不怕大洪水的斜张桥（图）

2010-06-05 15:12

斜张桥的斜拉钢缆与高耸桥塔，常成为某些景点的重要地标，加上其结构特殊造成的大跨径，可减少桥墩落在河道上的数目，降低桥墩遭洪水冲垮的潜在风险，因而受到现代工程师的青睐。

(照片提供/科学人)

莫拉克台风冲垮了全台 41 座桥梁，这些断桥全属于跨径短、桥墩数多的梁式桥，只要一个桥墩被冲垮，桥梁就会断裂。部份学者因此建议，未来若是兴建超过数百公尺的河川桥，最好采用跨径大、不需立太多桥墩的斜张桥，才能降低急遽暴涨的河水冲垮桥梁的风险。斜张桥是用钢缆撑起桥梁重量，并以“斜拉”方式将桥身拉至桥塔固定。近几年台湾其实已兴建几座斜张桥，像 1999 年通车的南二高高屏溪主桥，是台湾首座高速公路斜张桥；南投集鹿大桥、苗栗新东大桥、台北大直桥、淡水渔人码头情人桥等也都属于斜张桥。

最早的斜张桥是 1784 年建于瑞士，以木材斜拉的Loscher-type桥；1821 年，法国Poyet-type桥已进步到使用钢棒悬吊桥面。直到二次大战后，斜张桥才受到重视，主要原因是所需的建材很少，正好能解决战后物资缺乏的窘境。之后由于施工技术、材料力学、电脑运算速度等突飞猛进，再加上斜张桥的桥塔及钢缆能组合出多种深具科技美感的造型，因此备受桥梁工程师的喜爱。

斜拉以节省建材，又兼顾安全性

中央大学土木系兼任助理教授蔡俊镱表示，斜张桥之所以能节省建材，是因为斜拉纲缆造成的力学特性，使得桥的跨径可以很长，不需立太多桥墩，而且可以使梁深变薄。跨径指的是桥墩与桥墩之间的距离，就目前技术，斜张桥跨径可达 1000 公尺，如 2008 年完工的中国苏通大桥，跨径就长达 1088 公尺，相较之下，利用桥墩撑起桥面重量的梁式桥，一般只有30~50公尺。跨径大的好处在于面对山谷、大河、海洋等不易立桥墩的地方时，可以降低施工困难度及桥墩被河川冲垮的潜在风险。

在斜张桥上，钢缆从桥塔斜拉至桥身，会产生一个斜向的张力，张力的垂直分力负责向上拉起桥梁的重量，取代原本用桥墩撑住桥梁的力量。桥塔高度越高，垂直分力越大；然而也不能毫无限制地提高桥塔高度，因为钢缆还必须提供足够的水平分力。桥塔高度从桥面起算，通常约为跨径的 1/5~1/3，假设要兴建跨径为1公里的斜张桥，桥塔高度就必须介于 200~330 公尺之间。

钢缆的水平分力主要是用来制造“预力”效果。蔡俊镱表示，预力的概念就像是要将 5 本水平排列的书一次提起，我们一定会以双手从左右两边相压再拿起，这是因为施予书本的水平力提供了书本间较大的正向力，使摩擦力增加，因此书本较不易掉下。同理，若在桥面两端施以向内的水平预力，以混凝土桥为例，预力会使混凝土的结构产生预压力，因此不易弯曲，可相对提高桥的承载重量，也就能降低桥梁深度，这不但能节省材料，同时让造型更为轻巧。

造型千变万化

除了轻巧造型，斜张桥也能营造出多样的视觉效果。斜张桥的典型桥塔有 A 型、H 型、I 型、倒 Y 字型等；钢缆也分辐射状、竖形、扇形等多种排列，不同塔型、塔高配上不同排列的钢缆，再漆上不同颜色，就能创造出千变万化的桥梁景观。而现在经由电脑快速运算，桥塔的造型、钢缆与钢缆间的距离也能稍做变化，如上图的台北大直桥就是扇型钢缆、I 型桥塔的变体；有些设计师还会根据当地环境，设计出与传统斜张桥不同的造型，例如美国加州的拉克尔恰科桥（Ruck-A-Chucky bridge），为考量不破坏山坡地，就没有立桥塔及基础，而是将钢缆直接锚碇在两边的山谷，可说是桥梁生态工法最佳实例。

斜张桥的多变造型不仅让桥梁从单纯的交通运输，变成美化城市的重要角色外，蔡俊镱表示，冲刷、地震及台风是台湾河川桥的三大风险因素，因此桥梁设计的新思维应朝向减少落墩、拉大跨径。斜张桥的造价成本虽然昂贵，但却是能真正带来美观又长寿的桥梁。

结合预力混凝土桥与斜张桥的脊背桥

除了斜张桥之外，还有一种桥也是利用钢缆斜拉主梁，那就是桥塔高度较低的“脊背桥”。它的优点是跨径比一般梁式桥长，可减少落墩数，施工也较斜张桥容易，例如国道 6 号爱兰交流道南港溪桥就是国内首座脊背桥。交通部国道新建工程局规划组桥梁科科长罗财怡表示，从力学行为分析，脊背桥是介于斜张桥与梁式桥中的“预力混凝土桥”。

由于材料特性，混凝土所能承受的张力大约只有压力的 1/10 左右，因此当纯混凝土桥梁放在桥墩上时，自身的重量会从桥墩之间把桥身压弯，一旦桥身底部承受不了压弯时所产生的张力就会产生裂缝，甚至断裂。为了增加混凝土桥的强度及跨径，通常会在混凝土内加抗张强度佳的钢筋，但这样的跨径还是太短，若在混凝土内加韧性较钢筋强的组合钢材，从两头拉紧钢材，并固定于桥梁的两端，便可以使桥梁内部的结构更紧密，减少弯曲幅度而不易断裂，这正是所谓的预力。预力混凝土桥的跨径已可达 200 公尺，约是钢筋混凝土桥的 10 倍。

脊背桥的桥塔较斜张桥低，塔高约是跨径的 1/15~1/8 倍，因此斜张钢缆提供的水平预力较大，效果相当于混凝土桥内加的组合钢材，可降低桥梁的弯曲变形幅度；不过垂直拉力变小，使得跨径不如斜张桥，目前跨径约在100～200公尺。