斜張橋的斜拉鋼纜與高聳橋塔,常成為某些景點的重要地標,加上其結構特殊造成的大跨徑,可減少橋墩落在河道上的數目,降低橋墩遭洪水沖垮的潛在風險,因而受到現代工程師的青睞。
文/楊嘉慧
審稿/中央大學土木系兼任助理教授 蔡俊鐿;                             交通部國道新建工程局規劃組橋梁科科長 羅財怡

 

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斜張橋的優點是不需架設太多橋墩、高聳的橋塔與斜拉鋼纜更能製造視覺效果,圖為台北大直橋。(影像來源:蔡俊鐿)

 莫拉克颱風沖垮了全台 41 座橋梁,這些斷橋全屬於跨徑短、橋墩數多的梁式橋,只要一個橋墩被沖垮,橋梁就會斷裂。部份學者因此建議,未來若是興建超過數百公尺的河川橋,最好採用跨徑大、不需立太多橋墩的斜張橋,才能降低急遽暴漲的河水沖垮橋梁的風險。斜張橋是用鋼纜撐起橋梁重量,並以「斜拉」方式將橋身拉至橋塔固定。近幾年台灣其實已興建幾座斜張橋,像 1999 年通車的南二高高屏溪主橋,是台灣首座高速公路斜張橋;南投集鹿大橋、苗栗新東大橋、台北大直橋、淡水漁人碼頭情人橋等也都屬於斜張橋。

 最早的斜張橋是 1784 年建於瑞士,以木材斜拉的Loscher-type橋;1821 年,法國Poyet-type橋已進步到使用鋼棒懸吊橋面。直到二次大戰後,斜張橋才受到重視,主要原因是所需的建材很少,正好能解決戰後物資缺乏的窘境。之後由於施工技術、材料力學、電腦運算速度等突飛猛進,再加上斜張橋的橋塔及鋼纜能組合出多種深具科技美感的造型,因此備受橋梁工程師的喜愛。

斜拉以節省建材,又兼顧安全性

 中央大學土木系兼任助理教授蔡俊鐿表示,斜張橋之所以能節省建材,是因為斜拉綱纜造成的力學特性,使得橋的跨徑可以很長,不需立太多橋墩,而且可以使梁深變薄。跨徑指的是橋墩與橋墩之間的距離,就目前技術,斜張橋跨徑可達 1000 公尺,如 2008 年完工的中國蘇通大橋,跨徑就長達 1088 公尺,相較之下,利用橋墩撐起橋面重量的梁式橋(見下圖),一般只有30~50公尺。跨徑大的好處在於面對山谷、大河、海洋等不易立橋墩的地方時,可以降低施工困難度及橋墩被河川沖垮的潛在風險。

 

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梁式橋是在橋面下立多根橋墩,利用橋墩撐起橋梁的重量,一般跨徑的高架橋多採用梁式橋。梁式橋的結構分梁與柱兩部份,人車走的部份屬於「梁」,橋墩屬於「柱」,橋墩與橋墩間的距離稱為「跨徑」。(電腦繪圖:姚裕評)
 

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斜張橋斜拉鋼纜會產生一個斜向的張力(紅色箭頭),張力的垂直分力負責向上拉起橋梁的重量(紫色箭頭);左右兩邊的水平分力(藍色箭頭),使橋梁的結構承受預壓力,橋身可以薄一點。(電腦繪圖:姚裕評)

 在斜張橋上,鋼纜從橋塔斜拉至橋身,會產生一個斜向的張力,張力的垂直分力負責向上拉起橋梁的重量(見右圖),取代原本用橋墩撐住橋梁的力量。橋塔高度越高,垂直分力越大;然而也不能毫無限制地提高橋塔高度,因為鋼纜還必須提供足夠的水平分力。橋塔高度從橋面起算,通常約為跨徑的 1/5~1/3,假設要興建跨徑為1公里的斜張橋,橋塔高度就必須介於 200~330 公尺之間。

 鋼纜的水平分力主要是用來製造「預力」效果。蔡俊鐿表示,預力的概念就像是要將 5 本水平排列的書一次提起,我們一定會以雙手從左右兩邊相壓再拿起,這是因為施予書本的水平力提供了書本間較大的正向力,使摩擦力增加,因此書本較不易掉下。同理,若在橋面兩端施以向內的水平預力,以混凝土橋為例,預力會使混凝土的結構產生預壓力,因此不易彎曲,可相對提高橋的承載重量,也就能降低橋梁深度,這不但能節省材料,同時讓造型更為輕巧。

造型千變萬化

 

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斜張橋的橋塔有許多種形貌,以由橋的一端看往另一端的形狀做為分類,這些橋塔可分為 A 型、H 型、I 型與倒 Y 字型等。(電腦繪圖:姚裕評)

 除了輕巧造型,斜張橋也能營造出多樣的視覺效果。斜張橋的典型橋塔有 A 型、H 型、I 型、倒 Y 字型等(見右圖);鋼纜也分輻射狀、豎形、扇形等多種排列(見下圖),不同塔型、塔高配上不同排列的鋼纜,再漆上不同顏色,就能創造出千變萬化的橋梁景觀。而現在經由電腦快速運算,橋塔的造型、鋼纜與鋼纜間的距離也能稍做變化,如上圖的台北大直橋就是扇型鋼纜、I 型橋塔的變體;有些設計師還會根據當地環境,設計出與傳統斜張橋不同的造型,例如美國加州的拉克爾恰科橋(Ruck-A-Chucky bridge),為考量不破壞山坡地,就沒有立橋塔及基礎,而是將鋼纜直接錨碇在兩邊的山谷,可說是橋梁生態工法最佳實例。

 

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斜張橋常見的鋼纜排列方式有輻射狀、豎形及扇形等三種。(電腦繪圖:姚裕評)

 

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各種造型的橋塔。圖左的放射狀、A 型塔是英國漢格福特橋(Hungerford Bridge)的;中間的扇形、H 型塔是加拿大安娜西斯橋(Annacis Bridge);右邊的扇形、I 字型塔是日本大阪橋梁。(影像來源:蔡俊鐿)

 斜張橋的多變造型不僅讓橋梁從單純的交通運輸,變成美化城市的重要角色外,蔡俊鐿表示,沖刷、地震及颱風是台灣河川橋的三大風險因素,因此橋梁設計的新思維應朝向減少落墩、拉大跨徑。斜張橋的造價成本雖然昂貴,但卻是能真正帶來美觀又長壽的橋梁。

結合預力混凝土橋與斜張橋的脊背橋

 

 除了斜張橋之外,還有一種橋也是利用鋼纜斜拉主梁,那就是橋塔高度較低的「脊背橋」。它的優點是跨徑比一般梁式橋長,可減少落墩數,施工也較斜張橋容易,例如國道 6 號愛蘭交流道南港溪橋就是國內首座脊背橋。交通部國道新建工程局規劃組橋梁科科長羅財怡表示,從力學行為分析,脊背橋是介於斜張橋與梁式橋中的「預力混凝土橋」。

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國道 6 號愛蘭交流道的南港溪橋即為脊背橋(影像來源:羅財怡)

 

 由於材料特性,混凝土所能承受的張力大約只有壓力的 1/10 左右,因此當純混凝土橋梁放在橋墩上時,自身的重量會從橋墩之間把橋身壓彎,一旦橋身底部承受不了壓彎時所產生的張力就會產生裂縫,甚至斷裂。為了增加混凝土橋的強度及跨徑,通常會在混凝土內加抗張強度佳的鋼筋,但這樣的跨徑還是太短,若在混凝土內加韌性較鋼筋強的組合鋼材,從兩頭拉緊鋼材,並固定於橋梁的兩端,便可以使橋梁內部的結構更緊密,減少彎曲幅度而不易斷裂,這正是所謂的預力。預力混凝土橋的跨徑已可達 200 公尺,約是鋼筋混凝土橋的 10 倍。

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圖為橋身受力示意圖。純混凝土橋與鋼筋混凝土橋在橋墩間向下凹的程度較預力混凝土橋大,致使梁下方的混凝土有多處裂縫。(電腦繪圖:姚裕評)

 

 脊背橋的橋塔較斜張橋低,塔高約是跨徑的 1/15~1/8 倍,因此斜張鋼纜提供的水平預力較大(見下圖),效果相當於混凝土橋內加的組合鋼材,可降低橋梁的彎曲變形幅度;不過垂直拉力變小,使得跨徑不如斜張橋,目前跨徑約在100~200公尺。

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若鋼纜對橋身施以同樣大小的力(紅色箭頭),在斜張橋上,鋼纜提供的垂直分力(紫色箭頭)較脊背橋大;但脊背橋提供的水平分力(藍色箭頭)較斜張橋大。(電腦繪圖:姚裕評)

 

 

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