什么是自锚式悬索桥？

典型的自锚式悬索桥构成，如图1所示。一眼看上去，其与传统的地锚式悬索桥（以下简称为悬索桥）相比几乎一样，不同的是，自锚式悬索桥的主缆是锚固于主梁（或加劲梁）的两端，而不像悬索桥那样固定于锚碇。

图1 典型的自锚式悬索桥的构成

因主缆锚固于梁端，这就使得自锚式悬索桥的主梁不仅承受竖向荷载，还得承受水平荷载（图1中箭头所示），于是，梁的稳定性就成为这一桥式在设计中需要考虑的主要问题。也正因为如此，这一桥式的缆、梁受力互为关联，设计时需要在主梁稳定性与主缆索力之间寻求平衡。

一般而言，可以把自锚式悬索桥视为悬索桥的一个特例。与悬索桥相比，自锚式悬索桥在外观上相差无几，在构造上主缆较柔细而主梁则较刚劲，在受力上则表现为缆-梁组合结构的特点。

顺便也讨论一下自锚式悬索桥中的“梁”的称谓。在悬索桥中，加劲梁不是主要承重构件，而在自锚式悬索桥中，梁却是主要承重构件之一。因此，称自锚式悬索桥中的梁为“主梁”而非“加劲梁”，更为合适。

自锚式悬索桥的发展

自锚式悬索桥的构想，由来已久。1859年，奥地利工程师约瑟夫·朗格尔（Josef Langer）首次提出了一种用缆加劲的桁梁方案（图2a），并把这一方案应用于Wrsowicer铁路桥（1870年建成，位于维也纳弗朗茨·约瑟夫车站附近，早已不存）。朗格尔擅长将不同的结构组合起来。1858年，他曾提出在等高钢板梁铁路桥上增设柔性拱，用来加劲钢梁，这就是后来的“刚性系杆柔性拱”。对Wrsowicer桥，他采用较柔的主缆（并未全桥贯通）和吊索来加劲钢桁梁，并将桁梁两端竖向锚固于墩台。

图2 自锚式悬索桥的起源

1867年，美国工程师查尔斯·本德（Charles Bender）独自获得了自锚式悬索桥的专利。图2b所示为原始专利中的插图。尽管这一专利并未投入实用，但从图2b中还是可看出，本德的思路与朗格尔类同，即采用较柔的主缆来加劲较刚劲的主梁。

今天，桥梁工程界把朗格尔和本德视为自锚式悬索桥的创始者。

图3所示，为笔者根据所能搜集到的国内外自锚式悬索桥资料，绘制的桥梁建成年份与跨度的关系图。据此，可把自锚式悬索桥的发展分成以下三个阶段。

图3 中外自锚式悬索桥建设概况

阶段I：19世纪末——20世纪50年代

这一阶段建造的桥梁，主要分布在德、美、奥地利、比利时、法、英等国，总数约26座。

第一座真正意义上的自锚式悬索桥，是德国的Mühlenthor桥。该桥采用钢桁梁和钢眼杆主缆（全桥贯通），主跨42m，建成于1899年，见图4。

图4 德国Mühlenthor桥现状

20世纪20-40年代，是这一时期的建设高潮。1915年，德国建成科隆道依泽尔（Deutzer）自锚式悬索桥，主跨185m。1926-28年，美国在匹兹堡建造的“三姐妹”桥，均采用熟铁链杆作为主缆（图5），均采用悬臂法施工（图6），是美国最早建造的一批自锚式悬索桥。

图5 美国三姐妹桥之一的安迪沃霍尔（Andy Warhol）桥

图6 悬臂法架设安迪沃霍尔桥

欧洲（主要是德国）在这一时期建造了一些大跨度自锚式悬索桥，但几乎都遭到战争毁坏，例如，德国的科隆-米尔海姆莱茵河桥（1927年建成，主跨315m），贝尔格莱德的亚历山大国王桥（1934年建成，主跨261m）等。战后重建时，似乎只有一座桥仍采用了原桥式，这就是德国的Krefeld-Uerdinger桥。这桥原名鲁道夫希特勒桥，主跨250m，跨越莱茵河，1936年采用悬臂法建成，1945年被德军自行炸毁，1950年再次开通，见图7。

图7 德国Krefeld-Uerdinger桥现状

重建中替代旧桥的桥式，均为梁桥。例如，德国的道依泽尔（Deutzer）自锚式悬索桥，在二战中受损，在1945年的修复过程中垮塌，1948年改建成世界上第一座钢箱梁桥，其用钢量仅为老桥的61%。1937 建成的奥地利维也纳帝国桥，主跨 241m，在1976年8月1日毫无征兆地垮掉了（事后分析主要是因为支座失效）。1980年开通的新桥，主跨169m，采用双层桥面预应力混凝土箱梁结构。

这一时期建造的自锚式悬索桥，主缆多为钢制链杆，主梁为桁梁、板梁和箱梁钢结构。但在法国和比利时，也开始尝试中小跨度的混凝土自锚式悬索桥。1932年，法国率先建成格罗雷亚克桥（图8，主跨70m），1950建造了一座跨度58m的铁路跨线桥。在比利时，从1955-1964年间，前后建造了三座混凝土自锚式悬索桥，最大跨度100m。

图8 法国格罗雷亚克桥

在亚洲国家中，只有日本在1928年建成了一座跨度91.4m的青洲桥。

从图3可见，因损毁、改建或关闭废弃的自锚式悬索桥，共有8座，约占总数的1/3。另外，战后重建的桥梁，也大多改为梁桥。可见，自锚式悬索桥这一桥式并未得到众多桥梁工程师的持续关注，似乎更未受到青睐。

阶段II：20世纪60年代——20世纪80年代

这一时期基本上是自锚式悬索桥发展的空窗期。除了1964年比利时建造的一座混凝土桥（主跨100m）和1977年德国建造的一座人行桥（独塔，空间双主缆，主跨51m）外，别无其他。因为，更为壮观的斜拉桥的兴起，更为经济的大跨梁桥的发展，连带更为先进的悬臂施工方法的普及，使得自锚式悬索桥失去了吸引力和竞争力，于是大家对这一桥式慢慢就淡忘了。

阶段III：20世纪90年代至今

随着世界经济发展以及桥梁审美热情的提高，自锚式悬索桥又重新获得了桥梁工程师们的关注。1990年，日本建成此花大桥（图9）。这桥主跨300m，单缆，斜吊索，扁平钢箱梁。到2000年，韩国建成永宗大桥。这桥为公铁两用，双层桥面（上层6车道，下层4车道和双线铁路），主跨300m；布置空间双主缆，以及扁平钢箱与桁架组合截面（图10）。

图9 日本此花大桥

图10 韩国永宗大桥

日韩这两座桥的建成，再次引起业界（尤其是中国）对自锚式悬索桥的关注。但很容易观察到，尽管日韩是再启自锚式悬索桥建设的先锋，却并没有出现一窝蜂现象。近30年来，只有韩国在2008年建成一座连接小鹿岛的自锚式悬索桥（主跨250m，单缆直吊索，钢箱梁）。

在欧美，这一时期新建成的公路自锚式悬索桥只有3座，美、德、西班牙各一座。2013年建成的美国旧金山奥克兰海湾新桥，其主桥是当时世界上跨度最大的独塔自锚式悬索桥（图11）。这桥主跨385m，边跨180m，突出特点是：美观的建筑造型，可抵抗强震的桥塔，只在主桥一端锚固的空间主缆，分离式钢箱梁等。

图11 美国旧金山奥克兰海湾新桥

欧美国家对采用这一桥式建造跨度不大的人行（及自行车）桥，似乎更感兴趣。这些人行桥的设计大胆新颖，充分利用桥塔、缆索、主梁的变化组合，赋予自锚式悬索桥更多的美学元素和人文色彩。例如，图12所示的北爱尔兰的和平桥，2011 年建成，主跨96.3m，通过反向倾斜的桥塔、反S状钢箱梁与单根空间缆的结合，创造出平衡稳定且造型别致的桥梁作品。

图12 北爱尔兰和平桥

最后看看中国的情况。中国的自锚式悬索桥建设，始于20世纪末。1999年，浙江诸暨市建成浣江桥（人行桥，独塔双索面，主跨70.6m，钢管桁梁）。接下来，出现了争先恐后竞相建设自锚式悬索桥的局面。据笔者不完全统计，至今所建的桥梁总数已近70座。用“井喷”来形容这一现象，似乎也不为过。

在跨度发展方面，先是从小跨度起步，但很快就突进到大跨度领域。2006建成的长沙湘江三汊矶大桥（钢主梁），主跨328m。同年建成的佛山平胜大桥（独塔，四根主缆，结合梁），主跨达350m。2013年建成的郑州桃花峪黄河公路大桥，把主跨提升到了406m，见图13。在建的重庆鹅公岩轨道交通环线专用桥，主跨达到空前的600m。

图13 郑州桃花峪黄河公路大桥

与地锚式悬索桥相比，自锚式悬索桥为桥梁建筑造型（尤其是桥塔）提供了更大的空间。有一部分桥梁较好地协调了建筑造型与桥位处自然和人文环境关系，获得了满意的美学效果。广州猎德大桥（图14）可看作是其中的一个代表。

图14 广州猎德大桥

在结构构造方面，自锚式悬索桥显得更加灵活。结合主梁材料、跨径划分、主缆布置、桥塔造型等，可构造出多样的外观形式。例如，在立面布置上，除了传统的双塔三跨外，还可采用独塔双跨或多跨，以及三塔多跨的形式。独塔的应用已十分普遍，如南京江心洲夹江大桥（主跨248m，混合梁，2008年），福州鼓山大桥（主跨235m，钢箱梁，2010年），青岛海湾大桥大沽河航道桥（主跨260m，分离式钢箱梁，2011年，见压题照片）等。三塔也开始得到应用，如银川滨河黄河大桥（主跨218m，结合梁，2016年，图15），山西临汾洰河桥（主跨168m，结合梁，在建）等。

图15 银川滨河黄河大桥

总体而言，中国建造的自锚式悬索桥，在跨度发展、建筑造型、结构构造等方面，都做出了有益的尝试和突破。

自锚式悬索桥的特点

自锚式悬索桥为多次超静定的缆-梁组合体系，在外荷载作用下，主缆和主梁共同受力、相互影响。主缆和主梁设计参数的变化，会对整个结构体系受力产生明显影响。

不论对地锚式还是自锚式悬索桥，最主要的设计参数之一，是垂跨比或矢跨比（f/L）。采用小的垂跨比，有利于增加结构刚度，降低桥塔高度，但会增大主缆索力；反之亦然。工程设计中，需要通过多方案比较，从中选出合适的垂跨比。

大跨悬索桥的主缆垂跨比，常取1/10，大部分桥梁的取值在1/11～1/9之间。自锚式悬索桥（只计入1990年后建造的部分桥梁，没有计入独塔桥）的主跨/垂度比值资料，见图16。从图中可见，不论主梁材料和构造如何，主跨的垂跨比均位于1/8～1/4之间，大部分位于1/7～1/5之间。

图16 自锚式悬索桥的垂跨比数据

1990年之前建造的部分桥梁（计15座）的垂跨比数据是：2座位于1/8（含）～1/6之间，12座位于1/10～1/8之间，1座约为1/11。可见，现代自锚式悬索桥的垂跨比取值，与传统者相比，有一定增加。

另一个重要的设计参数，是高跨比。自锚式悬索桥的主梁，构造上包括钢梁、混凝土梁、结合梁和混合梁（其在主跨通常为钢梁或结合梁）。图17所示为自锚式悬索桥（只计入1990年后建造的部分桥梁）主跨长与梁高的比值。可见：第一，大部分比值位于100以下，个别在120上下；第二，钢梁（含结合梁）的比值较大，而混凝土梁的比值较小。

图17 自锚式悬索桥的高跨比数据

1990年之前建造的部分桥梁（计14座）的比值数据是：最大82，最小21，其余的介于两者之间。可见，早期修建的自锚式悬索桥，主梁相对更为刚劲。

与现代悬索桥的高跨比数据相比，可看出自锚式悬索桥的主梁更为刚劲。例如，虎门大桥（钢箱）的高跨比为295，汕头海湾大桥（混凝土箱梁）205，舟山西堠门大桥（分离式钢箱）471，武汉鹦鹉洲长江大桥（结合梁）283，武汉杨泗港长江大桥（钢桁梁，双层桥面）170，在建的土耳其恰纳卡莱1915大桥（分离式钢箱）578。

其他设计参数，如边中跨比、宽跨比等，就不一一讨论了。

简而言之，自锚式悬索桥的设计，宜采用较为刚劲的主梁，以确保压弯扭共同作用下的结构静动力稳定；采用较柔的主缆（选择较大的垂跨比），以减小主缆拉力以及传递给主梁的水平压力，同时减小主缆截面及锚固构造的尺寸。

再来看看施工。自锚式悬索桥的施工顺序通常为“先梁后缆”，即先架设主梁，再安装主缆等。架设主梁的方法，一类是支架法（含与其他方法的综合运用），一类是悬臂法。

在无水或浅水之处，或对中小跨度的混凝土现浇主梁，多采用满堂支架法，但其不宜用于桥面过高的大跨桥梁或较深水域。为适应高桥面、深水、通航等情况，可设置临时支墩，采用顶推（如桃花峪黄河大桥，平胜大桥，古田大桥等）、大件浮吊（如此花大桥，永宗大桥，大沽河航道桥等）等方法架梁。

悬臂法曾用于建造自锚式链杆悬索桥。例如，美国的安迪沃霍尔桥（图6），主梁采用下承式板梁，施工时将梁、链杆、吊索、临时构件组成桁架，单悬臂法拼装。德国Krefeld-Uerdinger桥（图7），因钢桁主梁刚劲，直接采用悬臂法，连同链杆和吊索一起拼装（配置了斜向拉索）。

这样的悬臂法，自然不适于采用平行钢丝索股制缆的自锚式悬索桥。那参照斜拉桥施工，采用临时斜拉索拼装主梁是否可行？答案是肯定的。第一座如此架设的自锚式悬索桥，是德国杜伊斯堡的Friedrich-Ebert桥（主跨285.5m，钢板梁，1954年，图18）。另一座桥就是重庆鹅公岩轨道交通环线专用桥（主跨600m，钢箱梁，在建，图19）。不过，笔者以为，这种先建“斜拉桥”，再转换成自锚式悬索桥的做法，不仅难以阐明选择自锚式悬索桥的合理性，而且建造费用不菲，只宜在极特殊情况下采用。

图18 德国Friedrich-Ebert桥主梁单悬臂拼装

图19 重庆鹅公岩轨道交通环线专用桥（左）主梁单悬臂拼装（史文哲摄）

也有按“先缆后梁”的工序建造自锚式悬索桥的尝试或研究。2003年在苏州建造的一座主跨90m的桥，借助两岸的临时锚碇，实现了主梁的无支架施工。有文献建议，在自锚式悬索桥的边墩附近，临时增加辅助墩，共同起到临时锚碇的作用。从概念上讲，设置临时锚碇，与“自锚”相悖。若跨度小，可选择其他架梁方式满足条件不高的通航要求；若跨度大且有条件设锚，则不如直接做成悬索桥。

自锚式悬索桥的长处和不足，大体如下。

长处：（1）无需修建锚碇；（2）对桥面较高的情况，可省略从桥面到地面锚碇的主缆；需要强调的是，这两条优点，仅仅是针对同级别跨度的悬索桥而言的；（3）在中小跨度范围内也可展现出主缆的曲线美特征，不高的桥塔也适于景观造型；（4）结构布置形式灵活多样。

不足：（1）需在临时支架或支墩上施工主梁，体系转换过程较繁琐，建造费时费力费财；（2）梁端锚固体的构造和应力分布复杂，可靠性要求高；（3）主梁受力不尽合理，难以或不宜向更大跨度发展。

讨论与建议

依笔者之见，无论中外，无论过去还是现在，建造自锚式悬索桥，既不是出于经济因素（不是为了更节省），也不是出于技术考虑（不是为了更先进合理），而是出于心理需求（为了新奇美观）。

从图3可以看出，近20年来，国外对建造自锚式悬索桥的热情，远远没有我国的高。我们为何更热衷于建造自锚式悬索桥？可能的答案是：为了美观，或为了满足“一桥一景”之类的城市景观需求，或为了填补本地区本城市的桥型空白，或为了争取某项“第一”。

我国自锚式悬索桥的建设发展，势头未减。对此，提出几点个人浅见。

1、需要算清楚“美的代价”

目前我国经济实力较为强大，多花一些钱，做一些看起来新奇一点的自锚式悬索桥，或者把桥梁造型做得更美观一些，无可厚非。只是，需要协调好经济与美观的矛盾，需要掂量掂量“美的代价”。

忽略或弱化技术和经济因素，一味地追求桥梁美，就可能在投资上让社会消受不起。举一个例子。据笔者了解的信息，美国的旧金山奥克兰海湾新桥（图11），1997年估算的造价是13亿（美元，下同），其中自锚式悬索桥的造价约占60%，即7.8亿。到2001年重新估算时，全桥造价26亿，其中悬索桥部分为14亿，占比约54%。到2005年再次估价时，全桥为51亿。完工后的全桥最终造价，则达到64亿。最终造价中，用于自锚式悬索桥的具体数字不详；但若按占比55%估算，则是35.2亿（有资料显示，其中支架花费2.5亿）。按旧金山纪事报特约记者Jaxon Van Derbeken的说法，选择自锚式悬索桥方案（没有选择更为合理的斜拉桥方案）带来的工程挑战，以及因政治上的扯皮争吵、材料供应和构件制造等原因导致的工期延宕，导致了过度的成本超支。

2、不宜追求大跨度

有三点理由：第一，大跨悬索桥的加劲梁，因不是主要承重构件，尽管材料用量不少，但其截面并不需要随着主跨的增加而做出多大改变。自锚式悬索桥的主梁设计，却与跨度的关系更为密切。类似于其他桥式，自锚式悬索桥也应该有一个相对合理的跨度区间。第二，跨度越大，主梁稳定性问题越突出，解决问题的代价会越大。第三，更大跨的自锚式悬索桥，必定用于跨越大江大河，若采用支架法施工，不仅难度大费用高，甚至难以实现。

把跨度做大一些，技术上没有明显障碍，但要衡量一下经济上合不合算，在更大跨度领域内是否具备竞争力。为了做大而做大的想法，应断然摈弃。

3、桥塔的造型，宜以现代风格为主

从已建成的桥梁看，自锚式悬索桥的桥塔均是造型重点。大部分桥塔造型效果良好，有一些却值得探讨。一类是构形和线条较为复杂、呈尖顶状的“古典风格”，其不免让人联想到欧洲近代建筑。一类是具象较直白的“地方风格”，其通常是将代表地方特色的建筑移植到塔上。

每座桥塔的造型，应该都有其历史或文化背景支撑，难分优劣。即便如此，笔者还是建议，自锚式悬索桥的桥塔造型，宜以“现代风格”为主。笔者理解的“现代风格”，是基于结构需求布置构件，基于当代美学原则优化构形，基于意象手法表现桥塔造型与地域文化的联系（若需要），整体上表现出当代桥梁的简约风格。

（作者注：本文参考了诸多文献资料，不一一列出，在此一并致谢！）