[分享]悬臂梁桥的百年兴衰

发表于2018-05-10 1503人浏览 0人跟帖总热度:230

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来源：桥梁杂志（ID:QiaoLiangZZ）

采用钢或混凝土建造的悬臂梁桥，在现代桥梁工程中占有重要的一席之地。百年前，采用这种桥式的钢桁架梁桥曾经辉煌一时；在预应力混凝土梁桥向大跨度方向的发展历程中，悬臂梁桥也起到过重要的作用。今天，由于种种原因，这一桥式已很少修建了。它是如何起源和发展的？若读者感兴趣，可接着往下看。

〖★中国古代的伸臂木梁桥★〗

在古代中国，造桥以木居多，常用者就是将木头（圆木或方木）架在石墩或木墩上，形成木梁桥。不过，若想用较短的木头搭建起一座跨度较大的桥，那就得花费一点心思了。为此，中国古代先民在长期的生产实践中创造出了形式多样的木桥，其中就包括独创的伸臂木梁桥。

中国的伸臂木梁桥，似乎最早出现在西北地区。相传在公元263年，曹魏大将军邓艾与其子邓忠率部从临洮南下攻蜀，在花石峡口（甘肃陇南宕昌县官亭镇）修造了一座伸臂木梁桥。因这桥为邓艾父子所造，故名邓邓桥。在清光绪十一年（1885年），该桥进行过最后一次修葺，后改建为钢筋混凝土梁桥。图1所示为今天在原桥位附近的仿制者，桥跨23m。

图1 仿制的邓邓桥

关于伸臂木梁桥的确切文字记载，出现在南朝宋（公元420～479年）新亭侯段国撰写的《沙洲记》中，其说“吐谷浑于河上作桥，谓之河厉。长百五十步，两岸累石作基陛，节节相次，大木纵横，更相镇压，两边俱平，相去三丈，并大材，以板横次之，施勾栏，甚严饰。”普遍认同的说法是：这桥修建于南北朝初期，在今青海循化撒拉族自治县古什群口处跨越黄河。

结合图1来理解《沙洲记》中对“河厉”的描述，可以看出伸臂木梁桥的构造特点是：按由短到长、由下至上的次序，将木头沿桥纵向水平摆放（或向上斜置），层层向河心挑出，形成伸臂叠梁；伸臂的岸侧端，需采用不同方式固定于岩体或台座；两伸臂的河侧端之间，再搭建长木相连。这样的构造，除了材料不同之外，与后来带挂孔的悬臂梁桥相差无几。

历史上名气很大的几座伸臂木梁桥，都在甘肃，如阴平古道上的文县阴平桥、兰州握桥、渭源灞陵桥等。阴平桥位于文县玉垒乡冉家村关头坝，桥一端是素有“陇蜀咽喉”之称的玉垒关。该桥的始建年代应早于邓邓桥，清代重修时仍为单孔伸臂木梁形式。20世纪70年代，随着碧口水库的修建，当年的古桥、雄关和栈道遗址统统没入了水底。1988年，此处建成关头坝大桥（跨径180m的双链式钢桁梁悬索桥）。

图2 兰州握桥（张佐周，1934年）

图3 渭源灞陵桥

兰州握桥（图2），相传始建于唐代，仿吐谷浑的“河厉”而建，跨度约22.5m。明永乐年间及清代多次重建。该桥在1952年拆除，现兰州水车博览园内有仿建者。灞陵桥（图3）始建于明洪武初年，1919年仿兰州握桥再建；1934年重建，跨度约29.5m。历史上不少名人（左宗棠、蒋介石等）曾为此留下墨宝，现为全国重点文物保护单位。握桥和灞陵桥易被误认为是木拱桥，大概是因为其伸臂为斜置（好似木制的叠涩拱），且在桥外侧设置了拱状的挡水面板所致。

图4 藏区的伸臂木梁桥

图5 新龙县波日桥

除西北地区以外，在西南藏区，现也保存有不少伸臂木梁桥。图4所示为四川阿坝、甘孜、凉山和西藏林芝等地的几座伸臂木梁桥。最为有名的，是在甘孜藏族自治州新龙县乐安乡境内横跨雅砻江的波日桥，见图5。该桥建于元末明初，1844年重建，1933年之后多次进行维修，是目前保存年代最久、跨度最大（主跨35.6m）的伸臂木梁桥。波日桥的建造没用一铁一钉，造型粗犷古朴、地域特色浓郁，是全国重点文物保护单位。

随着建桥技术的发展扩散，伸臂木梁桥也从山区峡谷走向平原河流，从单向伸臂发展为双向伸臂。湖南醴陵的渌江桥，曾经就是一个典型的多孔伸臂木梁桥。渌江桥始建于南宋乾道年间（1165～1173年），初为木墩木梁，后改石墩木梁桥，屡毁屡建。从清末留下的照片（图6）可见，当时是一座多跨的伸臂木梁桥。到1925年，民间集资改建成一座9墩10孔的石拱桥，长177m，最大跨径16m。康有为题写桥名，为全国重点文物保护单位。

图6 醴陵渌江桥（恩斯特·柏石曼，1906-1909年）

需要提及，在南亚的不丹、尼泊尔、巴基斯坦和印度北部的部分地区，也存在有一些伸臂木梁桥。图7所示为不丹普纳卡堡的伸臂木梁廊桥（Punakha Dzong，建于17世纪）。这些国家或地区的伸臂木梁桥发展，应该与西藏存在着密切关联。另外，结合年代和地域看，西南藏区的伸臂木梁桥建造技术，则有可能来自西北地区。

图7 不丹普纳卡堡桥

〖★H·格柏的贡献及钢桁悬臂梁桥★〗

1866年，德国工程师海因里希· 格柏（ Hei nrich Gerber）获得一项与铰接梁相关的专利。1867年，采用这一专利，格柏主持设计了世界上第一座桁架悬臂梁桥，见图8。这桥是一座熟铁制成的下承式公路桁架桥，分跨29.9-37.9-29.9m，挂孔长23.1m，在德国哈斯富尔特跨越美茵河（Mainbrücke Ha furt）。

图8 哈斯富尔特美茵河桥

很快，这种桥式（称为GerberBeam）就获得桥梁工程界的青睐并在铁路桥梁建设中推广开来。1877年美国建成的肯塔基高桥（HighBridge，美国第一座悬臂梁桥，3×114.3m，1911年改建），1883年建成的尼亚加拉悬臂桥（NiagaraCantilever，主跨151m，1925年弃用）和1889年建成的波基普西桥（Poughkeepsie，主跨5×160m，1974年因火灾停用，2009年改为人行桥）等，均是早期熟铁或钢桁架悬臂梁桥的例子。

图9 英国福思湾铁路桥

1882～1890年，英国采用该桥式，建成了规模空前的福斯湾铁路桥，见图9。该桥为铆接钢桥，主桥总长1620m，主跨达521.3m，主跨内悬臂长207.3m，挂孔106.7m，支承处的桁架高度达110m。此桥结构高大，杆件粗壮，刚度和承载能力足够，但外观稍逊。

接下来的百年内，加拿大、美国和日本等国家建造了一批大跨度钢桁悬臂梁桥，包括：加拿大Quebec桥（主跨549m，1919年建成，架设中曾发生过两次惨烈事故，为钢梁桥跨度纪录保持者），日本Minato桥（主跨510m，1973年，1991年开通下层桥面），美国CommodoreBarry桥（主跨501.1m，1974年）和Greater New Orleans桥（主跨480.4m，1958年；1988年在附近再建一座，跨度486.2m），印度的Howrah桥（主跨457.5m，1943年），美国Gramercy桥（主跨445m，1995年）和Pulaski桥（主跨381.2m，1932年）等。

图10 济南泺口黄河铁路桥

中国建造的钢桁悬臂梁桥极少，济南泺口黄河铁路桥是一个特例，见图10。该桥位于原津浦铁路（现京沪铁路上的一部分），在济南市区北部跨越黄河。大桥由德国人负责设计施工，1912年建成。桥长1236m，共12孔，其中第9～1 1孔采用三跨一联的钢桁悬臂梁结构，分跨128.1+164.7+128.1m，中跨挂孔109.8m，是当时中国跨度最大的钢桥。此桥命运多舛，先后经历过北伐、抗日和解放战争的战火洗礼，四毁四修。1991年全桥封闭，2000年经修复加固后又恢复通车使用至今，现为全国重点文物保护单位。

〖★预应力混凝土悬臂梁桥★〗

从20世纪50年代起，随着预应力和悬臂施工技术的进步，大跨度预应力混凝土悬臂梁桥开始得到发展。这类桥大多为T形刚构桥，“T形”是指施工时梁从各墩顶对称悬臂伸出，形同英文字母T；“刚构”则指墩梁固结，以增加施工阶段抗倾覆的稳定性。各T构之间，可设置剪力铰或挂孔。当然，带铰或挂孔的多跨梁桥，也属于此类。

T构桥的第一种构造形式，是让相邻两T构在跨中合龙处（边跨则在T构端部）设置剪力铰，这样主梁的弯矩值同号而便于配筋，但混凝土徐变及温度变化会在铰处产生附加剪力；另外，活载会导致铰处产生转角，对行车不利。1953年建成的德国沃尔姆斯的尼伯龙根桥（Niebelungen，分跨101+114.2+101m），1965年建成的荷兰泽兰大桥（Zeeland，桥长5022m，含50孔95m长的梁跨，见图11），其在每跨中央都设有铰。

图11 荷兰泽兰大桥

对边跨较短、中跨较长的桥，可只在中跨中央设铰，而在其余各跨不设铰，形成整体刚度较大的单铰连续T构桥。典型的桥例有：1965年德国建成的本多夫桥（Bendorf，分跨43.0+44.4+70.5+208.0+70.5+44.4+43.0m）、1976年日本建成的滨名大桥（Hamana，主桥分跨55+140+240+140+55m）等。中国成昆铁路上的旧庄河1号桥（1966年，分跨24+48+24m，悬臂拼装施工）和孙水河5号桥（1970年，分跨32.3+64.6+32.3m，悬臂浇筑施工），尽管没有采用T构形式，但均是在主跨中央设铰的预应力混凝土悬臂梁桥，见图12。

图12 成昆铁路上的旧庄河1号桥（左）和孙水河5号桥

对于多跨长桥，可将若干跨按一联连续布置，再将各联之间的伸缩缝，设置在某一跨内的反弯点附近，以铰相连，这样可使梁的活载挠度及转折角小于在跨中设铰者。1966年建成的法国奥莱龙（Oléron）桥，由46跨预应力混凝土梁组成，对其中的26×79m部分，让每4孔为一联，在反弯点处设铰，见图13。

图13 法国奥莱龙桥

T构桥的第二种构造形式，就是在跨中布置挂孔（或挂梁）来代替铰。这类T构桥可避免铰的复杂构造和受力问题，但在徐变作用下主梁悬臂端下挠和桥面不平顺依然存在。澳大利亚布里斯班库克船长（Captain Cook）桥，1972年建成，分跨73.2＋109.2＋146.3＋182.9＋42.7m，其第2、4跨内各设有25m的挂孔。中国较早修建的大跨预应力混凝土梁桥，多采用这种形式，如柳州柳江大桥（1968年建成，主跨124m，挂孔25m，见图14）、福建乌龙江大桥（1971年，主跨144m，挂孔33m）、重庆长江公路桥（1980年，主跨174m，挂孔35m）、泸州长江大桥（现名泸州长江四桥，1982年，主跨170m，挂孔40m）等。也曾建造过带挂孔的预应力混凝土悬臂桁架梁桥（注意，不是桁架拱桥）。俄罗斯的萨拉托夫桥（Saratov，1965年，主桥分跨106+3×166+106m，挂孔46m，见图15）、澳大利亚的里普桥（Rip，1974年，73.6+182.9+73.6m，挂孔37m）和中国湖北的黄陵矶桥（1979年，主桥分跨53+90+53m，挂孔16m），是少有的几个桥例。

图14 柳州柳江大桥

图15 俄罗斯萨拉托夫桥

〖★悬臂梁桥的未来★〗

不论是钢桁悬臂梁桥还是预应力混凝土悬臂梁桥，其在桥梁工程的发展历程中均占据着重要历史地位。但是，因铰或挂孔会导致结构变形较大且桥面不平顺，也因桥梁结构计算分析能力的提升，自20世纪80年代起，就几乎不建悬臂梁桥了。既有的悬臂梁桥，尤其是预应力混凝土桥，有相当一部分进行过加固改造。取而代之的，是钢和混凝土的连续结构，如钢桁连续梁、预应力混凝土连续梁和连续刚构等。

在近年来的桥梁建设中，还可偶见悬臂梁桥和T构的身影。2002年，法国在留尼汪岛上建造了Bras de la Plaine桥，其为一座跨度280.77m的悬臂梁公路桥，见图16。该桥为组合结构，顶板为预应力混凝土（板底布置体外筋），底板为钢筋混凝土并在跨中断开，其间布置钢管斜杆作为腹板。这座单跨组合式桁架桥，因其创新构造形成的优雅轻盈的结构造型，获得国际桥协2003年度卓越结构奖。

图16 法国Bras de la Plaine桥

还有用单T构(没有铰或挂孔)构成的预应力混凝土梁桥，其脱胎于传统的T形刚构悬臂梁桥，但严格地讲已不是悬臂梁了。对山区坡度较大、谷宽有限、无水或少水的沟谷，采用单T构，可在沟心设墩，一墩两跨。这既能避免在斜坡上布置桥墩，又能起到保护环境的作用，还能减少边坡防护，降低地质灾害风险。日本大井川铁道(建于20世纪30年代)线上，有一座这样的桥梁（具体信息不详）。中国雅泸高速上的唐家湾大桥(主跨2×114m）和宜万铁路上的马水河大桥(主跨2×116m)等，均采用这种桥式(见图17)。悬臂梁桥的未来如何？对这个问题，相信读者们已有自己的答案。