見識過這麼多大橋，凹下去的橋你見過嗎？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　生在一個「基建狂魔」的國家，人們對雄偉的大橋都已經見怪不怪了。在現代橋樑技術的支撐下，人們可以修建幾十公里的跨海大橋，可以修建單跨上千米的懸索橋，也可以修建能跑高鐵的重型斜拉橋，光是跨越長江的大橋就有68座。然而，看過了這麼多大橋的你，可曾見過凹下去的大橋？

　　這樣的橋還真有，它就是被稱為世界第一怪橋的洞口淘金橋。

這種奇怪的橋型被稱作自錨上承式懸帶橋，它在世上極其稀有，叫得上名來的除了哥斯大黎加的里奧-科羅拉多橋外，只有這座洞口淘金橋了。

　　洞口淘金橋位於湖南省洞口縣的淘金村，橫跨漬水上游古樓河的木魚塘峽谷，全長只有74米，橋面寬4.5米。

　　相比起動輒數千米的懸索橋而言，洞口淘金橋算是個不折不扣的小傢伙了。但論起設計和建設難度，這座小橋還真不遜色於任何一座大橋，甚至與那些比它大幾十倍的大傢伙一起居於世界名橋之列。這是為什麼呢？

（一）看起來反常識的橋，實則受力非常科學

　　洞口淘金橋看上去非常古怪。

　　按照常理，橋應該是「兩頭粗，中間細」，這樣才是一個穩定的支撐結構，而像洞口淘金橋這樣的「大肚子」結構，總讓人覺得有些不靠譜。但實際上，這種上承式懸帶橋的傳力模式，和目前最為流行的懸索橋是一樣的。

（懸索橋與上承式懸帶橋）

　　事實上，它們都是靠著一條粗壯的懸帶受力，橋兩端的橋墩就像是兩個農夫挑著一根柔軟的扁擔，橋體的荷載沿著這條懸帶傳給橋墩，再傳到地面上。

　　唯一不同的是，懸索橋的橋面是掛在這根「扁擔」下方的，而上承式懸帶橋的橋面則通過立柱撐在「扁擔」的上方。

　　洞口淘金橋由混凝土吊板包裹的懸帶中，埋藏著48根只有5毫米粗，但是強度極高的預應力鋼索。通過預加拉應力的手法，主索懸帶的承載力可以被最大限度的利用，鋼材的抗拉能力得到了充分的發揮。

　　而橋面梁板結構既被用於通車，又作為受壓構件平衡拱的水平力，充分發揮了混凝土的抗壓能力。中間的主柱排架作為次結構，除了在橋板和懸帶之間傳力外，還承擔了橋樑所受的剪應力，它的存在顯著減小了橋樑的跨度，節約了成本。

　　整個結構自身錨固平衡，沒有一個多餘的構件，所有材料也沒有一點浪費。

　　（預應力鋼索）

　　事實上，無論是上凸的拱橋，還是下凹的懸帶橋或者懸索橋，從力學上講，它們的受力是一致對稱的，都是上緣受壓力，下緣受拉力。

　　大橋越靠近中間的位置，彎矩越大，這就是扁擔為什麼總是在中間折斷的原因。因此，將扁擔的中間增厚是非常科學的，體現在橋樑上，就是這個中間的「大肚子」。莫說凸橋凹橋，有的橋甚至是既凸又凹的呢！

　　（上凸下凹的魚腹橋）

　　大橋的設計者吳琦瑛可以稱得上是一個建築天才。

　　（吳琦瑛）

　　解放前出生的他全靠刻苦自學，為國家設計建造了23座橋樑，確保安全與美觀的同時，共節約鋼材78%，節約投資60%，震驚了國內外的橋樑界同行。包括洞口淘金橋在內，他設計的多座橋樑都由於新穎的設計被載入了史冊。

　　但他設計這座怪橋，可不僅僅是為了標新立異，吸人眼球。它的設計可是嚴格的計算下的最優結果。

（二）連橋墩都省了，安全如何保證？

　　洞口淘金橋建於1989年。那時，中國的經濟條件還很差，建築行業從業人員的素質也良莠不齊。在設計建造橋樑時，必須考慮到這些因素。

　　木魚塘峽谷的兩側岩壁比較陡峭，如果按照傳統的拱橋方案進行設計，勢必需要在谷底建設兩座幾十米高的拱足橋墩，成本算下來，建設橋墩的價錢比橋面還要高。

　　橋墩的施工還要單獨設立腳手架，不僅費時費力，而且複雜的施工流程對於當時技術水平普遍偏低的工程人員來說也是一個很大的考驗。此外，拱橋會產生水平方向上的推力。這要求兩邊的岩體必須足夠結實，並且要打足夠牢固的地基，才能支撐得起整個拱橋的重量。

　　而上承式懸帶橋由於是倒拱，傳遞給橋兩端地基的只有豎向壓力，水平拉力則被橋面自身作為壓桿來平衡，這樣就節省了橋墩。

　　既然不用修橋墩，施工流程也就簡便了許多。

　　上承式懸帶橋自下而上施工，懸帶可以直接作為主柱排架和橋面梁板的施工平台，無論峽谷多深，都是依託於梁板進行懸空作業，不需要另外支設腳手架。可以說，採用這種設計，既免除了安全隱患，又降低了建設成本。

　　（上承式懸索橋的一般施工流程。洞口淘金橋由於沒有橋墩，因此比它還要簡捷得多）

　　為了承受水平力，橋台處需要設置與連續T梁、主索懸帶為整體的強大的端錨梁，形成自錨剛性體系。

　　所謂自錨體系，是相對於懸索固定在橋外地基中的外錨體系而言的。一般的懸索橋會將懸索固定在兩岸的土層中，懸索的拉力對於工程師來說是不好的，必須用一塊重達數萬噸的混凝土坨將懸索死死拉住，化解懸索的拉力。

　　而自錨體系則相當於直接將這個力向內收，轉化為了橋面板的壓力，省去了這個巨大的錨碇，極其高效地節省了土工作業和混凝土成本。

　　（外設的錨碇）

　　因此，說洞口淘金橋沒有橋墩也不確切。

　　橋兩端的剛性橋台不僅承擔了全橋重量，而且承擔了懸帶與橋面之間自錨的拉壓應力轉換，功能十分重要。相比起一般的橋墩而言，它只是矮了點，功能上可是絲毫不缺的。

　　（剛性橋台，一種另類的「橋墩」）

　　當然，上承式懸索橋的這種自錨體系也帶來了一個重大難點，那就是橋樑巨大的內力。

　　在這種結構形式下，橋樑所受的原本不大的荷載會轉化為強大的水平拉力，施加在主索懸帶上，進而在橋板中引發很大的水平壓力。

　　不過，吳琦瑛設計的天才之處恰恰體現在這裡。自錨結構巧妙地使用橋面系梁板內儲存的大量軸向壓力來承受局部的彎矩和剪力，可以說是「借力打力」，相當於變相降低了結構的內力，大大減小了結構中用於承擔荷載的鋼材用量。

（三）巧奪天工的設計，施工起來並不簡單

　　這種結構形式的橋樑舉世罕見，基本沒有什麼經驗可供參考。

　　因此，湖南省交通科研所在建橋前就特意製作了1/10的實橋模型進行實驗，對施工、靜載、動載進行了全模擬，為大橋的實現提供了可靠的科學依據。

　　然而，這種橋畢竟十分小眾，在施工中遇到了許多前所未有的問題。

　　完成版的大橋可以實現自錨固，但施工過程中，橋板還未架設，懸帶必須進行臨時的外錨固。橋址兩岸的岩層風化嚴重，構造鬆散，很難禁得住這兩根錨索。

　　（強風化的岩體）

　　經過設計，吳琦瑛採用了隧洞式錨碇。在岸上打了兩個錨洞之後，再在錨洞的底部打一個橫洞將其串起來。這樣，相當於用一塊巨大的山體兜住了橋索，巧妙地解決了橋索臨時的張拉問題。

　　（隧道式錨索的設計）

　　上承式懸帶橋必須以懸帶作為平台進行施工。輕盈的懸帶不比平地，不能在上面使用任何大型安裝機械設備和沉重的支架。因此，橋樑的每個構件和機械都必須輕型化。

　　除了採用輕型的預製構件進行現場拼接安裝外，施工中還採用了許多在如今的大型工程中已經很難見到的小型手動機械，其中最有代表性的就是這兩種：手拉葫蘆與三輪滑車。

　　聽它們土氣的名字就知道，這兩個都是比較簡陋的手動機械，利用物理學上簡單的動滑輪原理，用微弱的人力完成對沉重貨物的移動。

　　經過吳琦瑛巧妙的施工布置，這兩種簡陋機械可以實現小型設備和橋面板、鋼筋等構件的短距離吊運，進而完成整個橋面板的組裝與成型。

　　在這種精妙的「微操」下，大橋的施工沒有使用一件大型機械，卻只用了短短八個月就完成施工。即使是29年後的今天，許多工程師看了洞口淘金橋的案例都拍案叫絕。

結語

　　洞口淘金橋的工程造價只有26萬元，即使摺合到今天也只有不到200萬元.

　　相比起同時代、同環境、同跨度、同工期的日本速日峰橋，它的造價低了85%，簡直就是工程學上的一大奇蹟，真可謂每一分錢都用在了刀刃上。

　　美觀的造型、低廉的造價和精巧的結構，使得洞口淘金橋在業內享有盛譽。

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編輯| 史文慧

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