性

為了恢復(fù)和發(fā)揚(yáng)中華“土木工程”的優(yōu)良傳統(tǒng)，采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就是用復(fù)合纖維完全替代鋼材，這是非常合理的和完全可行的。其中纖維混凝土結(jié)構(gòu)是針對(duì)替代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)提出的[2]，因而可使其變成無(wú)金屬結(jié)構(gòu)?；痉椒ň褪怯脧?fù)合纖維材料替代鋼筋或鋼絲，得到新型結(jié)構(gòu)，且具有更強(qiáng)、更輕、加工更簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，其中纖維筋的綁扎問(wèn)題已用尼龍綁扣替代，類似鋼材焊接的問(wèn)題可用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)解決。純復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)可以仿制或替代木結(jié)構(gòu)，也可以仿制或替代型鋼、鋼索等結(jié)構(gòu)。因此，這些現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的主要形式一般可以覆蓋替換現(xiàn)有各種有金屬結(jié)構(gòu)形式，使將來(lái)結(jié)構(gòu)形式發(fā)展到只有無(wú)金屬結(jié)構(gòu)一類，完全恢復(fù)“土木工程”名符其實(shí)的合理面目。

因此，橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以用纖維混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)代替；橋梁工程結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)、鋼纜索可用純復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)或纖維仿木結(jié)構(gòu)來(lái)代替；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以用碳纖維網(wǎng)管混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)代替。

（一）高強(qiáng)度、大跨度的問(wèn)題

現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)工程中的明顯優(yōu)勢(shì)就是纖維的自重輕、強(qiáng)度高、對(duì)溫度變化不敏感，在結(jié)構(gòu)中所引起的溫度變形很小。我們?cè)?jīng)在天津和北戴河采用了纖維混凝土建造了地下混凝土屋蓋，其碳纖維的抗拉強(qiáng)度為4000Mpa左右，經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合成碳纖維棒材的抗拉強(qiáng)度為3000Mpa左右，這抗拉強(qiáng)度約是普通鋼材的10倍。另外碳纖維的比重是1.8噸/立方米，約是鋼材的四分之一，所以，依目前而論，一噸碳纖維可以等效于40噸鋼材，用纖維代體鋼鐵的重量?jī)H為原來(lái)鋼鐵的2.5%，在土木工程中顯然這一重量是可以忽略不計(jì)的。

制約橋梁極限跨度的兩大因素，一是材料的強(qiáng)度；二是材料的容重。采用纖維混凝土既是高強(qiáng)又能大大減輕自重，顯著地增大橋梁跨越能力，又能為安裝構(gòu)件帶來(lái)方便，可節(jié)省大量的安裝費(fèi)用。更重要的是自重的減輕，可明顯減少地震力，或者在強(qiáng)度不變的條件下顯著提高結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)與能力。正是由于自重輕、強(qiáng)度高，如果用于橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固，基本上不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，但抵抗外荷載的能力大大提高，因此，這一優(yōu)點(diǎn)倍受橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固者的青睞[3]。

在橋梁結(jié)構(gòu)工程中，由于外荷載大，往往配筋率很高，導(dǎo)致混凝土澆注振搗困難，不密實(shí)，留下質(zhì)量隱患。而為了保證不超筋，就要增大截面，加大構(gòu)件體量，又增大自重內(nèi)力，甚至?xí)?dǎo)致惡性循環(huán)。而這一切，若采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)，用復(fù)合纖維替代鋼筋，就可以輕而易舉地解決以上問(wèn)題。

體積小、重量輕、強(qiáng)度高的現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)顯然是現(xiàn)代大跨度橋梁的首選結(jié)構(gòu)形式。

（二）結(jié)構(gòu)防腐和耐久性的問(wèn)題

土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題是一個(gè)很普遍的問(wèn)題，在地面以上能夠看到的結(jié)構(gòu)中金屬的腐蝕已是觸目驚心，在地面以下或水中的地下結(jié)構(gòu)工程（樁、柱、承臺(tái)等）因氯離子和硫酸鹽離子侵入造成鋼筋腐蝕必然會(huì)更加嚴(yán)重。

倍受世人囑目的杭州灣跨海大橋[4]，全長(zhǎng)36Km，目前是世界上最長(zhǎng)的橋梁。大橋中設(shè)計(jì)最難點(diǎn)部分就是（1）鋼管樁防腐性；（2）混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

（1）鋼管樁防腐性

橋位水域含鹽量較高，并且水流速度快、含砂量較大，所有這些因素將加速鋼管樁的腐蝕速度，對(duì)大橋的安全造成很大威脅。因此，合理確定鋼管樁的防腐措施是至關(guān)重要的。設(shè)計(jì)中實(shí)際采用樁身表面涂裝、陰極保護(hù)及預(yù)留鋼板厚度綜合防腐措施。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性

由于大橋的設(shè)計(jì)使用壽命是100年，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須采取一定的措施來(lái)提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。目前歐洲和美國(guó)許多混凝土橋梁在使用10～20年之后均出現(xiàn)了一定的破壞，并且其破壞的主要原因是混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕造成的。

提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，現(xiàn)階段做法：首先要提高混凝土本身的密實(shí)性，提高混凝土本身的耐久性；其次是混凝土表面涂裝或噴涂封面劑，減少造成鋼筋腐蝕的氯離子和硫酸鹽類進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道；另外要加強(qiáng)鋼筋本身的防腐措施，提高鋼筋自身耐腐蝕的性能。

現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維在耐腐性能上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，明顯強(qiáng)于混凝土或磚、石。利用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維可較好解決以上兩個(gè)問(wèn)題，即用纖維棒材代替鋼筋；采用纖維片材包裹來(lái)保護(hù)鋼管或混凝土；利用鋼管成孔內(nèi)置纖維加筋混凝土樁成復(fù)合樁基，并起雙重保護(hù)；最直接就是用纖維卷材加工成管材來(lái)代替鋼管。

（三）結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題

2008年5.12汶川大地震再一次說(shuō)明，橋梁工程自身是生命線工程，百年大計(jì)，因此橋梁結(jié)構(gòu)本身要具有良好的抗震性能。而抗震系側(cè)力問(wèn)題，無(wú)疑是橋梁結(jié)構(gòu)最難研究的系列之一。這一問(wèn)題之所以最難，從荷載方面看，地震荷載是隨機(jī)的，而且是非平穩(wěn)的，地震荷載時(shí)間過(guò)程不僅在幅值上是非平穩(wěn)的，而且在相位上也是非平穩(wěn)的，這就使問(wèn)題更復(fù)雜化了。從抗力上看，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是大變形非線性問(wèn)題，而且恢復(fù)力不僅有變形恢復(fù)力，而且還有阻尼恢復(fù)力。結(jié)構(gòu)抗震分析中不僅要考慮構(gòu)件材料的強(qiáng)度蛻化和剛度蛻化問(wèn)題，而且有時(shí)還要考慮臨界倒塌的負(fù)剛度問(wèn)題，不僅要考慮材料內(nèi)磨擦阻尼問(wèn)題，還要考慮結(jié)構(gòu)輻射阻尼問(wèn)題。

什么樣的結(jié)構(gòu)抗震性能最好？當(dāng)然輕的結(jié)構(gòu)抗震性能自然相對(duì)好些，美國(guó)西部地區(qū)和日本，人們?nèi)匀磺嗖A木結(jié)構(gòu)建筑，因?yàn)?，大家知道木結(jié)構(gòu)輕，抗震性能好，然而，木材資源有限，不可多得。現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)提出橋梁仿木結(jié)構(gòu)，就是從材料選擇的根本問(wèn)題上抗震。

至今國(guó)內(nèi)未有保險(xiǎn)公司設(shè)立“地震保險(xiǎn)”險(xiǎn)種，顯然，地震安全社會(huì)保障體系尚無(wú)法在中國(guó)建立?，F(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)將從強(qiáng)度高和重量輕出發(fā)，可根本解決橋梁結(jié)構(gòu)抗側(cè)力問(wèn)題，使無(wú)金屬結(jié)構(gòu)充滿活力。對(duì)于橋梁抗震的耐倒塌問(wèn)題，主要靠提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性來(lái)解決，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)一般為4～6，而纖維混凝土結(jié)構(gòu)的延性可達(dá)到10～12。如用纖維混凝土替代鋼筋混凝土建造橋梁結(jié)構(gòu)，則具有成倍的抗倒塌能力儲(chǔ)備。

綜上所述，現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)可以在不增加工程造價(jià)的前提下，明顯提高結(jié)構(gòu)抗震能力，并使橋梁抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有明顯提高，地震保險(xiǎn)可在現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)施，兩者相互促進(jìn)，結(jié)構(gòu)物地震安全分級(jí)管理不再有大的障礙，橋梁結(jié)構(gòu)的壽命會(huì)更加延長(zhǎng)。

（四）結(jié)構(gòu)耐疲勞問(wèn)題

橋梁在車輛荷載、風(fēng)雨振作用下，振動(dòng)疲勞問(wèn)題將是非常明顯的，尤其是鋼結(jié)構(gòu)、纜索、吊桿等接頭部位的疲勞破壞，直接關(guān)系到橋梁的壽命。這是因?yàn)榻饘俨牧蠒?huì)有缺陷，即使在很小荷載的反復(fù)作用下也會(huì)在缺陷面發(fā)生應(yīng)力集中，有裂紋擴(kuò)展，逐漸出現(xiàn)疲勞破壞。而現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中的復(fù)合纖維材料往往是由碳納米管組成的，也就是說(shuō)該材料在原子量級(jí)上都是較為均勻的，因此具有奇異的強(qiáng)度，同時(shí)也有優(yōu)越的抗疲勞能力。

（五）結(jié)構(gòu)智能控制問(wèn)題

結(jié)構(gòu)智能控制是現(xiàn)代建筑的又一研究熱點(diǎn)。橋梁建成交付使用后，將通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)保證橋梁的安全與正常運(yùn)行，一旦發(fā)生故障或損傷，將自動(dòng)報(bào)告損傷部位和養(yǎng)護(hù)對(duì)策。這一橋梁智能控制新技術(shù)，如采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)將很容易實(shí)現(xiàn)，即利用導(dǎo)電FRP既作為無(wú)金屬材料，又作為結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)傳感器。

（六）結(jié)構(gòu)造型藝術(shù)問(wèn)題

橋梁是人類最杰出的建筑之一，世界上很多著名的橋梁都是一件件寶貴的空間藝術(shù)品，成為陸地、江河、海洋和天空的景觀，成為城市標(biāo)志性建筑。因此說(shuō)建筑藝術(shù)的魅力是無(wú)價(jià)的，現(xiàn)代建筑創(chuàng)新必然會(huì)推出綜合反映時(shí)代風(fēng)貌的新的橋梁建筑造型，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和施工工藝將很難完成這樣的任務(wù)?，F(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的可塑性強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便，必將為橋梁建筑造型藝術(shù)的發(fā)揮提供了新的生命力。在現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究過(guò)程中，新的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造藝術(shù)風(fēng)格會(huì)層出不窮，必將突破結(jié)構(gòu)造型的多年沉寂。橋梁結(jié)構(gòu)在新材料、新結(jié)構(gòu)的滋潤(rùn)下將會(huì)更加重視建筑藝術(shù)造型，重視橋梁美學(xué)和景觀設(shè)計(jì)，重視環(huán)境保護(hù)，達(dá)到人文景觀同環(huán)境景觀完美結(jié)合。

四、橋梁結(jié)構(gòu)的極限跨度問(wèn)題

現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)中纖維的抗拉和抗壓強(qiáng)度都很高[5]，且材料又輕，正如前面所言。但在現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)建造時(shí)，結(jié)構(gòu)變形的剛度控制是十分關(guān)鍵的指標(biāo)，為此，可采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們提出預(yù)應(yīng)力的施加可以分為兩級(jí)：第一級(jí)為制作復(fù)合碳纖維筋時(shí)施加的預(yù)應(yīng)力，這種預(yù)應(yīng)力當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂固結(jié)后才釋放回彈，環(huán)氧樹(shù)脂承受壓力，預(yù)應(yīng)力施加不會(huì)很大，根據(jù)我們做的無(wú)膠纖維布混凝土板承載力實(shí)驗(yàn)，估計(jì)這種預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度目前最大為纖維強(qiáng)度的10℅，采用先進(jìn)的自動(dòng)化制作工藝預(yù)應(yīng)力會(huì)有明顯提高。第二級(jí)為建造碳纖維構(gòu)件時(shí)施加的預(yù)應(yīng)力，這種方法與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件的制作相似，即對(duì)碳纖維絲施加預(yù)應(yīng)力，所不同的可能還在于采用的卡固和張拉方法。對(duì)碳纖維施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)果是不容忽視的，這將大大提高材料的實(shí)際抗拉伸強(qiáng)度，且使結(jié)構(gòu)的抗力又具有了一定的儲(chǔ)備量。

有了超常的強(qiáng)度和剛度后，天津城市建設(shè)學(xué)院99級(jí)學(xué)生李鑫在其畢業(yè)論文中以南京長(zhǎng)江二橋南汊主橋?yàn)槔M(jìn)行分析討論：南汊主橋?yàn)殡p索面鋼箱梁斜拉橋，橋長(zhǎng)2938米，主跨為628米，南北索塔高為195.41米，橋面寬32米，梁高3.5米，基頻0.0757Hz。

假設(shè)南汊主橋的塔柱，其自重為W，強(qiáng)度為P，又有一個(gè)與它條件相同的碳纖維塔柱，因?yàn)樘祭w維的比重是鋼的1/4倍，強(qiáng)度是鋼的18倍，所以，碳纖維的自重等于(1/4)W，強(qiáng)度等于18P。從這些對(duì)比中，我們就可以看出這兩種材料的根本區(qū)別?，F(xiàn)在就按碳纖維的抗拉，抗壓強(qiáng)度等于10倍鋼來(lái)考慮，1噸碳纖維=40噸鋼，那么，相對(duì)與這個(gè)195.41米高的鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，采用碳纖維為建筑材料，其高度可以達(dá)到近8000米?？紤]到橋梁的經(jīng)濟(jì)跨度、結(jié)構(gòu)、施工難度等問(wèn)題，我們可以把斜拉橋主塔的高度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)即2000米，相應(yīng)的主梁跨度也可以做到8000米。你可能對(duì)這樣的高度和跨度感到震驚，但它確實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)的。

五、橋梁結(jié)構(gòu)的新功能預(yù)測(cè)[5]

橋梁結(jié)構(gòu)除了上述使用功能外，還可以看到斜拉橋主塔結(jié)構(gòu)頂部有觀光旋轉(zhuǎn)餐廳或帶有各國(guó)宗教色彩的飾物作為某個(gè)地方或城市的標(biāo)志等功能。但是，這里將重點(diǎn)討論利用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)建造巨型主塔配合其他超高層建筑物來(lái)進(jìn)行城市通訊規(guī)劃基礎(chǔ)研究問(wèn)題。

（一）城市通訊的現(xiàn)狀迫切需要相應(yīng)的建筑規(guī)劃

1998年，數(shù)字地球概念的提出標(biāo)志著人類已逐步進(jìn)入數(shù)字地球時(shí)代。數(shù)字城市必然是數(shù)字地球的主體，數(shù)字通訊是數(shù)字化傳播的媒體。而建筑物尤其高層建筑是數(shù)字通訊的重要載體，若不對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃，必然造成無(wú)畏的損失與危害，如通訊器材裸露、有線通訊網(wǎng)絡(luò)雜亂無(wú)章、建筑林立阻礙無(wú)線通訊信道、建筑物金屬電磁屏蔽帶來(lái)大量通訊弱區(qū)、盲區(qū)等。這將導(dǎo)致通訊隱私泄露，電視重影，有線電視網(wǎng)耗資過(guò)大。人們總是依靠增強(qiáng)無(wú)線通訊信號(hào)來(lái)緩解這些問(wèn)題，然而無(wú)線通訊信號(hào)的增強(qiáng)必然對(duì)人體造成一定的危害。

（二）城市通訊建筑規(guī)劃的原則

一個(gè)原則是無(wú)線與有線統(tǒng)籌規(guī)劃的原則，就是使無(wú)線通訊的距離盡可能長(zhǎng)，有線通訊的距離盡可能短，無(wú)線與有線相結(jié)合，各司其職、各顯其能。室外以無(wú)線為主，室內(nèi)以有線為主，在重要位置可采用雙信道或多信道。為了實(shí)現(xiàn)上述原則，城市通訊建筑規(guī)劃還要采用多制高點(diǎn)原則，為了克服建筑物造成的通訊信道障礙，采用制高點(diǎn)是必然的，然而單制高點(diǎn)是不可取的，現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)將使超高結(jié)構(gòu)成為可能。另一原則是通訊建筑結(jié)構(gòu)無(wú)磁原則，即要利用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的無(wú)磁特性，不僅可以解決鋼材對(duì)通訊電磁波的干擾和屏蔽問(wèn)題，而且更重要的是為了防止導(dǎo)彈對(duì)金屬的精確制導(dǎo)襲擊。

城市數(shù)字通訊建筑規(guī)劃可解決無(wú)線通訊設(shè)施的合理分布問(wèn)題，實(shí)際上是克服信道建筑障礙問(wèn)題。城市超高建筑規(guī)劃應(yīng)該與城市通訊規(guī)劃相結(jié)合，從而解決多制高點(diǎn)問(wèn)題、取消露天通訊塔問(wèn)題、城市建筑資源通訊共享問(wèn)題等，從而實(shí)現(xiàn)超高建筑的通訊功能，這一新功能顯然是非常重要的。

為了明顯緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市無(wú)線通訊和有線通訊建設(shè)的壓力，擬規(guī)劃采用現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市內(nèi)每個(gè)區(qū)各建一座高于600米的天宮，就是構(gòu)想在每個(gè)區(qū)各建一座世界最高建筑，各區(qū)的黨、政機(jī)關(guān)盡可能與區(qū)內(nèi)大的經(jīng)濟(jì)集團(tuán)共處一高樓，可大大提高經(jīng)濟(jì)建設(shè)管理和運(yùn)營(yíng)效率。天宮頂端都設(shè)置無(wú)線數(shù)字通信設(shè)備，并互相聯(lián)網(wǎng)，實(shí)際上起到了城市超低空同步衛(wèi)星的作用，這將使數(shù)字城市信道產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，同時(shí)也要求每座天宮地理分布更符合城市實(shí)際需求，其他各區(qū)縣也會(huì)效仿建天宮，這就可以形成覆蓋整個(gè)城市的高空數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。市內(nèi)與遠(yuǎn)郊縣之間，城市與城市之間，可以依靠平川河上的斜拉橋高橋塔來(lái)接續(xù)高空數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，目前較大型斜拉橋的橋塔高度可超過(guò)200米，在平川斜拉橋因此壯觀，同時(shí)應(yīng)該考慮利用這種難得的高度，使其與天宮的通訊功能匹配起來(lái)。

參考文獻(xiàn)

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[2]李大華，郎虹，閆熙臣， 纖維混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)地磁觀測(cè)室研究，《第八屆混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議》，重慶，2004，10

[3]施穎，王勁，李大華，現(xiàn)代無(wú)金屬結(jié)構(gòu)在橋梁工程中應(yīng)用的核心問(wèn)題及解決方法探討，《重慶交通學(xué)報(bào)》，2004，4

[5]施穎，徐曉穎等，關(guān)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)城市通訊的建筑規(guī)劃，《電子與信息學(xué)報(bào)》2003增刊