不怕大洪水的斜張橋

  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

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,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。

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,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
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;鋼纜也分輻射狀、豎形、扇形等多種排列,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。

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」。

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。

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,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。

延伸閱讀
《斜張橋》,蔡俊鐿編,科技圖書出版
高二課本《物理》上冊

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