錢塘江大橋正橋橋式設(shè)計(jì)方案的形成與技術(shù)要點(diǎn)*

徐裕茹

(1.中國(guó)科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所,北京100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

0 引言

錢塘江大橋位于杭州閘口錢塘江“之”字形轉(zhuǎn)彎處,是第一座由中國(guó)工程師參與設(shè)計(jì)、建造的公路、鐵路兩用的雙層鋼桁梁橋.錢塘江大橋全長(zhǎng)1453米,于1935年正式動(dòng)工,1937年建成通車.錢塘江大橋的建設(shè)不僅貫通了中國(guó)東南地區(qū),而且對(duì)中國(guó)的現(xiàn)代橋梁事業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響.

橋式即全橋外觀,主要涉及的部分是橋梁的上部結(jié)構(gòu)——鋼梁的布置.橋式的設(shè)計(jì)方案最能直觀地體現(xiàn)出橋梁設(shè)計(jì)的特色、難點(diǎn)以及相關(guān)技術(shù)的時(shí)代特征.筆者將從錢塘江大橋設(shè)計(jì)方案的形成過(guò)程中橋式設(shè)計(jì)內(nèi)容的變遷入手,分析其在歷次方案修訂中修改和保留的內(nèi)容,并結(jié)合相關(guān)的橋梁知識(shí)及文獻(xiàn)資料,厘清錢塘江大橋在橋式設(shè)計(jì)中關(guān)注的幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn),以探究錢塘江大橋的技術(shù)特征及其在橋梁技術(shù)史上的意義.

1 錢塘江大橋設(shè)計(jì)方案的形成

在錢塘江建橋的設(shè)想最早可追溯到清末,因當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件所限,未能實(shí)現(xiàn).1921年,時(shí)任北洋政府交通部顧問(wèn)的美國(guó)橋梁專家華德?tīng)?J.A.L.Waddell)來(lái)華參與京漢鐵路黃河新橋的方案論證,并考察了在長(zhǎng)江、黃浦江、錢塘江等地建造大橋的可能性,其中對(duì)在錢塘江建橋的考察于1921年10月12日在杭州進(jìn)行.[1]20世紀(jì)30年代,隨著交通和經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(shè)廳水利局對(duì)錢塘江地質(zhì)進(jìn)行了為期5個(gè)月的鉆探工作,論證了建橋可行性,并將鉆探資料寄送給時(shí)任國(guó)民政府鐵道部顧問(wèn)的華德?tīng)?1933年8月,華德?tīng)柾瓿闪隋X塘江大橋最初版本的設(shè)計(jì).華德?tīng)枌㈠X塘江大橋設(shè)計(jì)為一座單層鐵路、公路、人行道并列的桁架鋼橋,總長(zhǎng)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(zhǎng)木樁至地面42.67米(140英尺)深處,以樁頭觸及堅(jiān)實(shí)土層來(lái)承載橋重.[2]這一設(shè)計(jì)方案被稱為“華德?tīng)栍?jì)劃”.

“華德?tīng)栍?jì)劃”完成后,浙江省建設(shè)廳在1933年8月成立了錢塘江橋工委員會(huì),對(duì)“華德?tīng)栍?jì)劃”進(jìn)一步開展研究、修正設(shè)計(jì)、補(bǔ)充繪制圖表等工作,并在1933年10月發(fā)布了《錢塘江建橋計(jì)劃書》(以下簡(jiǎn)稱“《計(jì)劃書》”).《計(jì)劃書》繼承了“華德?tīng)栍?jì)劃”的主體設(shè)計(jì)思路,將錢塘江大橋設(shè)計(jì)為1孔主梁、30孔旁梁的平層鐵路、公路、人行道聯(lián)合橋,橋墩基礎(chǔ)也用深達(dá)42.67米(140英尺)的長(zhǎng)木樁.[3]《計(jì)劃書》中的18幅設(shè)計(jì)圖(包括路網(wǎng)、橋址、地勢(shì)、江底地質(zhì)、錢塘江水文、江底變遷、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、全橋概觀、橋身構(gòu)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(wù)員李洙繪制.

《計(jì)劃書》完成后,以茅以升任主任的橋工委員會(huì)繼續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較研究,在1934年初形成了“第二計(jì)劃”.[3]在這一階段中,設(shè)計(jì)方案發(fā)生了大的改動(dòng),對(duì)“華德?tīng)栍?jì)劃”的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了變動(dòng),提出了等距橋孔、降低墩距和凈空的設(shè)計(jì)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(gè)不等橋孔間距的桁架跨度的設(shè)計(jì)方案,以供比較.“比較結(jié)果,以200呎左右最為經(jīng)濟(jì).但為減少基工建設(shè)上的困難,即決定采用220呎孔間穿架式桁梁.”[4]30“第二計(jì)劃”初步提出后,正逢錢塘江橋工委員會(huì)改組為錢塘江橋工程處,“三月間聘羅英先生來(lái)杭,工作即行緊張.耗兩月之晝夜,始將全部設(shè)計(jì)完成.”[4]1934年4月15日登報(bào)招標(biāo),8月20日開標(biāo)后陸續(xù)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(fā)的《錢塘江橋工程說(shuō)明》[5]和《錢塘江橋籌備報(bào)告》[6],可視為最終完成的錢塘江大橋設(shè)計(jì)方案,即“第二計(jì)劃”最終版.其中部分細(xì)節(jié)較招標(biāo)時(shí)略做微調(diào),并結(jié)合了鉆探結(jié)果和施工方案,總體上更為完善.

2 錢塘江大橋正橋橋式設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

筆者為進(jìn)一步厘清錢塘江大橋橋式設(shè)計(jì)過(guò)程中所關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn),主要考察了“華德?tīng)栍?jì)劃”、《計(jì)劃書》和“第二計(jì)劃”中關(guān)于橋面布置和鋼梁分跨布置方面的細(xì)節(jié),為能直觀反映內(nèi)容差異情況,筆者將各計(jì)劃的主要內(nèi)容整理為表1,此處茲不贅述.其中《計(jì)劃書》和“第二計(jì)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(shè)計(jì)方案內(nèi)容對(duì)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(jì)劃書》設(shè)計(jì)圖[7];(b)“第二計(jì)劃”效果圖[8]Fig.1 An overview of Qiantang River bridge in(a)Construction Plan and(b)The Second Plan

“華德?tīng)栍?jì)劃”僅為正橋預(yù)留了中間兩個(gè)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(jì)劃書》中,江流中泓處的通航孔改為一個(gè).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(jié)構(gòu)的鋼梁.后來(lái)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(shè)計(jì)上還有另一項(xiàng)明顯的改動(dòng):錢塘江大橋在最初決議建橋時(shí),就已經(jīng)根據(jù)交通流量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,確定了要設(shè)計(jì)成鐵路、公路、人行道聯(lián)合的形式.“華德?tīng)栍?jì)劃”和增補(bǔ)后的《計(jì)劃書》都是單層聯(lián)合,后來(lái)改為了雙層橋.公鐵聯(lián)合橋在20世紀(jì)30年代屬于一種新穎的橋式,這也是中國(guó)工程界首次嘗試建造雙層公鐵聯(lián)合橋.

2.1 橋孔等跨問(wèn)題

在“華德?tīng)栍?jì)劃”和《計(jì)劃書》中采用“主梁+旁梁”的形式,在江流中泓預(yù)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(yù)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(jì)劃”中,鋼梁的重大改變就在于將每一孔鋼梁設(shè)置為相等的長(zhǎng)度和高度,使所有橋孔尺寸一致,甚至還推出了6種不同長(zhǎng)度橋孔的方案,以資橫向?qū)Ρ热∩?

對(duì)于將橋孔跨度設(shè)置成等長(zhǎng)的原因,曾任橋工委主任、橋工處處長(zhǎng)的茅以升[9]和橋工處總工程師羅英[10]對(duì)此都曾有過(guò)論述,歸納如下:

(1)航路方面的考慮.錢塘江河道變化不定,會(huì)導(dǎo)致通航的航路發(fā)生變遷.盡管閘口處的河道相較于南星橋等處來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定,但中國(guó)工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)仍然對(duì)此做了預(yù)案.為了預(yù)防河道變遷而不限制固定的通航孔,這是“華德?tīng)栍?jì)劃”沒(méi)有想到的.

(2)經(jīng)濟(jì)方面的考慮.每一孔橋梁構(gòu)造一致,則可減少經(jīng)費(fèi),較為經(jīng)濟(jì).工程經(jīng)濟(jì)問(wèn)題是每一項(xiàng)工程均須考慮的問(wèn)題,對(duì)于由浙江省與鐵道部自籌經(jīng)費(fèi)(而非借用外資)建造的錢塘江大橋,經(jīng)濟(jì)性更是設(shè)計(jì)時(shí)重要的考量?jī)?nèi)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(guó)統(tǒng)一制造,運(yùn)抵上海后沿滬杭甬鐵路運(yùn)至閘口橋址,每一孔鋼梁等長(zhǎng),有利于鋼梁的統(tǒng)一制造,不需規(guī)定哪一孔梁安置哪兩座墩,只要橋墩建筑完畢、鋼梁運(yùn)抵工場(chǎng)即可安裝,遇到戰(zhàn)爭(zhēng)破壞,維修也十分方便.

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

另外,需要注意的是,橋孔等長(zhǎng)不僅便于制造、安裝和維修,還與當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)爭(zhēng)背景和國(guó)防需要有關(guān).羅英后來(lái)對(duì)此評(píng)論說(shuō):“……滬杭一帶在強(qiáng)敵壓境、戰(zhàn)事隨時(shí)可以爆發(fā)的嚴(yán)重威脅下,使當(dāng)時(shí)的橋工負(fù)責(zé)人員并不考慮建橋工程中最主要的技術(shù)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,反而特別注意了橋梁遭受破壞后如何迅速修復(fù)的措施,作為決定計(jì)劃的重要條件,豈非違反常規(guī)”.[11]441可見(jiàn)在錢塘江大橋設(shè)計(jì)中,除了技術(shù)上的考慮,國(guó)防需求是一個(gè)不可忽視、甚至高于經(jīng)濟(jì)要求的因素.

“第二計(jì)劃”中橋孔等跨的設(shè)計(jì)對(duì)橋基鉆探和基礎(chǔ)施工提出了具體的要求:為了在每一橋孔都架設(shè)等長(zhǎng)的鋼梁,橋墩間距需要保持一致.根據(jù)1934年4月橋工處成立之后組織的鉆探工作結(jié)果,錢塘江江底南北各是一段相對(duì)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(hào)、第7號(hào)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(shè)的第7孔鋼梁便也可以維持與其他橋孔等長(zhǎng).墩基建造方案是根據(jù)“第二計(jì)劃”的橋式設(shè)計(jì)方案和1934年的鉆探結(jié)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(tǒng)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(fèi)用也是不相上下的.[10]

2.2 67.06米(220英尺)橋孔的選定

對(duì)于在全橋設(shè)計(jì)上摒棄“華德?tīng)栍?jì)劃”和對(duì)其略做增補(bǔ)的《計(jì)劃書》而另謀計(jì)劃,除了橋孔等跨問(wèn)題,橋工委還考慮到設(shè)計(jì)凈空和墩距可適當(dāng)降低數(shù)據(jù).“墩距在江流深水處,原定至少85公尺,故華德?tīng)柌┦恐O(shè)計(jì),采用鐵路、公路平列式,以致橋墩過(guò)長(zhǎng),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(lái)通過(guò)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(wú)多大妨礙,最后改定為50公尺.……橋身距平時(shí)水面原定凈空10.5公尺,依同一理由,經(jīng)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(shè)計(jì)原則后,“華德?tīng)栍?jì)劃”已難滿足需要,需要另擬全橋設(shè)計(jì)方案.以茅以升為首的橋工委員會(huì)共擬出6種全橋設(shè)計(jì)方案,并將“華德?tīng)栍?jì)劃”放置其中,即加上“華德?tīng)栍?jì)劃”共7種,然后從中優(yōu)選出67.06米(220英尺)孔間距的“第二設(shè)計(jì)”.在7種供選擇的等跨橋梁設(shè)計(jì)方案中,橋工委員會(huì)共設(shè)計(jì)了單層與雙層、簡(jiǎn)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(guò),橋工委員會(huì)所擬的6種設(shè)計(jì)方案,是在確立了橋孔等跨、凈空與墩距降低的新設(shè)計(jì)原則之后,提供的不同參數(shù)的方案以資比較.提出各種可能采用的橋式方案,選出最優(yōu)者,這本來(lái)就是橋式方案設(shè)計(jì)中的一個(gè)常規(guī)步驟,這與對(duì)華德?tīng)栍?jì)劃內(nèi)容的取舍不是等同的.而從所列的7種設(shè)計(jì)方案來(lái)看,所謂一同參與比較的“華德?tīng)栍?jì)劃”,其實(shí)指的是“華德?tīng)栍?jì)劃”和《建橋計(jì)劃書》中用作旁梁的30.48米(100英尺)華倫式上托梁(前者共設(shè)27孔,后者共設(shè)30孔),而不是作為通航孔和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),使用跨度為216英尺的雙層華倫式鉻鋼桁梁.關(guān)于選擇思路,根據(jù)羅英的記述,是將這幾種鋼架設(shè)計(jì)方案擬出后,按統(tǒng)一的材料價(jià)格對(duì)每種橋孔距離的方案在費(fèi)用上進(jìn)行比較.鋼料除常用的炭鋼外,還將鉻鋼納入了計(jì)算.鉻鋼在20世紀(jì)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(yīng)力方面都比碳鋼性質(zhì)更優(yōu),相同強(qiáng)度下凈重和鉚合工作量都更少,但單價(jià)也更高,故從工程經(jīng)濟(jì)的角度考慮,須將重量的減輕和價(jià)格的增加綜合計(jì)算,才能得出結(jié)果.[12]橋工處分別對(duì)碳鋼和鉻鋼在不同跨度下的橋梁造價(jià)計(jì)算出一條價(jià)格曲線(圖2),選取兩條曲線最低點(diǎn)的橋孔距值,再二擇其一.“碳鋼單價(jià)規(guī)定每噸250元,鉻鋼每噸295元,詳細(xì)比較,碳鋼以214呎為最經(jīng)濟(jì),鉻鋼以222呎為最相宜.是以本橋橋孔距離,規(guī)定220呎,并采用鉻鋼焉.”[10]最終,“華德?tīng)栍?jì)劃”中采用精鋼制造鋼桁梁以減輕重量的設(shè)想被吸收進(jìn)了最終設(shè)計(jì)方案,即錢塘江大橋正橋桁架鋼梁以鉻鋼為主,而抗風(fēng)梁等小部件仍使用碳鋼以降低成本.之所以沒(méi)有全部使用鉻鋼,是因?yàn)椤罢詹款C規(guī)范書,規(guī)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(jià)廉,較為經(jīng)濟(jì).”[10]在這一點(diǎn)上,橋工人員嚴(yán)格執(zhí)行著規(guī)范書要求,決不因任何原因違背標(biāo)準(zhǔn),哪怕是因提升材料性質(zhì)而導(dǎo)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(jià)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(lián)合橋

中國(guó)境內(nèi)的第一座公鐵兩用橋是1932-1934年在東北地區(qū)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(huì)社合作設(shè)計(jì),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(yùn)來(lái).由于三棵樹松花江橋建設(shè)于日本侵占東北之后,設(shè)計(jì)、建造環(huán)節(jié)全部由日方完成,故雖為中國(guó)境內(nèi)首座公鐵兩用橋,但與20世紀(jì)30年代的中國(guó)工程界沒(méi)有產(chǎn)生交集,因而沒(méi)有發(fā)生技術(shù)傳播、交流和影響.在這個(gè)程度上說(shuō),錢塘江大橋雖然在時(shí)間上不是中國(guó)第一座公鐵聯(lián)合橋,但在中國(guó)公鐵聯(lián)合橋的技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)上,是有開創(chuàng)性地位的.

民國(guó)以來(lái)鐵路、公路新建里程的急速發(fā)展,已經(jīng)使得20世紀(jì)30年代的中國(guó)土木工程師對(duì)公鐵聯(lián)合橋這一新穎形式十分關(guān)注,并矚意嘗試.羅英在1934年曾專門發(fā)表一篇題為《鐵路與公路聯(lián)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(lián)合大橋的橋梁設(shè)計(jì)和施工方法,以供中國(guó)橋梁工程界研究借鑒.文中還提到,截至1934年,中國(guó)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(guó)工程界當(dāng)時(shí)對(duì)東北已建成的公鐵兩用橋毫不知情.而在當(dāng)時(shí)正開工及未開工的鐵路線中,需要用到公鐵聯(lián)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(lián)合大橋在當(dāng)時(shí)確有研究的價(jià)值,而錢塘江大橋就是這一橋梁形式的最早實(shí)踐者.

根據(jù)錢塘江義渡統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)30年代,錢塘江每日渡江人數(shù)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(lái)浙東浙西的汽車旅客和往來(lái)杭州與蕭山的行人.貨物方面,以閘口站和南星橋站的運(yùn)輸量推算,每年將會(huì)有40萬(wàn)噸以上的貨物過(guò)江.因此,不論“華德?tīng)栍?jì)劃”、《建橋計(jì)劃書》還是“第二計(jì)劃”,都以兼設(shè)鐵路、公路、人行道三種路面為基本建設(shè)目標(biāo).

一般而言,公路與鐵路聯(lián)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(shì)、運(yùn)輸繁簡(jiǎn)等實(shí)際情形,詳加研究,才可給出合適的建筑方案.通常來(lái)說(shuō),單層式橋梁要求橋面要寬,雙層式橋梁要求橋身要高.

“華德?tīng)栍?jì)劃”和《計(jì)劃書》為錢塘江大橋設(shè)計(jì)了平層并列式結(jié)構(gòu),而“第二計(jì)劃”選用的是公路在上、鐵路在下的雙層式橋.根據(jù)羅英的論述,選用雙層橋首先考慮的是山坡、江面地理環(huán)境和過(guò)橋后公路、鐵路線路接軌的問(wèn)題,公路線、鐵路線分層而行,可各自連接妥當(dāng),避免平交.[13]這是雙層橋能夠?qū)崿F(xiàn)的必要條件.其次,經(jīng)費(fèi)、國(guó)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(shè)計(jì)講求大橋成品與周邊景觀的協(xié)調(diào),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(jìn),景觀壯麗,符合工程師們制定設(shè)計(jì)方案時(shí)的藝術(shù)傾向.(2)戰(zhàn)備考量.這是20世紀(jì)30年代十分具有時(shí)代特色的一項(xiàng)考慮因素.公路路面由混凝土制成,較為堅(jiān)固,而鐵路路面僅有枕木和鐵軌,相對(duì)脆弱.同時(shí),錢塘江大橋是東南交通網(wǎng)中重要的節(jié)點(diǎn),保障鐵路運(yùn)輸在戰(zhàn)備時(shí)期又具有格外高的戰(zhàn)略意義.因此,設(shè)置公路在鐵路之上,則遇飛機(jī)投彈時(shí)可用公路為鐵路阻擋炮彈,保障戰(zhàn)時(shí)鐵路運(yùn)輸.(3)經(jīng)濟(jì)考量.這主要是為了盡可能降低建筑經(jīng)費(fèi)而做出更優(yōu)化的技術(shù)安排.相同路寬的設(shè)計(jì)下,雙層式相比于單層式減少了一半的橋?qū)?相應(yīng)地就減少了一半的橋墩和鋼梁用料.對(duì)于這一點(diǎn),錢塘江大橋總工程師羅英在1959年回憶錢塘江大橋設(shè)計(jì)工作時(shí),曾著重強(qiáng)調(diào)降低經(jīng)費(fèi)的必要性:“……查得及大部分費(fèi)用是用于基礎(chǔ)工程,因此重?cái)M新設(shè)計(jì),采用雙層式結(jié)構(gòu),將橋墩長(zhǎng)度減去一半.于是基礎(chǔ)費(fèi)用大大削減,而鋼料重量也減去不少,估計(jì)工料費(fèi)可能不止超過(guò)500萬(wàn)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(shù)目既減少,鋼料重量又減輕,預(yù)算竟未超過(guò)500萬(wàn)元,而建橋之議得以實(shí)現(xiàn).”[11]441此外,雙層式設(shè)計(jì)將鐵路置于下層,公路置于上層,也有利于縮短引橋長(zhǎng)度.無(wú)論是縮短橋長(zhǎng),還是減少用料,都主要是出于節(jié)省經(jīng)費(fèi)考慮,而盡力從技術(shù)上達(dá)到目的.在具體設(shè)計(jì)中,橋工人員采用了多種措施來(lái)實(shí)現(xiàn)雙層橋的建造目標(biāo),并滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)要求,具體來(lái)說(shuō)則是合理利用同一種工程材料實(shí)現(xiàn)多種功能.如將鋼梁上方橫向的抗風(fēng)梁用作公路托梁、用混凝土鋪設(shè)公路路面以增強(qiáng)對(duì)鐵路安全的保護(hù);根據(jù)公路、鐵路合并載重,適當(dāng)修正計(jì)算參數(shù),除直橫托梁外鋼料單位應(yīng)力均增加12.5%、鋼架高度設(shè)計(jì)預(yù)留足夠鐵路凈空等.

由雙層式公鐵聯(lián)合橋設(shè)計(jì)方案的制定可以看出,即使錢塘江建橋是為了交通與聯(lián)絡(luò)的目的,也不得不受國(guó)防和經(jīng)濟(jì)因素的制約.但也恰恰是因?yàn)檫@些制約,反過(guò)來(lái)也促使了技術(shù)不斷調(diào)試以達(dá)到這些制約所提出的苛刻要求,從而在技術(shù)上取得進(jìn)一步發(fā)展.

3 結(jié)語(yǔ)

錢塘江大橋正橋橋式設(shè)計(jì)是錢塘江大橋設(shè)計(jì)方案的重要內(nèi)容.自1933年起,茅以升、羅英帶領(lǐng)的橋工委、橋工處的工程師們?cè)谙彰绹?guó)橋梁專家華德?tīng)栐O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)縝密的計(jì)算和多種方案的對(duì)比研究,對(duì)“華德?tīng)栍?jì)劃”中雙孔航道、公鐵平層并列的設(shè)計(jì)思路提出了重大改變,最終形成“第二計(jì)劃”方案,實(shí)現(xiàn)了第一次由中國(guó)工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成的大型橋梁工程設(shè)計(jì).

錢塘江大橋正橋橋式設(shè)計(jì)具有以下技術(shù)特點(diǎn):

(1)從交通需求、環(huán)境地理、江面水文以及經(jīng)費(fèi)、外觀、國(guó)防軍事的考量出發(fā),錢塘江大橋的正橋橋式確定了采用雙層公鐵聯(lián)合橋的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了浙東、浙西人車貨運(yùn)便利互通和顯著降低工程造價(jià)的建設(shè)目標(biāo).這是中國(guó)工程界對(duì)公鐵聯(lián)合橋最早的嘗試,為此后的武漢長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江大橋等雙層公鐵聯(lián)合橋積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn).

(2)經(jīng)過(guò)對(duì)7種不同跨度橋孔方案的對(duì)比研究,錢塘江大橋正橋確定了采用16孔等跨橋孔的設(shè)計(jì)方案,保障了錢塘江河道不定導(dǎo)致航路變遷時(shí)的船只通行,并選擇形制統(tǒng)一的216英尺華倫式平行肢桿桁梁,為鋼梁的標(biāo)準(zhǔn)化制造、降低造價(jià)、方便運(yùn)輸和安裝維修創(chuàng)造了有利條件.

(3)橋梁建設(shè)需要耗費(fèi)大量鋼材.在20世紀(jì)30年代的中國(guó),建造大跨度橋梁所需的鋼料大多依賴進(jìn)口,這使得鋼料成本成為制約橋梁設(shè)計(jì)的重要影響因素.錢塘江大橋橋工人員在雙層橋的設(shè)計(jì)中,為了提高大橋質(zhì)量、控制造價(jià)并嚴(yán)格遵循國(guó)家規(guī)范,確定正橋桁梁材質(zhì)以鉻鋼為主、碳鋼為輔,較好地平衡了鋼料的性能、價(jià)格與耗費(fèi)量的關(guān)系,為正在逐步走向獨(dú)立的中國(guó)橋梁工程界積累了技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的經(jīng)驗(yàn).

錢塘江大橋的正橋橋式設(shè)計(jì)遵從了橋梁工程常規(guī)的設(shè)計(jì)步驟,從華德?tīng)柗桨傅綐蚬のa(bǔ)充落實(shí)成《建橋計(jì)劃書》,再到橋工處重新設(shè)計(jì)完善的“第二計(jì)劃”,總共用時(shí)近兩年完成.這是中國(guó)工程人才在主導(dǎo)設(shè)計(jì)一座現(xiàn)代化公鐵聯(lián)合大橋上的一項(xiàng)具有開創(chuàng)性的成功實(shí)踐,也是一次極為寶貴的建橋經(jīng)驗(yàn)積累.

致謝:感謝導(dǎo)師關(guān)曉武研究員在本文撰寫過(guò)程中的耐心指導(dǎo),同時(shí)感謝張柏春、孫烈、方一兵、李明洋、李兵的指點(diǎn)和幫助.