对“自锚式悬索桥”热的一点反思（文/项海帆）

自美国旧金山新海湾大桥采用独塔自锚式悬索桥方案的消息传到中国后，国内桥梁界纷纷仿效，自锚式悬索桥被认为是一种“创新桥型”，在全国各地的方案竞赛中屡屡获胜，成为一种时尚。本文回顾了自锚式悬索桥自19世纪下半叶在欧洲诞生后一百多年来的发展历史，分析了这种桥型的优缺点以及和斜拉桥的比较，希望能引起桥梁界同行的讨论和思考，以避免形成不合理的追逐热潮。
历史的回顾
1859年，奥地利工程师Langer第一次提出自锚式悬索桥的设想，但美国工程师Bender于1867年抢先申请了专利。1870年，Langer在波兰率先建成了世界第一座小跨度的试验桥，成为第一位自锚式悬索桥的实践者。
1915年，德国工程师在建造跨越莱茵河的科隆(Köln）-Deutz桥时，因美学考虑希望选择悬索桥方案，但由于软土地基不宜建造锚碇，最后决定采用自锚式悬索桥，主跨184.5米的该桥取得了成功，在国际上产生了很大的影响。

1925-1928年间，美国匹兹堡市（Pittsburg）接连建造了三座类似的跨越Alleyheny河的自锚式悬索桥，主跨为131-135米不等，取得了很好的美学效果。

1929至1939年的十年间，德国莱茵河上又建成了四座自锚式悬索桥，其中最著名的是主跨达315米的Köln－Mülheim桥。

1941年，德国工程师Leonhardt又设计了一座单索面的自锚式悬索桥－Emmerich桥方案，后因经济原因没有实现。
1990年，日本工程师在建造主跨300米的大阪Konohona桥时采用了Leonhardt单索面自锚式悬索桥的思想，但用斜吊杆以增加刚度，并用预张力解决吊杆的疲劳问题。高3.17米的桥面箱梁可在间距为120米的支架上安装，以满足施工期的通航要求。


2000年，韩国仁川机场的Yong Jong桥采用了类似日本Konohona桥的自锚式悬索桥，主跨同样是300米，但垂跨比从1/6增大为1/5，减小主缆的水平拉力并方便锚固。同时，改用空间的双主缆体系以增加侧向稳定性，以及采用7米高的桁架梁和双层桥面,由此可不用支架进行整体安装。

近年来，我国也建造了几座自锚式悬索桥。
(1)　杭州江东大桥。主跨260米，边跨83米，垂跨比1/4.5，双塔采用中央独柱，三维空间主缆。分体式主梁的总宽为47米，梁高3.5米。用间距约50余米的四座临时支架安装主梁，然后施工空间主缆和安装吊索，最后在体系转换后拆除支架形成自锚式悬索桥体系。该桥由上海市政设计院设计，2008年建成通车。
(2)　广州猎德大桥。独塔自锚式悬索桥的跨径组合为47+167+219+47米，总长480米。钢箱梁全宽36.1米，采用独特的贝壳状弧形门塔，塔高128米。桥面箱梁采用顶推法施工，河中设临时墩。主梁顶推就位后安装主缆和吊索，再进行体系转换。该桥于2008年建成通车。

(3)　佛山平胜大桥。主跨350米，独塔四索面双门塔结构，顶推法施工主梁。2006年11月通车。
此外，尚有福州鼓山桥、逻州桥和广州珠江桥等正在设计和施工之中,中国已形成了一股自锚式悬索桥的热潮。

自锚式悬索桥的优缺点
自锚式悬索桥的主要优点是避免了传统外锚式悬索桥中体量巨大的锚碇，适合在软土地基的条件下采用这种外形优美的悬索体系。这也是上述几座桥梁被选中的原因。旧金山新海湾大桥也是为了和海湾地区其他二座大桥（旧金山金门大桥和奥克兰海湾大桥）的悬索桥造型相协调而在斜拉桥和自锚式悬索桥二个比较方案中选择了后者，尽管从经济上和技术上看，斜拉桥更占优势。

                               
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和斜拉桥相比，自锚式悬索桥虽然同样不需要锚碇，但必须在主缆安装之前先在支架上安装好桥面主梁，而不能像斜拉桥那样进行悬臂拼装。一般认为：在跨度400米以下的中小河流上，当便于搭建支架而通航要求又不高时可以考虑这种桥型。过大的跨度将带来主缆在梁上锚固构造的困难和复杂性，在制作和施工上都是不利的。
在结构刚度方面，自锚式悬索桥也不如斜拉桥，当跨度较小时刚度问题更为突出，有时要用斜吊杆代替传统的直吊杆以提高刚度。而为了克服斜吊杆的疲劳问题又要对吊杆施加预张力，此时主缆的形状将不再是抛物线，而必须用精确的非线性有限元法，通过迭代计算确定主缆的线形，否则会带来较大的误差。
最后，还要指出的是自锚式悬索桥的结构冗余度小，一旦主梁破坏将会带来整体倒塌的灾难性后果。总之，自锚式悬索桥并不是一种性能优良、经济和便于施工的体系，对于250～400米级的桥梁跨度，斜拉桥方案仍应是主选体系。
德国在第二次世界大战后创造了现代斜拉桥体系。自1956年建造了第一座斜拉桥以来，莱茵河上建成了十余座不同造型的斜拉桥，形成了“斜拉桥家族”，而没有再选用战前的自锚式悬索桥。由此可见，在300～400米跨度范围内，斜拉桥还是最具竞争力的桥型，在美学上与自锚式悬索桥相比也毫不逊色。
旧金山新海湾大桥位于高烈度的强地震区，湾区的土质条件又十分软弱，作为一个替换被地震损坏的旧桥的重建工程，要求能在未来抵御里氏8.5级的强烈地震，并且在其全寿命的服务期限内遭遇地震后能继续维持交通运营，且要求在不中断交通条件下加以修复。
为满足350米×43.3米的通航净空要求，主桥由385米的主跨和180米的边跨组成。设计寿命的期望要求150年。其次，为满足28万辆的日交通量，需要双向共八个车道，并要求在一侧加设自行车道和行人道供居民使用
1997年，旧金山都市交通委员会（MTC）就新海湾大桥提交了二个建议方案：独塔斜拉桥方案和自锚式悬索桥方案。1998年7月，都市交通委员会表决通过了自锚式独塔悬索桥方案，其理由是与海湾地区已有的几座悬索桥在景观上协调一致（图8）。
因此，旧金山新海湾大桥选用自锚式悬索桥而放弃更经济的斜拉桥方案是一个特例，并为此在经济、制造、施工和今后养护上付出了代价。中国桥梁界不宜盲目跟从，在城市内河上便于搭建施工支架而又不影响通航的特殊条件下，可以偶尔选用这种自锚式悬索桥体系，以丰富桥型，造成一种标志性的美学效果。
结语
综上所述，自锚式悬索桥并不是一种具有竞争力的优良桥型。在经济性、可施工性、可养护性方面都不如斜拉桥。而且，为了提高刚度，将矢跨比从一般悬索桥的1/10增大到1/5，甚至1/4.5，在美学上也有所逊色。建议中国桥梁界慎重决策，不宜盲目跟从，以免弄巧成拙，并造成不必要的浪费和施工困难。

参考文献 *
[1] J.A. Ochsendorf, D.V. Billington: Self-Anchored Suspension Bridges, J. Bridge Engineering. Aug. 1999 ;
[2] M.C. Tang: Why, Why Not, What if. Proc. Inter’l Conference on Bridge Engineering—Challenges in the 21st Century, Nov. 2006, HongKong
[3] H.K. Kim, M.J. Lee, S.P. Chang: Determination of Hanger Installation Procedure for A Self-anchored Suspension Bridge, J. Eng. Struc. N. 28, 2006
[4] 沈洋：江东大桥空间缆自锚式悬索桥体系转换分析研究，上海公路，N.1，2009
(作者：中国工程院院士 同济大学教授)