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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
【科學Easy Learn網路版
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。
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