箱梁结构在桥梁工程中广为应用。按材料划分，有钢梁、混凝土梁和结合梁；按结构体系划分，有简支梁（主要用于高铁）、连续梁和连续刚构；按梁高变化，分为等高度梁和变高度梁；按箱室布置方式，可构造出单箱、双箱、单室、多室的不同组合，如单箱双室、双箱单室等；按边腹板布置方式，有直腹板梁和斜腹板梁（在大跨斜拉桥和悬索桥中常用的扁平钢箱梁，可视为斜腹板梁的一个特例）。除此之外，还可按箱梁的平面直曲、混凝土梁的现浇或预制拼装、钢梁节段的连接方式等进行区分。
用箱梁结构来建造桥梁，始于何时何处？要回答这个问题，就需要回溯到“管状桥”了。何为“管状桥”？这词直译自英文Tubular Bridge，指的是1850年前后建造的用于铁路交通的矩形熟铁箱梁桥，且单线列车在箱内行驶。为便于理解，这词也可意译为“箱管桥”或“管箱桥”。
世界上仅建造过三座管状桥，包括英国横跨梅奈海峡的不列颠尼亚桥（Britannia Bridge）和横跨康威河的康威铁路桥（Conwy Railway Bridge），以及加拿大蒙特利尔的维多利亚桥（Victoria Bridge, Montreal）。本文拟简要介绍这三座铁梁桥及其技术背景，初步讨论最早问世的现代箱梁桥及其成因。
三座铁路管状桥
图1 1850年建成的不列颠尼亚桥
图2 不列颠尼亚桥的箱梁节段及截面布置
最初的设计方案为链式悬索桥，这也就是为什么图1中的石墩（实际上是石塔）超过了梁部许多。基于试验结果和康威铁路桥的工程实践，认为梁体可自行承重，遂改为梁式桥。主跨的单孔箱梁重1830t（也有文献说是1500t），采用了当时颇为新颖的架设方法（图3）：先在岸上组拼箱梁，然后用趸船浮运至桥位，最后用绞盘和液压千斤顶提升就位。
图3 英国画家乔治·霍金斯（George Hawkins）1849年绘制的施工场景
图4 1972年建成的不列颠尼亚公铁两用桥
第二座管状桥是康威铁路桥（图5）。该桥承载着北威尔士海岸铁路双线，横跨康威河，建于1846～1848年。这桥的设计师和合作者与不列颠尼亚桥的相同，即一套人马同时承建两座桥。最初计划建造一座悬索桥，以便与其旁边的1826 年建成的康威悬索桥在外观上保持一致。斯蒂芬森担任总工程师后，采纳了费尔贝恩的建议，梁部改用单跨熟铁箱梁结构，桥塔则改为与旁边康威城堡协调的塔楼模样。桥长141m，跨度125m，采用岸上组拼、趸船浮运、顶升就位的方法架设。1899年，在梁下采用铸铁圆形墩加固，在相应梁体处加密竖向加劲肋。
图5 1848年建成的康威铁路桥
康威铁路桥在1849年开通，比不列颠尼亚桥早一年，成为世界上第一座投入运营的管状桥，也是目前唯一尚存者（仍在服役）。从建成年份、结构形式、架设方法等方面看，这桥的成功为不列颠尼亚大桥提供了强力支持。
图6 蒙特利尔的维多利亚管状桥
维多利亚管状桥建成时，是当时世界上最长的桥梁，也比加拿大建国早8年。为应付交通量的增加，在1897～1898年间，新建了一座公铁两用桁架桥（双线铁路居中，公路置于两侧）替代单线管状桥。在不中断交通的情况下，在原桥位处架设桁架梁（图7），桁架完成后拆除原桥箱梁。
图7 蒙特利尔的维多利亚桁架桥
不同的尝试——托克西高架桥
在斯蒂芬森建造管状桥的同时，英国还在1847～1849年间建成一座特殊的双线铁路箱梁桥，这就是英格兰横跨特伦特河的托克西高架桥（Torksey Viaduct，图8）。这座桥的设计师是约翰·福勒 （John Fowler），他是伦敦大都会铁路（世界上第一条地铁）的工程师和福斯铁路桥的咨询工程师。托克西高架桥全长约280m，主桥的两跨结构为一对矩形熟铁连续箱梁，单箱高约3.05m，宽约0.62m，分跨2×40m，两箱间距、横梁构造等信息不详；其余部分为空心铸铁墩支撑的20跨栈桥。可能是受到当时康威铁路桥和不列颠尼亚桥建设的影响，托克西高架桥也采用了箱梁结构，但与管状桥的明显区别是，过桥的火车并不是从箱内穿过而是从两箱之间通过。可能是因为该桥的规模和跨度不大，这项技术创新在当时并未引起足够重视，直到后来才被认为是世界上第一座箱梁桥。
图8 1849年建成的托克西高架桥
有意思的是，这座新颖的桥梁设计当时不被铁路建设监督人员接受，后经额外的实桥测试并据理力争才得以放行。1897年，为加固结构，将一侧的箱梁向外移动，在中间安设了一片钢桁架。1959年线路关闭，目前用于行人及自行车通行。
管状桥背后的技术支撑
在管状桥的设计过程中，斯蒂芬森聘请了两位杰出的工程师担任顾问。费尔贝恩是著名的土木工程师、结构工程师和造船师，霍奇金森则是数学家和土木工程师（梁的中性轴概念就是他提出的）。在19世纪20年代，费尔贝恩和霍奇金森曾开展过铁梁最佳横截面的研究，并为利物浦和曼彻斯特铁路设计了水街桥（Water Street Bridge，一座由铸铁纵横梁体系组成的小跨度铁路桥，1830年建成）。
在康威铁路桥和不列颠尼亚桥的结构选型阶段，霍奇金森认为，只靠铁管自身承受铁路荷载不切实际，建议增加链式主缆辅助承载。费尔贝恩则认为只要矩形箱梁的尺寸比例合适，板件铆接可靠，就无需链式主缆。斯蒂芬森拿不定主意，但谨慎支持费尔贝恩的意见。为此，费尔贝恩在自己的造船厂制作了一个跨度约23m（75英尺）的模型（图9），选择圆形、椭圆形和矩形截面进行变形和承载试验。
图9 管状桥的试验模型
可以想象，在19世纪中期开展这样的试验，是对工程师的一项巨大挑战。按照霍奇金森的说法，试验似乎开辟了一个全新的研究领域，试验结果的多样化令人困惑。因此，需要反复改变截面尺寸及材料分布，通过试验寻求最终设计的技术依据。对矩形箱梁而言，试验揭示了箱梁顶板的屈曲问题和腹板的刚度问题，并通过设置蜂窝状空心顶底板、竖向加劲肋和肱板加以解决。最终，费尔贝恩力推的矩形截面（斯蒂芬森先前要求采用椭圆形截面）得以采纳。
康威铁路桥和不列颠尼亚大桥在跨度上远远超过了同一时代的铁梁桥（之前最长的铁梁桥的跨度还不足30m），当时被赞誉为“规模宏大、结构新颖”。不过，由于管状桥对熟铁的质量要求高，耗材巨大，导致建桥成本太高而难以推广。尽管如此，其开展的试验研究及研发的相关梁体构造措施，不仅开创了将箱梁结构用于桥梁的先河，也为后来大规模运用钢板梁结构提供了参考。
最早的现代箱梁桥
从19世纪中期算起，箱梁桥沉寂了很长一段时间。直到20世纪30年代，世界上才出现第一座预应力混凝土箱梁；在20世纪40年代，建造出第一座钢箱梁。依个人浅见，现代箱梁桥问世的原因，可能主要有以下几点：一是得益于材料（钢、钢筋混凝土、预应力钢筋）、结构分析设计理论和建造技术的进步，二是为满足钢及混凝土肋板式梁桥向大跨度、宽桥面发展的需求，三是来自于早期“管状桥”的启发。
第一座预应力混凝土箱梁桥，是1937年德国建成的奥厄车站桥（Die Bahnhofsbrücke in Aue）。从图10可知，这是一座预应力混凝土公路梁桥，桥长约304m，桥宽12m，共10跨。主桥为三跨预应力混凝土悬臂梁桥，由两边的箱形截面悬臂梁和中间的T梁挂孔组成；主跨长69m，跨越7条铁路线；截面布置为变高度的直腹板单箱三室形式，采用支架法现浇施工。
图10 奥厄车站桥
1962年进行检查维修时，发现由于混凝土的收缩徐变，预应力减少了75%，悬臂梁下挠了20cm，后增设临时支墩处理。由于疏于维护，混凝土质量持续劣化，结构工作状况不佳，于是在1994～1995年间，拆除并大体按原样重建上部结构（图11）。
图11 1995年后的奥厄车站桥
桥位处曾在1915年建成一座自锚式悬索桥，其在1945年的战损修复过程中垮塌。新桥在旧桥遗留的墩台上建造，采用变截面连续梁、铆焊并用的单箱三室结构。这样的方案，是为解决当时钢材短缺问题而催生出来的新型结构。从图12可见，三片主梁（腹板）配置有竖向加劲肋，通过上下水平布置的型钢及交叉杆连接，底板配置有槽钢加劲肋，顶板则由搁置在上水平型钢上面的工字钢和上盖板组成，桥面为钢筋混凝土板。这桥的用钢量为3700t（配额用钢量为3600t），仅为旧桥用钢量的60%左右，这充分证明了箱梁结构的优越性。
图12 道依泽尔钢箱梁桥立面及断面布置
图13 悬臂法拼装钢箱梁桥
1976～1980年间，为满足城市有轨电车交通需求，在钢箱梁旁边修建了一座宽约12m的预应力混凝土单箱单室梁桥（图14）。为适应与既有钢桥的合并，混凝土箱梁的翼缘宽窄不一（靠钢梁侧窄）；为保证视觉和谐，让混凝土桥的分跨、梁高变化等与钢桥相同。采用的施工方法是：混凝土桥在距钢桥约5m开外建造，然后横移就位。
顺便提及，自1995年起，德国科隆在每年夏季都会举办为期一周的名为“桥声”（Brückenmusik）的声乐创作和鉴赏活动，活动的地点就在混凝土箱梁内部。由于箱内空间形成的特殊环境，其作为一个声乐创作场所而受到音乐家和游客的喜好。这种充分利用城市空间的做法，值得称赞。
图14 并列的钢/混凝土箱梁桥
结 语
箱梁桥的演进，从铁桥时代的萌芽到钢及混凝土时代的成型，大约历时百年。工程结构能否从初创逐步走向成熟，取决于建筑材料、设计方法、建造技术、经济条件、市场需求等。
箱梁桥的萌芽（即“管状桥”），归功于英国工程师；现代钢及混凝土箱梁桥的早期发展，德国工程师做出了重大贡献。
每次工业革命的初期通常是技术创新的高潮期。今天我们处于第四次工业革命的初期，低真空磁浮管道交通正在路上。期盼中国工程师在21世纪的“管状桥”建设中，做出历史性创新。