什么是自錨式懸索橋？

典型的自錨式懸索橋構成，如圖1所示。一眼看上去，其與傳統的地錨式懸索橋（以下簡稱為懸索橋）相比幾乎一樣，不同的是，自錨式懸索橋的主纜是錨固于主梁（或加勁梁）的兩端，而不像懸索橋那樣固定于錨碇。

圖1  典型的自錨式懸索橋的構成

因主纜錨固于梁端，這就使得自錨式懸索橋的主梁不僅承受豎向荷載，還得承受水平荷載（圖1中箭頭所示），于是，梁的穩定性就成為這一橋式在設計中需要考慮的主要問題。也正因為如此，這一橋式的纜、梁受力互為關聯，設計時需要在主梁穩定性與主纜索力之間尋求平衡。

一般而言，可以把自錨式懸索橋視為懸索橋的一個特例。與懸索橋相比，自錨式懸索橋在外觀上相差無幾，在構造上主纜較柔細而主梁則較剛勁，在受力上則表現為纜-梁組合結構的特點。

順便也討論一下自錨式懸索橋中的“梁”的稱謂。在懸索橋中，加勁梁不是主要承重構件，而在自錨式懸索橋中，梁卻是主要承重構件之一。因此，稱自錨式懸索橋中的梁為“主梁”而非“加勁梁”，更為合適。

自錨式懸索橋的發展

自錨式懸索橋的構想，由來已久。1859年，奧地利工程師約瑟夫·朗格爾（Josef Langer）首次提出了一種用纜加勁的桁梁方案（圖2a），并把這一方案應用于Wrsowicer鐵路橋（1870年建成，位于維也納弗朗茨·約瑟夫車站附近，早已不存）。朗格爾擅長將不同的結構組合起來。1858年，他曾提出在等高鋼板梁鐵路橋上增設柔性拱，用來加勁鋼梁，這就是后來的“剛性系桿柔性拱”。對Wrsowicer橋，他采用較柔的主纜（并未全橋貫通）和吊索來加勁鋼桁梁，并將桁梁兩端豎向錨固于墩臺。

圖2  自錨式懸索橋的起源

1867年，美國工程師查爾斯·本德（Charles Bender）獨自獲得了自錨式懸索橋的專利。圖2b所示為原始專利中的插圖。盡管這一專利并未投入實用，但從圖2b中還是可看出，本德的思路與朗格爾類同，即采用較柔的主纜來加勁較剛勁的主梁。

今天，橋梁工程界把朗格爾和本德視為自錨式懸索橋的創始者。

圖3所示，為筆者根據所能搜集到的國內外自錨式懸索橋資料，繪制的橋梁建成年份與跨度的關系圖。據此，可把自錨式懸索橋的發展分成以下三個階段。

圖3  中外自錨式懸索橋建設概況

階段I：19世紀末——20世紀50年代

這一階段建造的橋梁，主要分布在德、美、奧地利、比利時、法、英等國，總數約26座。

第一座真正意義上的自錨式懸索橋，是德國的Mühlenthor橋。該橋采用鋼桁梁和鋼眼桿主纜（全橋貫通），主跨42m，建成于1899年，見圖4。

圖4  德國Mühlenthor橋現狀

20世紀20-40年代，是這一時期的建設高潮。1915年，德國建成科隆道依澤爾（Deutzer）自錨式懸索橋，主跨185m。1926-28年，美國在匹茲堡建造的“三姐妹”橋，均采用熟鐵鏈桿作為主纜（圖5），均采用懸臂法施工（圖6），是美國最早建造的一批自錨式懸索橋。

圖5  美國三姐妹橋之一的安迪沃霍爾（Andy Warhol）橋

圖6  懸臂法架設安迪沃霍爾橋

歐洲（主要是德國）在這一時期建造了一些大跨度自錨式懸索橋，但幾乎都遭到戰爭毀壞，例如，德國的科隆-米爾海姆萊茵河橋（1927年建成，主跨315m），貝爾格萊德的亞歷山大國王橋（1934年建成，主跨261m）等。戰后重建時，似乎只有一座橋仍采用了原橋式，這就是德國的Krefeld-Uerdinger橋。這橋原名魯道夫希特勒橋，主跨250m，跨越萊茵河，1936年采用懸臂法建成，1945年被德軍自行炸毀，1950年再次開通，見圖7。

圖7  德國Krefeld-Uerdinger橋現狀

重建中替代舊橋的橋式，均為梁橋。例如，德國的道依澤爾（Deutzer）自錨式懸索橋，在二戰中受損，在1945年的修復過程中垮塌，1948年改建成世界上第一座鋼箱梁橋，其用鋼量僅為老橋的61%。1937 建成的奧地利維也納帝國橋，主跨 241m，在1976年8月1日毫無征兆地垮掉了（事后分析主要是因為支座失效）。1980年開通的新橋，主跨169m，采用雙層橋面預應力混凝土箱梁結構。

這一時期建造的自錨式懸索橋，主纜多為鋼制鏈桿，主梁為桁梁、板梁和箱梁鋼結構。但在法國和比利時，也開始嘗試中小跨度的混凝土自錨式懸索橋。1932年，法國率先建成格羅雷亞克橋（圖8，主跨70m），1950建造了一座跨度58m的鐵路跨線橋。在比利時，從1955-1964年間，前后建造了三座混凝土自錨式懸索橋，最大跨度100m。

圖8  法國格羅雷亞克橋

在亞洲國家中，只有日本在1928年建成了一座跨度91.4m的青洲橋。

從圖3可見，因損毀、改建或關閉廢棄的自錨式懸索橋，共有8座，約占總數的1/3。另外，戰后重建的橋梁，也大多改為梁橋。可見，自錨式懸索橋這一橋式并未得到眾多橋梁工程師的持續關注，似乎更未受到青睞。

階段II：20世紀60年代——20世紀80年代

這一時期基本上是自錨式懸索橋發展的空窗期。除了1964年比利時建造的一座混凝土橋（主跨100m）和1977年德國建造的一座人行橋（獨塔，空間雙主纜，主跨51m）外，別無其他。因為，更為壯觀的斜拉橋的興起，更為經濟的大跨梁橋的發展，連帶更為先進的懸臂施工方法的普及，使得自錨式懸索橋失去了吸引力和競爭力，于是大家對這一橋式慢慢就淡忘了。

階段III：20世紀90年代至今

隨著世界經濟發展以及橋梁審美熱情的提高，自錨式懸索橋又重新獲得了橋梁工程師們的關注。1990年，日本建成此花大橋（圖9）。這橋主跨300m，單纜，斜吊索，扁平鋼箱梁。到2000年，韓國建成永宗大橋。這橋為公鐵兩用，雙層橋面（上層6車道，下層4車道和雙線鐵路），主跨300m；布置空間雙主纜，以及扁平鋼箱與桁架組合截面（圖10）。

圖9  日本此花大橋

圖10  韓國永宗大橋

日韓這兩座橋的建成，再次引起業界（尤其是中國）對自錨式懸索橋的關注。但很容易觀察到，盡管日韓是再啟自錨式懸索橋建設的先鋒，卻并沒有出現一窩蜂現象。近30年來，只有韓國在2008年建成一座連接小鹿島的自錨式懸索橋（主跨250m，單纜直吊索，鋼箱梁）。

在歐美，這一時期新建成的公路自錨式懸索橋只有3座，美、德、西班牙各一座。2013年建成的美國舊金山奧克蘭海灣新橋，其主橋是當時世界上跨度最大的獨塔自錨式懸索橋（圖11）。這橋主跨385m，邊跨180m，突出特點是：美觀的建筑造型，可抵抗強震的橋塔，只在主橋一端錨固的空間主纜，分離式鋼箱梁等。

圖11  美國舊金山奧克蘭海灣新橋

歐美國家對采用這一橋式建造跨度不大的人行（及自行車）橋，似乎更感興趣。這些人行橋的設計大膽新穎，充分利用橋塔、纜索、主梁的變化組合，賦予自錨式懸索橋更多的美學元素和人文色彩。例如，圖12所示的北愛爾蘭的和平橋，2011 年建成，主跨96.3m，通過反向傾斜的橋塔、反S狀鋼箱梁與單根空間纜的結合，創造出平衡穩定且造型別致的橋梁作品。

圖12  北愛爾蘭和平橋

最后看看中國的情況。中國的自錨式懸索橋建設，始于20世紀末。1999年，浙江諸暨市建成浣江橋（人行橋，獨塔雙索面，主跨70.6m，鋼管桁梁）。接下來，出現了爭先恐后競相建設自錨式懸索橋的局面。據筆者不完全統計，至今所建的橋梁總數已近70座。用“井噴”來形容這一現象，似乎也不為過。

在跨度發展方面，先是從小跨度起步，但很快就突進到大跨度領域。2006建成的長沙湘江三汊磯大橋（鋼主梁），主跨328m。同年建成的佛山平勝大橋（獨塔，四根主纜，結合梁），主跨達350m。2013年建成的鄭州桃花峪黃河公路大橋，把主跨提升到了406m，見圖13。在建的重慶鵝公巖軌道交通環線專用橋，主跨達到空前的600m。

圖13  鄭州桃花峪黃河公路大橋

與地錨式懸索橋相比，自錨式懸索橋為橋梁建筑造型（尤其是橋塔）提供了更大的空間。有一部分橋梁較好地協調了建筑造型與橋位處自然和人文環境關系，獲得了滿意的美學效果。廣州獵德大橋（圖14）可看作是其中的一個代表。

圖14  廣州獵德大橋

在結構構造方面，自錨式懸索橋顯得更加靈活。結合主梁材料、跨徑劃分、主纜布置、橋塔造型等，可構造出多樣的外觀形式。例如，在立面布置上，除了傳統的雙塔三跨外，還可采用獨塔雙跨或多跨，以及三塔多跨的形式。獨塔的應用已十分普遍，如南京江心洲夾江大橋（主跨248m，混合梁，2008年），福州鼓山大橋（主跨235m，鋼箱梁，2010年），青島海灣大橋大沽河航道橋（主跨260m，分離式鋼箱梁，2011年，見壓題照片）等。三塔也開始得到應用，如銀川濱河黃河大橋（主跨218m，結合梁，2016年，圖15），山西臨汾洰河橋（主跨168m，結合梁，在建）等。

圖15  銀川濱河黃河大橋

總體而言，中國建造的自錨式懸索橋，在跨度發展、建筑造型、結構構造等方面，都做出了有益的嘗試和突破。

自錨式懸索橋的特點

自錨式懸索橋為多次超靜定的纜-梁組合體系，在外荷載作用下，主纜和主梁共同受力、相互影響。主纜和主梁設計參數的變化，會對整個結構體系受力產生明顯影響。

不論對地錨式還是自錨式懸索橋，最主要的設計參數之一，是垂跨比或矢跨比（f/L）。采用小的垂跨比，有利于增加結構剛度，降低橋塔高度，但會增大主纜索力；反之亦然。工程設計中，需要通過多方案比較，從中選出合適的垂跨比。

大跨懸索橋的主纜垂跨比，常取1/10，大部分橋梁的取值在1/11～1/9之間。自錨式懸索橋（只計入1990年后建造的部分橋梁，沒有計入獨塔橋）的主跨/垂度比值資料，見圖16。從圖中可見，不論主梁材料和構造如何，主跨的垂跨比均位于1/8～1/4之間，大部分位于1/7～1/5之間。

圖16  自錨式懸索橋的垂跨比數據

1990年之前建造的部分橋梁（計15座）的垂跨比數據是：2座位于1/8（含）～1/6之間，12座位于1/10～1/8之間，1座約為1/11。可見，現代自錨式懸索橋的垂跨比取值，與傳統者相比，有一定增加。

另一個重要的設計參數，是高跨比。自錨式懸索橋的主梁，構造上包括鋼梁、混凝土梁、結合梁和混合梁（其在主跨通常為鋼梁或結合梁）。圖17所示為自錨式懸索橋（只計入1990年后建造的部分橋梁）主跨長與梁高的比值。可見：第一，大部分比值位于100以下，個別在120上下；第二，鋼梁（含結合梁）的比值較大，而混凝土梁的比值較小。

圖17  自錨式懸索橋的高跨比數據

1990年之前建造的部分橋梁（計14座）的比值數據是：最大82，最小21，其余的介于兩者之間。可見，早期修建的自錨式懸索橋，主梁相對更為剛勁。

與現代懸索橋的高跨比數據相比，可看出自錨式懸索橋的主梁更為剛勁。例如，虎門大橋（鋼箱）的高跨比為295，汕頭海灣大橋（混凝土箱梁）205，舟山西堠門大橋（分離式鋼箱）471，武漢鸚鵡洲長江大橋（結合梁）283，武漢楊泗港長江大橋（鋼桁梁，雙層橋面）170，在建的土耳其恰納卡萊1915大橋（分離式鋼箱）578。

其他設計參數，如邊中跨比、寬跨比等，就不一一討論了。

簡而言之，自錨式懸索橋的設計，宜采用較為剛勁的主梁，以確保壓彎扭共同作用下的結構靜動力穩定；采用較柔的主纜（選擇較大的垂跨比），以減小主纜拉力以及傳遞給主梁的水平壓力，同時減小主纜截面及錨固構造的尺寸。

再來看看施工。自錨式懸索橋的施工順序通常為“先梁后纜”，即先架設主梁，再安裝主纜等。架設主梁的方法，一類是支架法（含與其他方法的綜合運用），一類是懸臂法。

在無水或淺水之處，或對中小跨度的混凝土現澆主梁，多采用滿堂支架法，但其不宜用于橋面過高的大跨橋梁或較深水域。為適應高橋面、深水、通航等情況，可設置臨時支墩，采用頂推（如桃花峪黃河大橋，平勝大橋，古田大橋等）、大件浮吊（如此花大橋，永宗大橋，大沽河航道橋等）等方法架梁。

懸臂法曾用于建造自錨式鏈桿懸索橋。例如，美國的安迪沃霍爾橋（圖6），主梁采用下承式板梁，施工時將梁、鏈桿、吊索、臨時構件組成桁架，單懸臂法拼裝。德國Krefeld-Uerdinger橋（圖7），因鋼桁主梁剛勁，直接采用懸臂法，連同鏈桿和吊索一起拼裝（配置了斜向拉索）。

這樣的懸臂法，自然不適于采用平行鋼絲索股制纜的自錨式懸索橋。那參照斜拉橋施工，采用臨時斜拉索拼裝主梁是否可行？答案是肯定的。第一座如此架設的自錨式懸索橋，是德國杜伊斯堡的Friedrich-Ebert橋（主跨285.5m，鋼板梁，1954年，圖18）。另一座橋就是重慶鵝公巖軌道交通環線專用橋（主跨600m，鋼箱梁，在建，圖19）。不過，筆者以為，這種先建“斜拉橋”，再轉換成自錨式懸索橋的做法，不僅難以闡明選擇自錨式懸索橋的合理性，而且建造費用不菲，只宜在極特殊情況下采用。

圖18  德國Friedrich-Ebert橋主梁單懸臂拼裝

圖19  重慶鵝公巖軌道交通環線專用橋（左）主梁單懸臂拼裝（史文哲攝）

也有按“先纜后梁”的工序建造自錨式懸索橋的嘗試或研究。2003年在蘇州建造的一座主跨90m的橋，借助兩岸的臨時錨碇，實現了主梁的無支架施工。有文獻建議，在自錨式懸索橋的邊墩附近，臨時增加輔助墩，共同起到臨時錨碇的作用。從概念上講，設置臨時錨碇，與“自錨”相悖。若跨度小，可選擇其他架梁方式滿足條件不高的通航要求；若跨度大且有條件設錨，則不如直接做成懸索橋。

自錨式懸索橋的長處和不足，大體如下。

長處：（1）無需修建錨碇；（2）對橋面較高的情況，可省略從橋面到地面錨碇的主纜；需要強調的是，這兩條優點，僅僅是針對同級別跨度的懸索橋而言的；（3）在中小跨度范圍內也可展現出主纜的曲線美特征，不高的橋塔也適于景觀造型；（4）結構布置形式靈活多樣。

不足：（1）需在臨時支架或支墩上施工主梁，體系轉換過程較繁瑣，建造費時費力費財；（2）梁端錨固體的構造和應力分布復雜，可靠性要求高；（3）主梁受力不盡合理，難以或不宜向更大跨度發展。

討論與建議

依筆者之見，無論中外，無論過去還是現在，建造自錨式懸索橋，既不是出于經濟因素（不是為了更節省），也不是出于技術考慮（不是為了更先進合理），而是出于心理需求（為了新奇美觀）。

從圖3可以看出，近20年來，國外對建造自錨式懸索橋的熱情，遠遠沒有我國的高。我們為何更熱衷于建造自錨式懸索橋？可能的答案是：為了美觀，或為了滿足“一橋一景”之類的城市景觀需求，或為了填補本地區本城市的橋型空白，或為了爭取某項“第一”。

我國自錨式懸索橋的建設發展，勢頭未減。對此，提出幾點個人淺見。

1、需要算清楚“美的代價”

目前我國經濟實力較為強大，多花一些錢，做一些看起來新奇一點的自錨式懸索橋，或者把橋梁造型做得更美觀一些，無可厚非。只是，需要協調好經濟與美觀的矛盾，需要掂量掂量“美的代價”。

忽略或弱化技術和經濟因素，一味地追求橋梁美，就可能在投資上讓社會消受不起。舉一個例子。據筆者了解的信息，美國的舊金山奧克蘭海灣新橋（圖11），1997年估算的造價是13億（美元，下同），其中自錨式懸索橋的造價約占60%，即7.8億。到2001年重新估算時，全橋造價26億，其中懸索橋部分為14億，占比約54%。到2005年再次估價時，全橋為51億。完工后的全橋最終造價，則達到64億。最終造價中，用于自錨式懸索橋的具體數字不詳；但若按占比55%估算，則是35.2億（有資料顯示，其中支架花費2.5億）。按舊金山紀事報特約記者Jaxon Van Derbeken的說法，選擇自錨式懸索橋方案（沒有選擇更為合理的斜拉橋方案）帶來的工程挑戰，以及因政治上的扯皮爭吵、材料供應和構件制造等原因導致的工期延宕，導致了過度的成本超支。

2、不宜追求大跨度

有三點理由：第一，大跨懸索橋的加勁梁，因不是主要承重構件，盡管材料用量不少，但其截面并不需要隨著主跨的增加而做出多大改變。自錨式懸索橋的主梁設計，卻與跨度的關系更為密切。類似于其他橋式，自錨式懸索橋也應該有一個相對合理的跨度區間。第二，跨度越大，主梁穩定性問題越突出，解決問題的代價會越大。第三，更大跨的自錨式懸索橋，必定用于跨越大江大河，若采用支架法施工，不僅難度大費用高，甚至難以實現。

把跨度做大一些，技術上沒有明顯障礙，但要衡量一下經濟上合不合算，在更大跨度領域內是否具備競爭力。為了做大而做大的想法，應斷然擯棄。

3、橋塔的造型，宜以現代風格為主

從已建成的橋梁看，自錨式懸索橋的橋塔均是造型重點。大部分橋塔造型效果良好，有一些卻值得探討。一類是構形和線條較為復雜、呈尖頂狀的“古典風格”，其不免讓人聯想到歐洲近代建筑。一類是具象較直白的“地方風格”，其通常是將代表地方特色的建筑移植到塔上。

每座橋塔的造型，應該都有其歷史或文化背景支撐，難分優劣。即便如此，筆者還是建議，自錨式懸索橋的橋塔造型，宜以“現代風格”為主。筆者理解的“現代風格”，是基于結構需求布置構件，基于當代美學原則優化構形，基于意象手法表現橋塔造型與地域文化的聯系（若需要），整體上表現出當代橋梁的簡約風格。