懸臂樑橋的百年興衰——亞東橋話

採用鋼或混凝土建造的懸臂樑橋，在現代橋樑工程中佔有重要的一席之地。百年前，採用這種橋式的鋼桁架梁橋曾經輝煌一時；在預應力混凝土梁橋向大跨度方向的發展歷程中，懸臂樑橋也起到過重要的作用。今天，由於種種原因，這一橋式已很少修建了。它是如何起源和發展的？若讀者感興趣，可接著往下看。

中國古代的伸臂木樑橋

在古代中國，造橋以木居多，常用者就是將木頭（圓木或方木）架在石墩或木墩上，形成木樑橋。不過，若想用較短的木頭搭建起一座跨度較大的橋，那就得花費一點心思了。為此，中國古代先民在長期的生產實踐中創造出了形式多樣的木橋，其中就包括獨創的伸臂木樑橋。

中國的伸臂木樑橋，似乎最早出現在西北地區。相傳在公元263年，曹魏大將軍鄧艾與其子鄧忠率部從臨洮南下攻蜀，在花石峽口（甘肅隴南宕昌縣官亭鎮）修造了一座伸臂木樑橋。因這橋為鄧艾父子所造，故名鄧鄧橋。在清光緒十一年（1885年），這橋進行過最後一次修葺，後改建為鋼筋混凝土梁橋。圖1所示為今天在原橋位附近的仿製者，橋跨23m。

圖1 仿製的鄧鄧橋（網路照片）

關於伸臂木樑橋的確切文字記載，出現在南朝宋（公元420年~479年）新亭侯段國撰寫的《沙洲記》中，其說「吐谷渾於河上作橋，謂之河厲。長百五十步，兩岸累石作基陛，節節相次，大木縱橫，更相鎮壓，兩邊俱平，相去三丈，並大材，以板橫次之，施勾欄，甚嚴飾。」普遍認同的說法是：這橋修建於南北朝初期，在今青海循化撒拉族自治縣古什群口處跨越黃河。

結合圖1來理解《沙洲記》中對「河厲」的描述，可以看出伸臂木樑橋的構造特點是：按由短到長、由下至上的次序，將木頭沿橋縱向水平擺放（或向上斜置），層層向河心挑出，形成伸臂疊梁；伸臂的岸側端，需採用不同方式固定於岩體或台座；兩伸臂的河側端之間，再搭建長木相連。這樣的構造，除了材料不同之外，與後來帶掛孔的懸臂樑橋相差無幾。

歷史上名氣很大的幾座伸臂木樑橋，都在甘肅，如陰平古道上的文縣陰平橋、蘭州握橋、渭源灞陵橋等。陰平橋位於文縣玉壘鄉冉家村關頭壩，橋一端是素有「隴蜀咽喉」之稱的玉壘關。這橋的始建年代應早於鄧鄧橋，清代重修時仍為單孔伸臂木樑形式。20世紀70年代，隨著碧口水庫的修建，當年的古橋、雄關和棧道遺址統統沒入了水底。1988年，此處建成關頭壩大橋（跨徑180m的雙鏈式鋼桁梁懸索橋）。

圖2 蘭州握橋（張佐周，1934年）

蘭州握橋（圖2），相傳始建於唐代，仿吐谷渾的「河厲」而建，跨度約22.5m。明永樂年間及清代多次重建。該橋在1952年拆除，現蘭州水車博覽園內有仿建者。灞陵橋（圖3）始建於明洪武初年，1919年仿蘭州握橋再建，1934年重建，跨度約29.5m。歷史上不少名人（左宗棠、蔣介石等）曾為此留下墨寶，現為全國重點文物保護單位。握橋和灞陵橋易被誤以為是木拱橋，大概是因為其伸臂為斜置（好似木製的疊澀拱）、且在橋外側設置了拱狀的擋水面板所致。

圖3 渭源灞陵橋（網路照片）

除西北地區以外，在西南藏區，現也保存有不少伸臂木樑橋。圖4所示為四川阿壩、甘孜、涼山和西藏林芝等地的幾座伸臂木樑橋。最為有名的，是在甘孜藏族自治州新龍縣樂安鄉境內橫跨雅礱江的波日橋，見圖5。這橋建於元末明初，1844年重建，1933年之後多次進行維修，是目前保存年代最久、跨度最大（主跨35.6m）的伸臂木樑橋。波日橋的建造沒用一鐵一釘，造型粗獷古樸、地域特色濃郁，是全國重點文物保護單位。

圖4 藏區的伸臂木樑橋（網路照片）

圖5 新龍縣波日橋（網路照片）

隨著建橋技術的發展擴散，伸臂木樑橋也從山區峽谷走向平原河流，從單向伸臂發展為雙向伸臂。湖南醴陵的淥江橋，曾經就是一個典型的多孔伸臂木樑橋。淥江橋始建於南乾道年間（1165～1173年），初為木墩木樑，後改石墩木樑橋，屢毀屢建。從清末留下的照片（圖6）可見，當時是一座多跨的伸臂木樑橋。到1925年，民間集資改建成一座9墩10孔的石拱橋，長177m，最大跨徑16m，康有為題寫橋名，為全國重點文物保護單位。

圖6 醴陵淥江橋（恩斯特·柏石曼，1906-09年）

需要提及，在南亞的不丹、尼泊爾、巴基斯坦和印度北部的部分地區，也存在有一些伸臂木樑橋。圖7所示為不丹普納卡堡（Punakha Dzong，建於17世紀）的伸臂木樑廊橋。這些國家或地區的伸臂木樑橋發展，應該與西藏者存在著密切關聯。另外，結合年代和地域看，西南藏區的伸臂木樑橋建造技術，則有可能來自於西北地區。

圖7 不丹普納卡堡橋（網路照片）

H.格柏的貢獻及鋼桁懸臂樑橋

1866年，德國工程師海因里希·格柏（Heinrich Gerber）獲得一項與鉸接梁相關的專利。1867年，採用這一專利，格柏主持設計了世界上第一座桁架懸臂樑橋，見圖8。這橋是一座熟鐵製成的下承式公路桁架橋，分跨29.9-37.9-29.9m，掛孔長23.1m，在德國哈斯富爾特跨越美茵河（Mainbrücke Ha?furt）。

圖8 哈斯富爾特美茵河橋（網路照片）

很快，這種橋式（稱為Gerber Beam）就獲得橋樑工程界青睞並在鐵路橋樑建設中推廣開來。1877年美國建成的肯塔基高橋（High Bridge，美國第一座懸臂樑橋，3×114.3m，1911年改建），1883年建成的尼亞加拉懸臂橋（Niagara Cantilever，主跨151m，1925年棄用）和1889年建成的波基普西橋（Poughkeepsie，主跨5×160m，1974年因火災停用，2009年改為人行橋）等，均是早期熟鐵或鋼桁架懸臂樑橋的例子。

1882～1890年，英國採用該橋式，建成了規模空前的福斯灣鐵路橋，見圖9。該橋為鉚接鋼橋，主橋總長1620m，主跨達521.3m，主跨內懸臂長207.3m，掛孔106.7m，支承處的桁架高度達110m。這橋結構高大，桿件粗壯，剛度和承載能力足夠，但外觀稍遜。

圖9 英國福思灣鐵路橋（網路照片）

接下來的百年內，加拿大、美國和日本等國家建造了一批大跨度鋼桁懸臂樑橋，包括：加拿大Quebec橋（主跨549m，1919年建成，架設中曾發生過兩次慘烈事故，為鋼樑橋跨度記錄保持者），日本Minato橋（主跨510m，1973年，1991年開通下層橋面），美國Commodore Barry橋（主跨501.1m，1974年）和Greater New Orleans橋（主跨480.4m，1958年；1988年在附近再建一座，跨度486.2m），印度的Howrah橋（主跨457.5m，1943年），美國Gramercy橋（主跨445m，1995年）和Pulaski橋（主跨381.2m，1932年）等。

圖10 濟南濼口黃河鐵路橋（網路照片）

中國建造的鋼桁懸臂樑橋極少，濟南濼口黃河鐵路橋是一個特例，見圖10。這橋位於原津浦鐵路（現京滬鐵路的一部分）上，在濟南市區北部跨越黃河。大橋由德國人負責設計施工，1912年建成。橋長1236m，共12孔，其中第9～11孔採用三跨一聯的鋼桁懸臂樑結構，分跨128.1+164.7+128.1m，中跨掛孔109.8m，是當時中國跨度最大的鋼橋。這橋命運多舛，先後經歷過北伐、抗日和解放戰爭的戰火洗禮，四毀四修。1991年全橋封閉，2000年經修復加固後又恢復通車使用至今，現為全國重點文物保護單位。

預應力混凝土懸臂樑橋

從20世紀50年代起，隨著預應力和懸臂施工技術的進步，大跨度預應力混凝土懸臂樑橋開始得到發展。這類橋大多為T形剛構橋，「T形」是指施工時梁從各墩頂對稱懸臂伸出，形同英文字母T；「剛構」則指墩梁固結，以增加施工階段抗傾覆的穩定性。各T構之間，可設置剪力鉸或掛孔。當然，帶鉸或掛孔的多跨梁橋，也屬於此類。

T構橋的第一種構造形式，是讓相鄰兩T構在跨中合龍處（邊跨則在T構端部）設置剪力鉸，這樣主梁的彎矩值同號而便於配筋，但混凝土徐變及溫度變化會在鉸處產生附加剪力；另外，活載會導致鉸處產生轉角，對行車不利。1953年建成的德國沃爾姆斯的尼伯龍根橋（Niebelungen，分跨101+114.2+101m），1965年建成的荷蘭澤蘭大橋 （Zeeland，橋長5022m，含50孔95m長的梁跨，見圖11），其在每跨中央都設有鉸。

圖11 荷蘭澤蘭大橋（網路照片）

對邊跨較短、中跨較長的橋，可只在中跨中央設鉸，而在其餘各跨不設鉸，形成整體剛度較大的單鉸連續T構橋。典型的橋例有：1965年德國建成的本多夫橋（Bendorf，分跨43.0+44.4+70.5+208.0+70.5+44.4+43.0m）、1976年日本建成的濱名大橋（Hamana，主橋分跨55+140+240+140+55m）等。中國成昆鐵路上的舊庄河1號橋（1966年，分跨24+48+24m，懸臂拼裝施工）和孫水河5號橋（1970年，分跨32.3+64.6+32.3m，懸臂澆築施工），儘管沒有採用T構形式，但均是在主跨中央設鉸的預應力混凝土懸臂樑橋，見圖12。

圖12 成昆鐵路上的舊庄河1號橋（左）和孫水河5號橋（網路照片）

對於多跨長橋，可將若干跨按一聯連續布置，再將各聯之間的伸縮縫，設置在某一跨內的反彎點附近，以鉸相連，這樣可使梁的活載撓度及轉折角小於在跨中設鉸者。1966年建成的法國奧萊龍（Oléron）橋，由46跨預應力混凝土梁組成，對其中的26×79m部分，讓每4孔為一聯，在反彎點處設鉸，見圖13。

圖13 法國奧萊龍橋（網路照片）

T構橋的第二種構造形式，就是在跨中布置掛孔（或掛梁）來代替鉸。這類T構橋可避免鉸的複雜構造和受力問題，但徐變作用下主梁懸臂端下撓和橋面不平順依然存在。澳大利亞布里斯班庫克船長（Captain Cook）橋，1972年建成，分跨73.2＋109.2＋146.3＋182.9＋42.7m，其第2、4跨內各設有25m的掛孔。中國較早修建的大跨預應力混凝土梁橋，多採用這種形式，如柳州柳江大橋（1968年建成，主跨124m，掛孔25m，見圖14）、福建烏龍江大橋（1971年，主跨144m，掛孔33m）、重慶長江公路橋（1980年，主跨174m，掛孔35m）、瀘州長江大橋（現名瀘州長江四橋，1982年，主跨170m，掛孔40m）等。

圖14 柳州柳江大橋（李亞東，2008）

也曾建造過帶掛孔的預應力混凝土懸臂桁架梁橋（注意，不是桁架拱橋）。俄羅斯的薩拉托夫橋（Saratov，1965年，主橋分跨106+3×166+106m，掛孔46m，見圖15）、澳大利亞的里普橋（Rip，1974年，73.6+182.9+73.6m，掛孔37m）和中國湖北的黃陵磯橋（1979年，主橋分跨53+90+53m，掛孔16m），是少有的幾個橋例。

圖15 俄羅斯薩拉托夫橋（網路照片）

懸臂樑橋的未來

不論是鋼桁懸臂樑橋還是預應力混凝土懸臂樑橋，其在橋樑工程的發展歷程中均佔據著重要的歷史地位。但是，因鉸或掛孔會導致結構變形較大且橋面不平順，也因橋樑計算分析能力的提升，自20世紀80年代起，就很少新建懸臂樑橋了。既有的懸臂樑橋，尤其是預應力混凝土者，有相當一部分進行過加固改造。取而代之的，是鋼和混凝土的連續結構，如鋼桁連續梁、預應力混凝土連續梁和連續剛構等。

在近年來的橋樑建設中，還可偶見懸臂樑橋和T構的身影。2002年，法國在留尼汪島上建造了Bras de la Plaine橋，是一座跨度280.77m的懸臂樑公路橋，見圖16。該橋為組合結構，頂板為預應力混凝土（板底布置體外筋），底板為鋼筋混凝土並在跨中斷開，其間布置鋼管斜桿作為腹板。這座單跨組合式桁架橋，因其創新構造形成的優雅輕盈的結構造型，獲得國際橋協2003年度卓越結構獎。

圖16 法國Bras de la Plaine橋（網路照片）

還有用單T構（沒有鉸或掛孔）構成的預應力混凝土梁橋，其脫胎於傳統的T形剛構懸臂樑橋，但嚴格地講已不是懸臂樑了。對山區坡度較大、谷寬有限、無水或少水的溝谷，採用單T構，可在溝心設墩，一墩兩跨。這既可避免在斜坡上布置橋墩，又可起到保護環境的作用，還可減少邊坡防護，降低地質災害風險。日本大井川鐵道（建於20世紀30年代）線上，有一座這樣的橋樑（具體信息不詳）。中國雅瀘高速上的唐家灣大橋（主跨2×114m）和宜萬鐵路上的馬水河大橋（主跨2×116m）等，均採用這種橋式（見圖17）。

圖17 馬水河大橋（左，網路照片）和唐家灣大橋（右，庄衛林）

懸臂樑橋的未來如何？對這個問題，相信讀者們已有自己的答案。

（作者註：本文參考了諸多文獻資料，不一一列出，在此一併致謝！）

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