錢塘江大橋正橋橋式設計方案的形成與技術要點*

徐裕茹

(1.中國科學院 自然科學史研究所,北京100190;2.中國科學院大學,北京100049)

0 引言

錢塘江大橋位于杭州閘口錢塘江“之”字形轉彎處,是第一座由中國工程師參與設計、建造的公路、鐵路兩用的雙層鋼桁梁橋.錢塘江大橋全長1453米,于1935年正式動工,1937年建成通車.錢塘江大橋的建設不僅貫通了中國東南地區,而且對中國的現代橋梁事業產生了深遠的影響.

橋式即全橋外觀,主要涉及的部分是橋梁的上部結構——鋼梁的布置.橋式的設計方案最能直觀地體現出橋梁設計的特色、難點以及相關技術的時代特征.筆者將從錢塘江大橋設計方案的形成過程中橋式設計內容的變遷入手,分析其在歷次方案修訂中修改和保留的內容,并結合相關的橋梁知識及文獻資料,厘清錢塘江大橋在橋式設計中關注的幾個技術要點,以探究錢塘江大橋的技術特征及其在橋梁技術史上的意義.

1 錢塘江大橋設計方案的形成

在錢塘江建橋的設想最早可追溯到清末,因當時的技術條件所限,未能實現.1921年,時任北洋政府交通部顧問的美國橋梁專家華德爾(J.A.L.Waddell)來華參與京漢鐵路黃河新橋的方案論證,并考察了在長江、黃浦江、錢塘江等地建造大橋的可能性,其中對在錢塘江建橋的考察于1921年10月12日在杭州進行.[1]20世紀30年代,隨著交通和經濟的發展,在錢塘江上建造橋梁以溝通兩岸鐵路、公路的需求日益迫切.1932年底至1933年初,浙江省建設廳水利局對錢塘江地質進行了為期5個月的鉆探工作,論證了建橋可行性,并將鉆探資料寄送給時任國民政府鐵道部顧問的華德爾.1933年8月,華德爾完成了錢塘江大橋最初版本的設計.華德爾將錢塘江大橋設計為一座單層鐵路、公路、人行道并列的桁架鋼橋,總長1872米(6141英尺),正橋包含下承式主梁2孔和上承式旁梁27孔,采用鉚釘連接,并且使用精鋼以減少重量.每座橋墩下打入長木樁至地面42.67米(140英尺)深處,以樁頭觸及堅實土層來承載橋重.[2]這一設計方案被稱為“華德爾計劃”.

“華德爾計劃”完成后,浙江省建設廳在1933年8月成立了錢塘江橋工委員會,對“華德爾計劃”進一步開展研究、修正設計、補充繪制圖表等工作,并在1933年10月發布了《錢塘江建橋計劃書》(以下簡稱“《計劃書》”).《計劃書》繼承了“華德爾計劃”的主體設計思路,將錢塘江大橋設計為1孔主梁、30孔旁梁的平層鐵路、公路、人行道聯合橋,橋墩基礎也用深達42.67米(140英尺)的長木樁.[3]《計劃書》中的18幅設計圖(包括路網、橋址、地勢、江底地質、錢塘江水文、江底變遷、設計標準、全橋概觀、橋身構造、橋基筑法、正橋、橋身伸縮、正橋橋墩、橋基剖面、承鋼桁梁、橋塔及引橋等)均為工務員李洙繪制.

《計劃書》完成后,以茅以升任主任的橋工委員會繼續對設計方案進行比較研究,在1934年初形成了“第二計劃”.[3]在這一階段中,設計方案發生了大的改動,對“華德爾計劃”的總體設計進行了變動,提出了等距橋孔、降低墩距和凈空的設計理念,并擬出了30.48米(100英尺)、36.58米(120英尺)、45.72米(150英尺)、54.86米(180英尺)、67.06米(220英尺)、91.44米(300英尺)六個不等橋孔間距的桁架跨度的設計方案,以供比較.“比較結果,以200呎左右最為經濟.但為減少基工建設上的困難,即決定采用220呎孔間穿架式桁梁.”[4]30“第二計劃”初步提出后,正逢錢塘江橋工委員會改組為錢塘江橋工程處,“三月間聘羅英先生來杭,工作即行緊張.耗兩月之晝夜,始將全部設計完成.”[4]1934年4月15日登報招標,8月20日開標后陸續洽談確定分包方案,11月11日舉行開工典禮.開工典禮上公布的鐵道部與浙江省共同簽發的《錢塘江橋工程說明》[5]和《錢塘江橋籌備報告》[6],可視為最終完成的錢塘江大橋設計方案,即“第二計劃”最終版.其中部分細節較招標時略做微調,并結合了鉆探結果和施工方案,總體上更為完善.

2 錢塘江大橋正橋橋式設計的技術要點

筆者為進一步厘清錢塘江大橋橋式設計過程中所關注的技術要點,主要考察了“華德爾計劃”、《計劃書》和“第二計劃”中關于橋面布置和鋼梁分跨布置方面的細節,為能直觀反映內容差異情況,筆者將各計劃的主要內容整理為表1,此處茲不贅述.其中《計劃書》和“第二計劃”中的全橋外觀示意圖如圖1所示.

表1 錢塘江大橋不同版本橋式設計方案內容對比Tab.1 Comparison of superstructure designs in different versions of Qiantang River Bridge design

圖1 全橋概觀(a)《建橋計劃書》設計圖[7];(b)“第二計劃”效果圖[8]Fig.1 An overview of Qiantang River bridge in(a)Construction Plan and(b)The Second Plan

“華德爾計劃”僅為正橋預留了中間兩個通航孔,通航孔采用下承梁抬高通航凈空,以利船只通行,其余旁梁使用上承梁以降低橋墩建筑高度.在《計劃書》中,江流中泓處的通航孔改為一個.從圖1(a)中也可以看出這是“主梁+旁梁”的形式,主梁與旁梁采用了不同結構的鋼梁.后來這一分跨布置被改成了圖1(b)中16孔華倫式桁梁、相等跨度的形式.

橋式設計上還有另一項明顯的改動:錢塘江大橋在最初決議建橋時,就已經根據交通流量的統計結果,確定了要設計成鐵路、公路、人行道聯合的形式.“華德爾計劃”和增補后的《計劃書》都是單層聯合,后來改為了雙層橋.公鐵聯合橋在20世紀30年代屬于一種新穎的橋式,這也是中國工程界首次嘗試建造雙層公鐵聯合橋.

2.1 橋孔等跨問題

在“華德爾計劃”和《計劃書》中采用“主梁+旁梁”的形式,在江流中泓預留通航孔,使用跨度83.21米(273英尺)的下承梁抬高通航凈空,30.48米(100英尺)的上托式旁梁則不預留通航高度——作為通航孔的主梁比旁梁跨度更大、凈空更高.在“第二計劃”中,鋼梁的重大改變就在于將每一孔鋼梁設置為相等的長度和高度,使所有橋孔尺寸一致,甚至還推出了6種不同長度橋孔的方案,以資橫向對比取舍.

對于將橋孔跨度設置成等長的原因,曾任橋工委主任、橋工處處長的茅以升[9]和橋工處總工程師羅英[10]對此都曾有過論述,歸納如下:

(1)航路方面的考慮.錢塘江河道變化不定,會導致通航的航路發生變遷.盡管閘口處的河道相較于南星橋等處來說較為穩定,但中國工程師們在設計時仍然對此做了預案.為了預防河道變遷而不限制固定的通航孔,這是“華德爾計劃”沒有想到的.

(2)經濟方面的考慮.每一孔橋梁構造一致,則可減少經費,較為經濟.工程經濟問題是每一項工程均須考慮的問題,對于由浙江省與鐵道部自籌經費(而非借用外資)建造的錢塘江大橋,經濟性更是設計時重要的考量內容.

(3)施工方面的考慮.錢塘江大橋鋼梁由道門朗公司在英國統一制造,運抵上海后沿滬杭甬鐵路運至閘口橋址,每一孔鋼梁等長,有利于鋼梁的統一制造,不需規定哪一孔梁安置哪兩座墩,只要橋墩建筑完畢、鋼梁運抵工場即可安裝,遇到戰爭破壞,維修也十分方便.

(4)美觀方面的考慮.每孔橋梁構造一致,肢桿分布均勻,視覺效果簡潔,不損美觀性.

另外,需要注意的是,橋孔等長不僅便于制造、安裝和維修,還與當時的戰爭背景和國防需要有關.羅英后來對此評論說:“……滬杭一帶在強敵壓境、戰事隨時可以爆發的嚴重威脅下,使當時的橋工負責人員并不考慮建橋工程中最主要的技術問題和經濟問題,反而特別注意了橋梁遭受破壞后如何迅速修復的措施,作為決定計劃的重要條件,豈非違反常規”.[11]441可見在錢塘江大橋設計中,除了技術上的考慮,國防需求是一個不可忽視、甚至高于經濟要求的因素.

“第二計劃”中橋孔等跨的設計對橋基鉆探和基礎施工提出了具體的要求:為了在每一橋孔都架設等長的鋼梁,橋墩間距需要保持一致.根據1934年4月橋工處成立之后組織的鉆探工作結果,錢塘江江底南北各是一段相對平緩的石層,這為在每段工程建造相等距離的橋孔提供了必要條件.第6號、第7號橋墩中間石層驟斜,這意味著,只要這兩墩可以在墩址順利建造,其間架設的第7孔鋼梁便也可以維持與其他橋孔等長.墩基建造方案是根據“第二計劃”的橋式設計方案和1934年的鉆探結果制定的,北段墩底沉箱直置于石層,南段墩底沉箱置于基樁,分別由統一方法建筑,為橋孔的一致性提供了保障措施,而且這兩種橋墩建筑的費用也是不相上下的.[10]

2.2 67.06米(220英尺)橋孔的選定

對于在全橋設計上摒棄“華德爾計劃”和對其略做增補的《計劃書》而另謀計劃,除了橋孔等跨問題,橋工委還考慮到設計凈空和墩距可適當降低數據.“墩距在江流深水處,原定至少85公尺,故華德爾博士之設計,采用鐵路、公路平列式,以致橋墩過長,徒增重量,但錢江水淺,不通巨舶,而橋址又在杭州之上游,將來通過橋下之舟楫,未必需要甚寬之墩距;85公尺之限度,似可變更,雖縮至一半,亦無多大妨礙,最后改定為50公尺.……橋身距平時水面原定凈空10.5公尺,依同一理由,經改定為9公尺.”[9]341-351

在重新確定了橋孔等跨、凈空和墩距降低的設計原則后,“華德爾計劃”已難滿足需要,需要另擬全橋設計方案.以茅以升為首的橋工委員會共擬出6種全橋設計方案,并將“華德爾計劃”放置其中,即加上“華德爾計劃”共7種,然后從中優選出67.06米(220英尺)孔間距的“第二設計”.在7種供選擇的等跨橋梁設計方案中,橋工委員會共設計了單層與雙層、簡支梁與翅臂梁、上承梁與下承梁、普通三角桁梁和彎弦等多種可能的配置,如表2.不過,橋工委員會所擬的6種設計方案,是在確立了橋孔等跨、凈空與墩距降低的新設計原則之后,提供的不同參數的方案以資比較.提出各種可能采用的橋式方案,選出最優者,這本來就是橋式方案設計中的一個常規步驟,這與對華德爾計劃內容的取舍不是等同的.而從所列的7種設計方案來看,所謂一同參與比較的“華德爾計劃”,其實指的是“華德爾計劃”和《建橋計劃書》中用作旁梁的30.48米(100英尺)華倫式上托梁(前者共設27孔,后者共設30孔),而不是作為通航孔和設計中最大特色的主梁.

最終選定的方案是220英尺橋孔距離的設計,使用跨度為216英尺的雙層華倫式鉻鋼桁梁.關于選擇思路,根據羅英的記述,是將這幾種鋼架設計方案擬出后,按統一的材料價格對每種橋孔距離的方案在費用上進行比較.鋼料除常用的炭鋼外,還將鉻鋼納入了計算.鉻鋼在20世紀初才開始用作土木工程的建筑鋼料,其在軸向拉力、軸向壓力和剪力等應力方面都比碳鋼性質更優,相同強度下凈重和鉚合工作量都更少,但單價也更高,故從工程經濟的角度考慮,須將重量的減輕和價格的增加綜合計算,才能得出結果.[12]橋工處分別對碳鋼和鉻鋼在不同跨度下的橋梁造價計算出一條價格曲線(圖2),選取兩條曲線最低點的橋孔距值,再二擇其一.“碳鋼單價規定每噸250元,鉻鋼每噸295元,詳細比較,碳鋼以214呎為最經濟,鉻鋼以222呎為最相宜.是以本橋橋孔距離,規定220呎,并采用鉻鋼焉.”[10]最終,“華德爾計劃”中采用精鋼制造鋼桁梁以減輕重量的設想被吸收進了最終設計方案,即錢塘江大橋正橋桁架鋼梁以鉻鋼為主,而抗風梁等小部件仍使用碳鋼以降低成本.之所以沒有全部使用鉻鋼,是因為“照部頒規范書,規定有最小尺寸者,在此限度之中,雖用鉻鋼,亦不能減小斷面,而炭鋼價廉,較為經濟.”[10]在這一點上,橋工人員嚴格執行著規范書要求,決不因任何原因違背標準,哪怕是因提升材料性質而導致的尺寸減小.

表2 錢塘江大橋七種跨度的鋼梁布置Tab.2 Seven possible spans of Qiantang River Bridge

圖2 各種跨度橋價格比較曲線圖[10]Fig.2 Comparative costs of bridge for different span lengths

2.3 雙層式公鐵聯合橋

中國境內的第一座公鐵兩用橋是1932-1934年在東北地區呼海鐵路和拉濱鐵路接軌處修建的哈爾濱三棵樹松花江橋,由日本鐵道省研究所和南滿洲鐵道株式會社合作設計,1933年11月鐵路竣工,1934年9月公路竣工.與錢塘江大橋一樣,三棵樹松花江橋也是一座雙層橋,下層為單線鐵道,上層為雙車道公路,共15孔平弦鋼桁梁,全部由日本制造運來.由于三棵樹松花江橋建設于日本侵占東北之后,設計、建造環節全部由日方完成,故雖為中國境內首座公鐵兩用橋,但與20世紀30年代的中國工程界沒有產生交集,因而沒有發生技術傳播、交流和影響.在這個程度上說,錢塘江大橋雖然在時間上不是中國第一座公鐵聯合橋,但在中國公鐵聯合橋的技術演進脈絡上,是有開創性地位的.

民國以來鐵路、公路新建里程的急速發展,已經使得20世紀30年代的中國土木工程師對公鐵聯合橋這一新穎形式十分關注,并矚意嘗試.羅英在1934年曾專門發表一篇題為《鐵路與公路聯合橋》的論文,[13]列舉介紹了丹麥鐵路大橋、笏克斯堡大橋、阿德克橋等公鐵聯合大橋的橋梁設計和施工方法,以供中國橋梁工程界研究借鑒.文中還提到,截至1934年,中國能供鐵路、公路兩用的大橋僅有正在籌劃修筑的錢塘江大橋一座,①由此可佐證,中國工程界當時對東北已建成的公鐵兩用橋毫不知情.而在當時正開工及未開工的鐵路線中,需要用到公鐵聯合橋的卻有不少,如粵漢線的湘江橋、玉萍線的贛江橋、成渝線的沱江橋等.因此,公鐵聯合大橋在當時確有研究的價值,而錢塘江大橋就是這一橋梁形式的最早實踐者.

根據錢塘江義渡統計,20世紀30年代,錢塘江每日渡江人數約有11000～17000人,其中包括滬杭甬鐵路和杭江鐵路的火車旅客、沿各公路往來浙東浙西的汽車旅客和往來杭州與蕭山的行人.貨物方面,以閘口站和南星橋站的運輸量推算,每年將會有40萬噸以上的貨物過江.因此,不論“華德爾計劃”、《建橋計劃書》還是“第二計劃”,都以兼設鐵路、公路、人行道三種路面為基本建設目標.

一般而言,公路與鐵路聯合布置的方式,有單層公路與鐵路左右并列的;有鐵路在中間、公路用翅臂梁支持分列兩旁的;有公路在上、鐵路在下的;也有鐵路在上、公路在下的.一般須視山川形勢、運輸繁簡等實際情形,詳加研究,才可給出合適的建筑方案.通常來說,單層式橋梁要求橋面要寬,雙層式橋梁要求橋身要高.

“華德爾計劃”和《計劃書》為錢塘江大橋設計了平層并列式結構,而“第二計劃”選用的是公路在上、鐵路在下的雙層式橋.根據羅英的論述,選用雙層橋首先考慮的是山坡、江面地理環境和過橋后公路、鐵路線路接軌的問題,公路線、鐵路線分層而行,可各自連接妥當,避免平交.[13]這是雙層橋能夠實現的必要條件.其次,經費、國防、美觀的需求也成為橋工人員做出決斷的重要因素.(1)美觀考量.工程設計講求大橋成品與周邊景觀的協調,北岸引橋循山而筑,公路自上層分八字而出,鐵路在中間取直線而進,景觀壯麗,符合工程師們制定設計方案時的藝術傾向.(2)戰備考量.這是20世紀30年代十分具有時代特色的一項考慮因素.公路路面由混凝土制成,較為堅固,而鐵路路面僅有枕木和鐵軌,相對脆弱.同時,錢塘江大橋是東南交通網中重要的節點,保障鐵路運輸在戰備時期又具有格外高的戰略意義.因此,設置公路在鐵路之上,則遇飛機投彈時可用公路為鐵路阻擋炮彈,保障戰時鐵路運輸.(3)經濟考量.這主要是為了盡可能降低建筑經費而做出更優化的技術安排.相同路寬的設計下,雙層式相比于單層式減少了一半的橋寬,相應地就減少了一半的橋墩和鋼梁用料.對于這一點,錢塘江大橋總工程師羅英在1959年回憶錢塘江大橋設計工作時,曾著重強調降低經費的必要性:“……查得及大部分費用是用于基礎工程,因此重擬新設計,采用雙層式結構,將橋墩長度減去一半.于是基礎費用大大削減,而鋼料重量也減去不少,估計工料費可能不止超過500萬元.最后決定將橋梁跨度由60.96米(200英尺)加至67.06米(220英尺),正橋鋼材改用鉻鋼.因此橋墩數目既減少,鋼料重量又減輕,預算竟未超過500萬元,而建橋之議得以實現.”[11]441此外,雙層式設計將鐵路置于下層,公路置于上層,也有利于縮短引橋長度.無論是縮短橋長,還是減少用料,都主要是出于節省經費考慮,而盡力從技術上達到目的.在具體設計中,橋工人員采用了多種措施來實現雙層橋的建造目標,并滿足國防和經濟要求,具體來說則是合理利用同一種工程材料實現多種功能.如將鋼梁上方橫向的抗風梁用作公路托梁、用混凝土鋪設公路路面以增強對鐵路安全的保護;根據公路、鐵路合并載重,適當修正計算參數,除直橫托梁外鋼料單位應力均增加12.5%、鋼架高度設計預留足夠鐵路凈空等.

由雙層式公鐵聯合橋設計方案的制定可以看出,即使錢塘江建橋是為了交通與聯絡的目的,也不得不受國防和經濟因素的制約.但也恰恰是因為這些制約,反過來也促使了技術不斷調試以達到這些制約所提出的苛刻要求,從而在技術上取得進一步發展.

3 結語

錢塘江大橋正橋橋式設計是錢塘江大橋設計方案的重要內容.自1933年起,茅以升、羅英帶領的橋工委、橋工處的工程師們在消化吸收美國橋梁專家華德爾設計的基礎上,經過縝密的計算和多種方案的對比研究,對“華德爾計劃”中雙孔航道、公鐵平層并列的設計思路提出了重大改變,最終形成“第二計劃”方案,實現了第一次由中國工程技術團隊完成的大型橋梁工程設計.

錢塘江大橋正橋橋式設計具有以下技術特點:

(1)從交通需求、環境地理、江面水文以及經費、外觀、國防軍事的考量出發,錢塘江大橋的正橋橋式確定了采用雙層公鐵聯合橋的設計方案,實現了浙東、浙西人車貨運便利互通和顯著降低工程造價的建設目標.這是中國工程界對公鐵聯合橋最早的嘗試,為此后的武漢長江大橋、南京長江大橋等雙層公鐵聯合橋積累了設計經驗.

(2)經過對7種不同跨度橋孔方案的對比研究,錢塘江大橋正橋確定了采用16孔等跨橋孔的設計方案,保障了錢塘江河道不定導致航路變遷時的船只通行,并選擇形制統一的216英尺華倫式平行肢桿桁梁,為鋼梁的標準化制造、降低造價、方便運輸和安裝維修創造了有利條件.

(3)橋梁建設需要耗費大量鋼材.在20世紀30年代的中國,建造大跨度橋梁所需的鋼料大多依賴進口,這使得鋼料成本成為制約橋梁設計的重要影響因素.錢塘江大橋橋工人員在雙層橋的設計中,為了提高大橋質量、控制造價并嚴格遵循國家規范,確定正橋桁梁材質以鉻鋼為主、碳鋼為輔,較好地平衡了鋼料的性能、價格與耗費量的關系,為正在逐步走向獨立的中國橋梁工程界積累了技術經濟方面的經驗.

錢塘江大橋的正橋橋式設計遵從了橋梁工程常規的設計步驟,從華德爾方案到橋工委補充落實成《建橋計劃書》,再到橋工處重新設計完善的“第二計劃”,總共用時近兩年完成.這是中國工程人才在主導設計一座現代化公鐵聯合大橋上的一項具有開創性的成功實踐,也是一次極為寶貴的建橋經驗積累.

致謝:感謝導師關曉武研究員在本文撰寫過程中的耐心指導,同時感謝張柏春、孫烈、方一兵、李明洋、李兵的指點和幫助.