结构大师--弗雷西内 Freyssinet

斌宝宝

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Eugene Freyssinet (1879～1962)Eugene Freyssinet 弗雷西内 (1879～1962)，法国结构工程师，是现代混凝土结构最早的实践者之一，预应力混凝土技术的主要奠基人。
弗雷西内在探索预应力技术的同时，完成了大量优秀的设计作品，包括混凝土拱桥、预应梁桥、以及大跨度抛物线拱壳、直纹曲面薄壳形式的空间建筑。混凝土桥梁的早期实践者
从现代混凝土结构的发展过程着眼，我们更容易理解弗雷西内贡献的意义。如果说19世纪是铁的时代，那么20世纪上半叶就是混凝土的时代。法国工程师Francois Hennebique 受到 Monier (法国园丁,铁筋混凝土的发明者) 的启发，于1892年发明了全套的铁筋混凝土建造系统，引起了当时土木工程界的轰动。

Hennebique关于铁筋混凝土梁和节点的专利1905年，弗雷西内从法国国立路桥学校毕业，成为法国公路局的一名工程师，在法国中南部荒凉地区设计、建造路桥。在贫困地区修路架桥的成本限制严格，工程师不得不寻求最简洁、最经济的材料和建造方案。 弗雷西内偏爱钢筋混凝土这种新材料，因为它比传统的石桥和铁桥更加省钱，而且建造方便。引注：1898年综合工科学校没有录取弗雷西内，正如半个世纪前没有录取埃菲尔一样。弗雷西内只好重考一年，以161名的成绩勉强被录取了，然而以第19名的成绩毕业。之后继续去了法国桥梁和道路高等学校深造。
Pontle Veurdre 勒弗尔德桥

弗雷西内早期最重要的作品是Pontle Veurdre桥。项目规划之初，公路局已决定用63 万法郎建造一座“石桥”以替换原址的老桥。而弗雷西内提出了钢筋混凝土拱桥方案，成本是石桥方案的1/3。他后来回忆到“一封正式公函任命我为监造……桥梁的设计师和承造只有我一个人，方案不用上级审批……从来没有人享有这样的自由，没有人给我下命令，也没有人给我什么忠告或者建议”，弗雷西内十分兴奋地投入到大桥的建造工作中。
Pontle Veurdre桥共3 跨，为矢高较小的钢筋混凝土浅拱结构，每跨72.5 m的跨度创造了当时拱桥跨度的记录。

Pontle Veurdre桥，1907-1910旁边为待拆除的老式悬索铁桥由于是第一次设计大跨度拱桥，弗雷西内谨慎地进行了50米跨度的近似足尺试验。他意外地发现，“混凝土徐变是个可怕的未知数，而官方的规范却否认这一点”。
桥梁投入使用以后，1911年初的一天，弗雷西内观察到，混凝土的徐变和收缩效应使得拱的效应减弱，桥面出现了很大的下挠，情况非常危险。幸好在设计建造过程中，他曾担心这一问题，在拱顶保留了架设千斤顶的开口位置。
他立刻采取措施，利用拱顶的千斤顶对混凝土施加预压力，拱顶的桥面在预压力作用下慢慢抬高，重新恢复了平整，再将顶开的缝隙用混凝土填实。以上一切由5个人耗时一天时间就完成了。这是一次非常令人振奋的经历。


Veurdre桥是弗雷西内最为喜爱的作品，尖尖的桥墩与宁静的水面反差，桥台和远山衬托出拱桥的轻便。他晚年曾说：“我最爱Veurdre桥，所有在战争中被破掉的桥中，这一座的毁坏最让我伤心”。Veurdre桥是弗雷西内年轻时的得意之作，他对这座桥的感情像是初恋情人般热烈。
之后，他又设计建造了一系列壮观的桥梁，为他赢得了国际声望。




维尔纳夫桥（1914-1919），桥跨96m

圣皮埃尔杜沃夫桥（1919-1921）
该桥于1940年在战争中被毁，1946年按原貌形式重建。圣皮埃尔桥，是一座跨度131.8m的下承式拱桥，于1923年完工，刷新了混凝土拱结构跨度的记录。

圣皮埃尔杜沃夫桥：建造过程普卢加斯泰勒桥
普卢加斯泰勒拱桥（Plougastel Bridge, 1924-1930），为单箱截面的预应力混凝土拱，3 跨各180m，再次刷新了混凝土拱结构跨度的记录。



普卢加斯泰勒桥（1928-1930）
施工过程中，单个拱在岸边浇筑完成，再利用潮汐的水位变化，用船逐个拼接成为三个连续的结构（如下图所示）。  

施工照片1：河岸桥拱预制

施工照片2：基座连接固定


施工照片3：涨潮桥拱运输

拼接定位成形

在这个项目中，弗雷西内运用较为完整的预应力混凝土技术。桥梁的视觉美感、设计理论、建造安装技术都达到了非常高的水平。



大跨度空间结构
抛物线拱形的飞机库除了混凝土桥梁以外，弗雷西内也设计了一些大跨度的空间结构，包括筒壳屋顶的工业结构、抛物线拱形的飞机库，以及直纹曲面薄壳的铁路修配车间。



钢筋混凝土抛物线拱结构,机库, E .Freyssinet奥利机场飞机库（Air ship hangarsat Orly）建于1921-1923年间，长300m，跨度86m，高60m。由一系列抛物线形钢筋混凝土拱组成。由薄板将拱肋横向连接，引入了采光，也增加了拱的侧向稳定，同时使表面形成了优美波纹型，。
机库的建造方式也很特别，类似现在的滑移工法。先搭设混凝土模板，浇筑单个抛物线拱；浇筑完成后，通过地面导轨滑移混凝土模板，浇筑下一个拱。整个建造过程方便、快速、有序。





单个混凝土拱的模板支架


拱线的计算，以及模板搭建示意

拱肋之间的横向连接，内部完成后的光线效果直纹曲面薄壳结构弗雷西内在1924-1929年间，设计了一个类似高斯拱形式的、混凝土直纹曲面薄壳，用于火车维修车间（Railway Repair Shop）。拱壳并排布置，交接处形成朝北采光的、月牙形状的玻璃侧窗。

巴涅铁路修配厂车间 1927
高斯拱形式的混凝土直纹曲面薄壳


柱顶的拉杆用于平衡拱的推力。玻璃侧窗则由混凝土拱壳吊挂的拉杆承受。这个工程以构件的纤薄著称。预应力混凝土的开拓者
钢(铁)筋混凝土发明不久后，1888年美国工程师彼得·杰克森（Peter H. Jackson，1829-1908）首次应用了预应力混凝土的概念。但是，最初的尝试并不成功。低强度的铁筋限定了预应力值，随着混凝土徐变、收缩变形，预应力很快全部丧失了。

直到1928年，弗雷西内经过早期几个桥梁项目的实践后，提出必须采用高强钢材，以减少预应力损失的比例，使混凝土内部长期保持预压状态。这大大提高了混凝土结构的跨越能力和经济性。他率先采用极限强度达1725MPa的高强钢丝。
之后，E .Freyssinet和G .Magnel分别发明了锥形锚具和麦式锲形锚具，用于后张法预应力工艺。


Freyssinet的锥形预应力锚具专利


勒阿弗尔水运终点站拯救计划, 1935应用预应力拯救下沉的水运站，展示了预应力的潜力卢赞西桥二战结束后，全世界面临大量的战后重建。由于钢材奇缺，一些传统上采用钢结构的工程都以预应力混凝土代替，应用于公路桥梁、工业厂房、公共建筑等领域，反过来也推动了预应力理论和技术发展。1946 年，弗雷西内掌握的预应力混凝土技术已基本成熟，他设计完成了卢赞西桥，跨度55 米。其中应用了新的预应力方法，分段预制 + 高强度张拉钢索。


卢赞西桥（1941-1946）这座桥引人注目的是，用高强度钢丝束对混凝土施加巨大压力后，大跨度混凝土桥摆脱了拱的形式，呈现出更加轻盈的观感。卢赞西桥的桥梁主体在工厂分段预制完成，在现场通过桥架吊装连接，安装顺序如下图所示。



施工1：工厂分段预制

施工2：搭建施工桥架

施工3：固定连接基座

施工4：现场吊装和拼接定位1945年以后，弗雷西内还设计了卢赞西河上的其它5座大桥、委内瑞拉境内3座跨度为150米的拱桥、以及卢尔德教堂、圣米歇尔桥、悉尼Gladesville大桥等。



Basilica of Saint Pius X, 1958


悉尼Gladesville 大桥
混凝土拱桥，总长579米，最大跨度305米预应力混凝土技术被认为是混凝土发展过程中最重要的进步，创造出一种理想的材料结合。弗雷西内曾说到“50岁时，我放弃了已经安排好了的生活，投身到一个充满疑问和危险的生涯中去。”
如今，预应力混凝土发展到了新工业化阶段，国际上著名的大型预应力混凝土公司有法国Freyssinet、瑞士VSL、荷兰DIANA、德国DSI、英国BBR等。



弗雷西内不喜欢巴黎的浮华，按照家乡的传统，他更愿意做一个“工匠”，偏爱简洁的技术形式、便利的建造方法。正如他自己所说的：“一项工程给其创建者带来的喜悦不取决于其规模大小，而取决于他对这项工程倾注的爱。”「透过这些文字，小i好像能感受到近百年以前，弗雷西内作为工程师的喜悦和成就感」
1952年，国际预应力混凝土协会FIP成立，以弗雷西内Freyssinet的名字命名混凝土结构奖章。1957年结构工程师协会IStructE授予弗雷西内金质奖章。鉴于弗雷西内对早期混凝土结构的实践、大量的优秀作品、以及在预应力方面的开拓性贡献，他称得上是20世纪上半叶，最伟大的钢筋混凝土结构工程师之一。延伸阅读 iStructure 原创整理的结构大师系列请点击→ 公众号首页→ 精彩专题→ 结构大师Gustave Eiffel 埃菲尔P.L.Nervi 奈尔维Eduardo Torroja 托罗哈Ove Arup 阿鲁普Buckminster Fuller 富勒Felix Candela 坎德拉Peter Rice彼得·赖斯Fazlur Khan法兹勒.汗Leslie RobertsonEladio DiesteFrei Otto 弗雷·奥托Cecil Balmond 巴尔蒙德Calatrava 卡拉特拉瓦坪井善胜参考资料：
1.David P.Billington, The Tower and the bridge, 19852.Efreyssinet-association.com3. en.wikipedia.org/wiki