简介： 近代大跨径悬索桥是如何一步一步演变成今天这个样子的呢，本文将和大家一起探讨一下悬索桥的前世今生。
近代的大跨径悬索桥是由古代的藤、竹悬索桥发展而来。据记载，最晚在唐朝中期，我国就从藤索、竹索发展到用铁链建造悬索桥。至今尚保留下来的古代悬索桥有四川泸定县的大渡河铁索桥（1706年，语文课本中红军飞夺泸定桥中铁索桥正是此桥），以及灌县的安澜竹索桥（1803年）等。
近代大跨径悬索桥是如何一步一步演变成今天这个样子的呢，本文将和大家一起探讨一下悬索桥的前世今生。
▲ 泸定县大渡河铁索桥
▲灌县的安澜竹索桥
▲现代大跨悬索桥
悬索桥的前世——古代索桥
在地势平缓的平原地区，古人遇到小河小溪，通常在水中放置一些石块或者将石板搭在石头上便能渡河，建造了一些小跨度的木梁桥、石梁桥或者石拱桥。但是在地势险峻的山区，古人要想跨越深涧河谷，如若仍采用平原地区的梁桥，那么势必要在深涧河谷之中建造桥梁基础，并架设高墩，这在技术落后的古代谈何容易！
▲深涧河谷如何变通途
古人想到的最好的办法，就是“无视”深涧河谷，一跨过之！古人大概是从山林间动物借助藤蔓攀援而得到启示，发明了以藤、竹、草等自然界材料加工成索来造桥的办法，逐步创造出了三大基本桥式之一的索桥。
▲自然界中，猿猴借助藤蔓在树之间辗转腾挪
怎么造桥？最简单的方式是在两岸固定一根索，一头高，一头低，人就可借倾斜之势滑越渡河。这就是最原始的渡河工具——溜索。生活在三江并流区域和雅鲁藏布江流域的各少数民族，历史上多使用溜索过渡。直到今天，极少数边远地区仍在使用溜索，但材料已改用钢丝绳或钢绞线了。
▲云南怒江溜索
溜索通常只能渡人，而且不方便，很危险。后来出现了多索的形式，即一部分索平铺在下面，上铺木板形成较宽的桥面；一部分索高置两侧，兼做扶手和护栏。这样的索桥，既可以行人，也可过渡货物、牲畜，这就是早期的索桥。
▲西藏墨脱藤网桥
▲西藏早期索桥
▲日本藤蔓桥
▲秘鲁草绳桥
之后，人类开始逐步把铁索应用于桥梁。据史料记载，在云南丽江玉龙县西北的塔城乡，曾有一座建于唐朝的跨越金沙江的铁索桥，后毁于唐贞元十年（公元794年）吐蕃与南诏之间的一场战争。史料中没有关于铁桥的具体信息，今天能看到的，是1991年在遗址处设立的一块“古铁桥遗址”碑。
▲“古铁桥遗址”碑
至于神川铁桥的建造者，众说纷纭，没有定论；但当代史界学者一般都认为是吐番（公元618～842年间的古代藏族政权）所建。因为后来藏族人在建造铁索桥方面颇有建树，其中，唐东杰布就是一位杰出的代表。
1430年（一说1420年），他建造了跨越雅鲁藏布江的曲水桥（位置在今拉萨曲水县达嘎乡达嘎村，1966年建成的曲水大桥附近），也叫甲桑（Chaksam）桥。这桥早已不存，有两点值得注意：第一，这铁索桥的铁索与桥面是通过吊索（牦牛毛制成）连接，这被公认为是世界首创；第二，桥的跨度达到300步（pace），这在当时是相当了不起的！
▲曲水铁索桥立面布置示意（绘制于1878年）
悬索桥的今生——现代悬索桥
据记载：铁链悬索桥于1741年始于英国，其跨度为21.34m，使用了61年。随着工业革命的进行，悬索桥的建造技术也随着时代潮流蓬勃发展。
现代悬索桥早期
国外现代悬索桥的早期大致从1801年詹姆斯·芬莱建雅各布涧悬索桥，至1883年布鲁克林桥建成。期间，比较有代表性有如下几座悬索桥。
英国最具代表性的悬索桥，是由托马斯·特尔福德建于1820~1826年的，跨径为176m的梅奈海峡大桥。该桥是一座公路桥，采用熟铁和石料制作；全长417m，主跨176m（为当时世界最大跨）。
▲托马斯·特尔福德
▲梅奈海峡大桥
在法国，1823年，维纳尔在研究报告中考虑了悬索桥的动力作用，并取得“稳定性随桥的重量与跨长而增加”的结论。这一年，法国开始大量修建悬索桥，其中最具代表性的为1834年建成的弗赖堡桥，跨径为265m。
里昂的机械工塞昆和拉梅首先用优质锻铁代替链条，并在俄国跨丰塔卡河建成第一座法国式悬索桥。
美国的罗勃林针对惠林桥被大风所毁的事故详加研究，对悬索桥的设计和分析作了许多重要贡献。1883年在纽约建成的布鲁克林桥，系早期悬索桥的典范，主跨达488m，当时被称为世界工程第八奇迹。
▲布鲁克林桥
现代悬索桥后期
国外悬索桥后期可概括为自布鲁克林桥建成至今。这期间，悬索桥的跨度、规模和建桥材技术都有很大发展。一般来说，国外悬索桥发展后期，大致可划分为以下三类。
1、美国悬索桥
20世纪30年代是美国修建大跨度悬索桥最兴旺的时期。最具代表性的是1937年建成的旧金山金门大桥，其主跨为1280m，曾保持世界最大跨径记录达27年之久。
▲旧金山金门大桥
此后，许多国家所修建的大跨度悬索桥基本上都有美国悬索桥的影子，在风格上是一致的，如加拿大1968年修建的跨度为234m+688m+234m=1156m的新魁北克桥。
▲加拿大新魁北克桥
1940年华盛顿建成的主跨853m塔科玛老桥，被风速仅19m/s的风将下承式钢板梁的加劲梁吹断，震惊世界。直到20世纪50年代，美国克服了悬索桥的抗风问题，再度致力于修建大跨度悬索桥，并加固了一些抗风能力差的旧桥。
美国悬索桥最主要的特点如下：
（1）索塔采用铆接或栓接的钢塔；
（2）主缆都采用空中纺线法制造架设；
（3）加劲梁是非连续的钢桁架，适应双层桥面，并在索塔处设有伸缩缝；
2、欧洲悬索桥
1966年，英国在苏格兰和布里斯托尔建成跨度305m+988m+3305m=1598m的塞文桥。该桥的建成是悬索桥发展中向前的一个突破，也是英国式悬索桥的开始。
▲英国塞文桥
塞文桥采用扁平柔细、界面具有良好抗风性能的全焊流线型钢箱梁来代替美国式悬索桥的高、大桁式加劲梁。扁平流线型箱梁的构思无疑是一种进步，至今已被广泛采用。
受英国塞文桥的影响，1970年丹麦建成了第二座采用流线型扁平钢箱梁的小贝尔特桥，
▲丹麦小贝尔特桥
1981年，英国又建成了当时第一跨度的亨伯尔桥，此桥也是采用流线型扁平钢箱梁和斜吊索，索塔也是采用混凝土。
▲英国亨伯尔桥
1991年开工，1998年开通的丹麦大贝尔特东桥，主桥跨度为535m+1624m+535m=2694m的悬索桥，其加劲梁为31m、高4m，隔板为桁架的钢箱梁。该桥的最大特点是锚碇采用三角形空腹构架式的重力锚，由于通透而显得轻巧，具有良好的景观效果。
▲丹麦大贝尔特桥
欧洲悬索桥的主要特点是：
（1）索塔采用焊接钢结构或钢筋混凝土结构。
（2）有采用主缆与加劲梁在主跨跨中固结的形式
（3）加劲梁采用连续的流线型扁平钢箱梁；
3、日本悬索桥
日本悬索桥的发展主要是通过本州四国联络线的修建开始的，本四联络三线中有22座大桥，其中最著名的当属1998年建成的一座超世界跨度记录的特大跨悬索桥，受到世界瞩目的明石海峡大桥，其跨度为960m+1991m+960m=3911m。
▲日本明石海峡桥
日本在修建上述悬索桥的时候，受美国模式的影响较多，在本四联络线中的悬索桥之所以采用桁式加劲梁，主要考虑其有公路、铁路两用桥，采用桁梁易于实现公路、铁路分层通过。
由于工业的发达和技术的发展，日本悬索桥也有自己的特点：
（1）索塔采用钢结构，主要采用节段焊接，高强螺栓拼装节段；
（2）主缆的制造和架设基本上用预制索股法代替了空中纺线法；
（3）采用连续桁梁，在塔墩处没有伸缩缝；
（4）采用正交异性板代替预应力钢筋混凝土板；
国内悬索桥发展
在“悬索桥的前世”一节中，我们可以看出中国在古代索桥技术方面有着丰富的实践经验，但由于历史种种原因，在近代悬索桥的发展史上，几乎看不到中国的影子。随着新中国的成立，国内悬索桥的发展开始追随世界脚步。
20世纪90年代以后，国内悬索桥的发展进入了新的阶段，下面将简要介绍国内几座具有代表性的悬索桥。1995年建成的汕头海湾大桥是国内第一座大跨径现代悬索桥，跨度为154m+452m+154m=760m，由于岩盘良好，采用预应力混凝土加劲梁。
▲汕头海湾大桥
1997年建成主跨1377m的香港青马大桥，建成时是世界上最大跨径的公铁两用悬索桥，加劲梁为钢桁架梁结构并用不锈钢板外包了风嘴，设有中央通风孔，有效提高了桥梁抗风稳定性。
▲香港青马大桥
1999年建成主跨1385m的江阴长江公路大桥，这是我国又一座超千米跨径的特大桥； 1999年底又建成了国内首座三跨连续漂浮式钢箱梁悬索桥——厦门海沧大桥。
▲江阴长江公路大桥
2005年建成了主跨为1490m的润扬长江公路大桥，在跨中设置了刚性中央扣连接主缆和加劲梁。
▲润扬长江公路大桥
2009年底建成通车的舟山西堠门大桥是我国目前已通车的跨度最大的悬索桥，主跨为1650m，地处强台风区，加劲梁为分体式钢箱梁，全宽36m，中间开槽6m，能满足抗风稳定性要求。（在建的杨泗港大桥为主跨1700m、双层钢桁梁悬索桥）
▲舟山西堠门大桥
2012年建成通车的泰州长江公路大桥是世界上首座千米级三塔两跨悬索桥，跨度为（1080m+1080m），其中关键技术是确定合适的中塔刚度，最终通过比选选择了有一定柔韧度的钢塔，并将塔形纵桥向设计为人字形来提高塔的刚度，刚柔结合，从而达到中塔的最佳刚度。
▲泰州长江公路大桥
▲泰州长江大桥的“人字形”中塔
▲同济大学做的泰州长江大桥的抗震试验
此外，国内不少城市建造了自锚式悬索桥，造型美观，成为城市的标志性建筑物。自锚式悬索桥不需要修建锚碇，可以适用于软土地基，例如杭州江东大桥。但是自锚式悬索桥存在用钢量大，施工繁琐和造价高等缺点。
▲杭州江东大桥
总结
从国内外悬索桥的发展过程来看，是人们不断地与自然界作斗争、不断地发现问题、不断地改进和发展的过程。
古人为了跨越深涧河谷采用藤、竹等自然材料经过简单的加工，发明了溜索，为了增加通过安全和通行能力，人们又发明了多索体系，并增加了桥面板；随着冶铁技术发展，人们逐渐用铁链代替了藤、竹等自然材料建造了铁链索桥；
随着基础科学和建造技术的发展，悬索桥逐渐由单一的索体系发展到现代悬索桥的锚碇—索塔—主缆—加劲梁体系；塔科玛老桥的风毁事故使建桥人引进了飞机的抗风稳定性理念，进行了风洞试验，做了大量的研究工作，十年后重建塔科玛桥。至此，人们认识到风是悬索桥最大的危害者，必须提高悬索桥的抗风能力。
▲塔科马海峡大桥风毁事故现场
同样在不断探索中，主缆由铁链组成发展到用优质锻铁，到钢丝绳、镀锌高强钢丝，现在已发展到直径7mm的镀锌高强钢丝。悬索桥作为目前最古老而又跨越能力最大的桥式之一，正在不断逼近自己的跨径极限。将要建成的墨西纳海峡大桥，为主跨3300m的悬索桥，建成后将超越日本明石海峡大桥成为世界最长的悬索桥。
▲墨西纳海峡大桥立面及横断面布置
那么悬索桥的极限跨径是多少呢？据相关专家、学者的研究，从空气动力学角度来看，悬索桥的极限跨径可以达到5000m！若有朝一日实现，那么必将成为人类文明史上的又一大奇迹！
参考文献：
（1）《悬索桥》 孟凡超等，人民交通出版社；
（2）《中国桥梁史纲》 项海帆 同济大学出版社；
（3）《悬索桥跨径的空气动力极限》项海帆 葛耀君 土木工程学报；
（4）亚东桥话8：悬索桥的前世今生（上） 西南交大桥梁；
（5）亚东桥话9：悬索桥的前世今生（下） 西南交大桥梁；
（6）图片均来自网络，部分图片来自“视觉中国”.
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