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作者：木葉

前 言

近代的大跨徑懸索橋是由古代的藤、竹懸索橋發(fā)展而來。據(jù)記載，最晚在唐朝中期，我國就從藤索、竹索發(fā)展到用鐵鏈建造懸索橋。至今尚保留下來的古代懸索橋有四川瀘定縣的大渡河鐵索橋（1706年，語文課本中紅軍飛奪瀘定橋中鐵索橋正是此橋），以及灌縣的安瀾竹索橋（1803年）等。

近代大跨徑懸索橋是如何一步一步演變成今天這個(gè)樣子的呢，本文將和大家一起探討一下懸索橋的前世今生。

▲ 瀘定縣大渡河鐵索橋

▲灌縣的安瀾竹索橋

▲現(xiàn)代大跨懸索橋

懸索橋的前世——古代索橋

在地勢平緩的平原地區(qū)，古人遇到小河小溪，通常在水中放置一些石塊或者將石板搭在石頭上便能渡河，建造了一些小跨度的木梁橋、石梁橋或者石拱橋。但是在地勢險(xiǎn)峻的山區(qū)，古人要想跨越深澗河谷，如若仍采用平原地區(qū)的梁橋，那么勢必要在深澗河谷之中建造橋梁基礎(chǔ)，并架設(shè)高墩，這在技術(shù)落后的古代談何容易！

▲深澗河谷如何變通途

古人想到的最好的辦法，就是“無視”深澗河谷，一跨過之！古人大概是從山林間動(dòng)物借助藤蔓攀援而得到啟示，發(fā)明了以藤、竹、草等自然界材料加工成索來造橋的辦法，逐步創(chuàng)造出了三大基本橋式之一的索橋。

▲自然界中，猿猴借助藤蔓在樹之間輾轉(zhuǎn)騰挪

怎么造橋？最簡單的方式是在兩岸固定一根索，一頭高，一頭低，人就可借傾斜之勢滑越渡河。這就是最原始的渡河工具——溜索。生活在三江并流區(qū)域和雅魯藏布江流域的各少數(shù)民族，歷史上多使用溜索過渡。直到今天，極少數(shù)邊遠(yuǎn)地區(qū)仍在使用溜索，但材料已改用鋼絲繩或鋼絞線了。

▲云南怒江溜索

溜索通常只能渡人，而且不方便，很危險(xiǎn)。后來出現(xiàn)了多索的形式，即一部分索平鋪在下面，上鋪木板形成較寬的橋面；一部分索高置兩側(cè)，兼做扶手和護(hù)欄。這樣的索橋，既可以行人，也可過渡貨物、牲畜，這就是早期的索橋。

▲西藏墨脫藤網(wǎng)橋

▲西藏早期索橋

▲日本藤蔓橋

▲秘魯草繩橋

之后，人類開始逐步把鐵索應(yīng)用于橋梁。據(jù)史料記載，在云南麗江玉龍縣西北的塔城鄉(xiāng)，曾有一座建于唐朝的跨越金沙江的鐵索橋，后毀于唐貞元十年（公元794年）吐蕃與南詔之間的一場戰(zhàn)爭。史料中沒有關(guān)于鐵橋的具體信息，今天能看到的，是1991年在遺址處設(shè)立的一塊“古鐵橋遺址”碑。

▲“古鐵橋遺址”碑

至于神川鐵橋的建造者，眾說紛紜，沒有定論；但當(dāng)代史界學(xué)者一般都認(rèn)為是吐番（公元618～842年間的古代藏族政權(quán)）所建。因?yàn)楹髞聿刈迦嗽诮ㄔ扈F索橋方面頗有建樹，其中，唐東杰布就是一位杰出的代表。

1430年（一說1420年），他建造了跨越雅魯藏布江的曲水橋（位置在今拉薩曲水縣達(dá)嘎鄉(xiāng)達(dá)嘎村，1966年建成的曲水大橋附近），也叫甲桑（Chaksam）橋。這橋早已不存，有兩點(diǎn)值得注意：第一，這鐵索橋的鐵索與橋面是通過吊索（牦牛毛制成）連接，這被公認(rèn)為是世界首創(chuàng)；第二，橋的跨度達(dá)到300步（pace），這在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)了不起的！

▲曲水鐵索橋立面布置示意（繪制于1878年）

懸索橋的今生——現(xiàn)代懸索橋

據(jù)記載：鐵鏈懸索橋于1741年始于英國，其跨度為21.34m，使用了61年。隨著工業(yè)革命的進(jìn)行，懸索橋的建造技術(shù)也隨著時(shí)代潮流蓬勃發(fā)展。

現(xiàn)代懸索橋早期

國外現(xiàn)代懸索橋的早期大致從1801年詹姆斯·芬萊建雅各布澗懸索橋，至1883年布魯克林橋建成。期間，比較有代表性有如下幾座懸索橋。

英國最具代表性的懸索橋，是由托馬斯·特爾福德建于1820~1826年的，跨徑為176m的梅奈海峽大橋。該橋是一座公路橋，采用熟鐵和石料制作；全長417m，主跨176m（為當(dāng)時(shí)世界最大跨）。

▲托馬斯·特爾福德

▲梅奈海峽大橋

在法國，1823年，維納爾在研究報(bào)告中考慮了懸索橋的動(dòng)力作用，并取得“穩(wěn)定性隨橋的重量與跨長而增加”的結(jié)論。這一年，法國開始大量修建懸索橋，其中最具代表性的為1834年建成的弗賴堡橋，跨徑為265m。

里昂的機(jī)械工塞昆和拉梅首先用優(yōu)質(zhì)鍛鐵代替鏈條，并在俄國跨豐塔卡河建成第一座法國式懸索橋。

美國的羅勃林針對(duì)惠林橋被大風(fēng)所毀的事故詳加研究，對(duì)懸索橋的設(shè)計(jì)和分析作了許多重要貢獻(xiàn)。1883年在紐約建成的布魯克林橋，系早期懸索橋的典范，主跨達(dá)488m，當(dāng)時(shí)被稱為世界工程第八奇跡。

▲布魯克林橋

現(xiàn)代懸索橋后期

國外懸索橋后期可概括為自布魯克林橋建成至今。這期間，懸索橋的跨度、規(guī)模和建橋材技術(shù)都有很大發(fā)展。一般來說，國外懸索橋發(fā)展后期，大致可劃分為以下三類。

  1、美國懸索橋

20世紀(jì)30年代是美國修建大跨度懸索橋最興旺的時(shí)期。最具代表性的是1937年建成的舊金山金門大橋，其主跨為1280m，曾保持世界最大跨徑記錄達(dá)27年之久。

▲舊金山金門大橋

此后，許多國家所修建的大跨度懸索橋基本上都有美國懸索橋的影子，在風(fēng)格上是一致的，如加拿大1968年修建的跨度為234m 688m 234m=1156m的新魁北克橋。

▲加拿大新魁北克橋

1940年華盛頓建成的主跨853m塔科瑪老橋，被風(fēng)速僅19m/s的風(fēng)將下承式鋼板梁的加勁梁吹斷，震驚世界。直到20世紀(jì)50年代，美國克服了懸索橋的抗風(fēng)問題，再度致力于修建大跨度懸索橋，并加固了一些抗風(fēng)能力差的舊橋。

美國懸索橋最主要的特點(diǎn)如下：

（1）索塔采用鉚接或栓接的鋼塔；

（2）主纜都采用空中紡線法制造架設(shè)；

（3）加勁梁是非連續(xù)的鋼桁架，適應(yīng)雙層橋面，并在索塔處設(shè)有伸縮縫；

2、歐洲懸索橋

1966年，英國在蘇格蘭和布里斯托爾建成跨度305m 988m 3305m=1598m的塞文橋。該橋的建成是懸索橋發(fā)展中向前的一個(gè)突破，也是英國式懸索橋的開始。

▲英國塞文橋

塞文橋采用扁平柔細(xì)、界面具有良好抗風(fēng)性能的全焊流線型鋼箱梁來代替美國式懸索橋的高、大桁式加勁梁。扁平流線型箱梁的構(gòu)思無疑是一種進(jìn)步，至今已被廣泛采用。

受英國塞文橋的影響，1970年丹麥建成了第二座采用流線型扁平鋼箱梁的小貝爾特橋，

▲丹麥小貝爾特橋

1981年，英國又建成了當(dāng)時(shí)第一跨度的亨伯爾橋，此橋也是采用流線型扁平鋼箱梁和斜吊索，索塔也是采用混凝土。

▲英國亨伯爾橋

1991年開工，1998年開通的丹麥大貝爾特東橋，主橋跨度為535m 1624m 535m=2694m的懸索橋，其加勁梁為31m、高4m，隔板為桁架的鋼箱梁。該橋的最大特點(diǎn)是錨碇采用三角形空腹構(gòu)架式的重力錨，由于通透而顯得輕巧，具有良好的景觀效果。

▲丹麥大貝爾特橋

歐洲懸索橋的主要特點(diǎn)是：

（1）索塔采用焊接鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）有采用主纜與加勁梁在主跨跨中固結(jié)的形式

（3）加勁梁采用連續(xù)的流線型扁平鋼箱梁；

3、日本懸索橋

日本懸索橋的發(fā)展主要是通過本州四國聯(lián)絡(luò)線的修建開始的，本四聯(lián)絡(luò)三線中有22座大橋，其中最著名的當(dāng)屬1998年建成的一座超世界跨度記錄的特大跨懸索橋，受到世界矚目的明石海峽大橋，其跨度為960m 1991m 960m=3911m。

▲日本明石海峽橋

日本在修建上述懸索橋的時(shí)候，受美國模式的影響較多，在本四聯(lián)絡(luò)線中的懸索橋之所以采用桁式加勁梁，主要考慮其有公路、鐵路兩用橋，采用桁梁易于實(shí)現(xiàn)公路、鐵路分層通過。

由于工業(yè)的發(fā)達(dá)和技術(shù)的發(fā)展，日本懸索橋也有自己的特點(diǎn)：

（1）索塔采用鋼結(jié)構(gòu)，主要采用節(jié)段焊接，高強(qiáng)螺栓拼裝節(jié)段；

（2）主纜的制造和架設(shè)基本上用預(yù)制索股法代替了空中紡線法；

（3）采用連續(xù)桁梁，在塔墩處沒有伸縮縫；

（4）采用正交異性板代替預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板；

國內(nèi)懸索橋發(fā)展

在“懸索橋的前世”一節(jié)中，我們可以看出中國在古代索橋技術(shù)方面有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但由于歷史種種原因，在近代懸索橋的發(fā)展史上，幾乎看不到中國的影子。隨著新中國的成立，國內(nèi)懸索橋的發(fā)展開始追隨世界腳步。

20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)懸索橋的發(fā)展進(jìn)入了新的階段，下面將簡要介紹國內(nèi)幾座具有代表性的懸索橋。1995年建成的汕頭海灣大橋是國內(nèi)第一座大跨徑現(xiàn)代懸索橋，跨度為154m 452m 154m=760m，由于巖盤良好，采用預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁。

▲汕頭海灣大橋

1997年建成主跨1377m的香港青馬大橋，建成時(shí)是世界上最大跨徑的公鐵兩用懸索橋，加勁梁為鋼桁架梁結(jié)構(gòu)并用不銹鋼板外包了風(fēng)嘴，設(shè)有中央通風(fēng)孔，有效提高了橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性。

▲香港青馬大橋

1999年建成主跨1385m的江陰長江公路大橋，這是我國又一座超千米跨徑的特大橋； 1999年底又建成了國內(nèi)首座三跨連續(xù)漂浮式鋼箱梁懸索橋——廈門海滄大橋。

▲江陰長江公路大橋

2005年建成了主跨為1490m的潤揚(yáng)長江公路大橋，在跨中設(shè)置了剛性中央扣連接主纜和加勁梁。

▲潤揚(yáng)長江公路大橋

2009年底建成通車的舟山西堠門大橋是我國目前已通車的跨度最大的懸索橋，主跨為1650m，地處強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)，加勁梁為分體式鋼箱梁，全寬36m，中間開槽6m，能滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。（在建的楊泗港大橋?yàn)橹骺?700m、雙層鋼桁梁懸索橋）

▲舟山西堠門大橋

2012年建成通車的泰州長江公路大橋是世界上首座千米級(jí)三塔兩跨懸索橋，跨度為（1080m 1080m），其中關(guān)鍵技術(shù)是確定合適的中塔剛度，最終通過比選選擇了有一定柔韌度的鋼塔，并將塔形縱橋向設(shè)計(jì)為人字形來提高塔的剛度，剛?cè)峤Y(jié)合，從而達(dá)到中塔的最佳剛度。

▲泰州長江公路大橋

▲泰州長江大橋的“人字形”中塔

▲同濟(jì)大學(xué)做的泰州長江大橋的抗震試驗(yàn)

此外，國內(nèi)不少城市建造了自錨式懸索橋，造型美觀，成為城市的標(biāo)志性建筑物。自錨式懸索橋不需要修建錨碇，可以適用于軟土地基，例如杭州江東大橋。但是自錨式懸索橋存在用鋼量大，施工繁瑣和造價(jià)高等缺點(diǎn)。

▲杭州江東大橋

總結(jié)

從國內(nèi)外懸索橋的發(fā)展過程來看，是人們不斷地與自然界作斗爭、不斷地發(fā)現(xiàn)問題、不斷地改進(jìn)和發(fā)展的過程。

古人為了跨越深澗河谷采用藤、竹等自然材料經(jīng)過簡單的加工，發(fā)明了溜索，為了增加通過安全和通行能力，人們又發(fā)明了多索體系，并增加了橋面板；隨著冶鐵技術(shù)發(fā)展，人們逐漸用鐵鏈代替了藤、竹等自然材料建造了鐵鏈索橋；

隨著基礎(chǔ)科學(xué)和建造技術(shù)的發(fā)展，懸索橋逐漸由單一的索體系發(fā)展到現(xiàn)代懸索橋的錨碇—索塔—主纜—加勁梁體系；塔科瑪老橋的風(fēng)毀事故使建橋人引進(jìn)了飛機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性理念，進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，做了大量的研究工作，十年后重建塔科瑪橋。至此，人們認(rèn)識(shí)到風(fēng)是懸索橋最大的危害者，必須提高懸索橋的抗風(fēng)能力。

▲塔科馬海峽大橋風(fēng)毀事故現(xiàn)場

同樣在不斷探索中，主纜由鐵鏈組成發(fā)展到用優(yōu)質(zhì)鍛鐵，到鋼絲繩、鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，現(xiàn)在已發(fā)展到直徑7mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲。懸索橋作為目前最古老而又跨越能力最大的橋式之一，正在不斷逼近自己的跨徑極限。將要建成的墨西納海峽大橋，為主跨3300m的懸索橋，建成后將超越日本明石海峽大橋成為世界最長的懸索橋。

▲墨西納海峽大橋立面及橫斷面布置

那么懸索橋的極限跨徑是多少呢？據(jù)相關(guān)專家、學(xué)者的研究，從空氣動(dòng)力學(xué)角度來看，懸索橋的極限跨徑可以達(dá)到5000m！若有朝一日實(shí)現(xiàn)，那么必將成為人類文明史上的又一大奇跡！

參考文獻(xiàn)：

（1）《懸索橋》 孟凡超等，人民交通出版社；

（2）《中國橋梁史綱》 項(xiàng)海帆 同濟(jì)大學(xué)出版社；

（3）《懸索橋跨徑的空氣動(dòng)力極限》項(xiàng)海帆 葛耀君 土木工程學(xué)報(bào)；

（4）亞東橋話8：懸索橋的前世今生（上） 西南交大橋梁；

（5）亞東橋話9：懸索橋的前世今生（下） 西南交大橋梁；