亚东桥话33：你真的知道开启桥的来龙去脉吗？
绝大部分的桥梁，在建成后是固定不移的。但在特殊情况下，对一些跨越河流的桥梁，却需要让其一部分桥跨结构可以开合。这就是本文讨论的开启桥（movable bridge，也叫活动桥或开合桥）。
开启桥简史
人类建桥，大概始于开启桥。那些在中国半坡村遗址以及欧洲“水边桩屋”可能存在过的桥梁，为了防范野兽或外族侵袭，需要做成可移动的（参见“亚东桥话25 ：梁桥回眸-上”）。
当古人开始筑城而居时，情况也大抵相同。考古学家发现，公元前1860年前后，古埃及人在努比亚建造了布亨要塞（后因阿斯旺大坝的建设而被淹没在纳尔湖中），其防御工事包括护城河、吊桥（drawbridge，指吊住桥面一端、通过绳索开合的桥）、城墙、城垛等。公元前7世纪末新巴比伦王国在幼发拉底河上建造的一座石墩木梁桥（图1示意，注意桥面的颜变化），其中的一跨需要在晚上移除。
图1  新巴比伦王国的活动桥示意
古代中国的城市，大多有城墙，墙外有护城河或城壕。为方便出入，需在护城河或城壕上建桥；为阻敌人侵犯，就把桥做成可开合的。桥用木梁制成，一端固定在一根可转动的木销轴上，另一端通过铁链或绳索牵引到城楼上的绞盘上；通过人力绞动，即可让桥板开合。这就是吊桥。
《墨子》第五十二篇（备城门）中记载了古代守城之法，其中的“断城以板桥”，就有拉起桥板以断交通之意。战国《六韬》中记载了如何攻城：“渡沟堑，飞桥一间，…。”所说的“飞桥”，大致就是今天的制式军用桥。在《魏书（列传第四十一）》中，记载有“杜门绝桥”（紧闭城门，收起吊桥）。在宋《武经总要》中，记载了守城时如何制作吊桥（史籍中也称为弔桥或钓桥），也描绘了攻城时如何使用壕桥（指在城壕中快速架桥）和折叠桥（当城壕较宽时采用），见图2。
图2  《武经总要》中描绘的壕桥和折叠桥
由此可见，古代开启桥就是吊桥，而吊桥是因城池或要塞防御而发展起来的。据此也可判断，中国最晚在春秋战国时期，就已开始应用吊桥（以及攻城所用的活动桥）。
在中世纪的欧洲，封建势力割据，大小战争频发。在公元9世纪后的数百年间，欧洲大量兴建具备军事防御性质的城堡，并在入口处设置吊桥。由于石砌城堡坚固耐久，一部分城堡得以保留至今，吊桥也因此维系下来。这样的例子比比皆是，见图3示例。到15世纪，就已创造出了不同的吊桥开启方式，包括：用滑轮绞盘控制起落，让桥板在滑轮上水平滑动，配置有平衡重的开合机构。
图3  英格兰赫弗城堡的吊桥，始建于13世纪
第一次工业革命给世界带来了翻天覆地的变化。军事科技的发展，让带有防御性质的吊桥变得无用；而内河（包括运河）船舶航行与跨河桥梁建造之间的矛盾，却给吊桥开辟了一席新的天地。图4所示的迪尔伯恩（Dearborn）街桥，1834年建成，是美国芝加哥的第一座开启桥，采用传统的木结构和开合方式，带有明显的古代吊桥特征。
图4  芝加哥的迪尔伯恩街桥
尽管早在15世纪的威尼斯，就开始建造非防御目的的吊桥（见“亚东桥话29：千年风雨话廊桥-上”），但现代开启桥却主要是在19世纪下半叶和20世纪上半叶修建的。
建造现代开启桥的目的，是为了让桥下可通过较大的船舶。与不影响通航的固定式桥梁相比，开启桥的桥面高程可压低（除了开启跨），这样桥长缩短，规模减小，投资节省；但是，桥上交通会受到一定影响，且需要长期支付桥梁开合的管养费用。可以这样理解，现代开启桥是为了满足通航和通车要求，而在跨河桥梁上做出的妥协。
主要的开启方式
开启桥的活动部分，是跨越主航道的桥跨结构。为减小开合重量，便于制造，活动部分多采用钢梁结构。主要的开合方式有立转、升降和平转三种。
立转（bascule）  指桥跨结构在立面上转动开合。从一端开合桥跨结构的称为单叶式，从两端开合者则为双叶式。英国伦敦的塔桥，就是一座双叶立转式桥，1894年建成，见图5。单叶式跨度最大的是乌克兰尼古拉耶夫的因古尔河桥，跨度76.25m，1974年建成（图6）；双叶式跨度最大者是2000年建成的西班牙巴塞罗那港“欧洲之门”桥，跨度106m。
图5  伦敦塔桥
图6  尼古拉耶夫因古尔河桥
升降（vertical lift）  指桥跨结构垂直升降开合。这类开启桥需在活动桥跨结构的两端设置塔架和提升设备。跨度最大的升降桥是美国纽约州斯塔滕岛和新泽西州伊丽莎白之间的奥瑟基尔（Arthur Kill）单线铁路桥，跨度170m，建于1959年，见图7。
图7  奥瑟基尔单线铁路桥
平转（swing）  指桥跨结构绕一根或两根（桥墩处的）竖轴水平旋转，只绕一轴即完成开合的称为单叶式，绕两轴者为双叶式。世界上跨度最大的双叶式平转桥是埃及跨越苏伊士运河的艾尔法丹（El Ferdan）桥，其为一座三跨悬臂钢桁梁铁路桥，分跨150 340 150m，全桥沿主跨跨中分为两部分，各自绕一竖轴水平转动，2001年建成。见图8。
图8  埃及艾尔法丹铁路桥
设有活动通航孔的永久性浮桥，是浮在水面上的开启桥，多采用伸缩（retractable）的开合方式。这样的实例很少，图9所示为美国西雅图的老长青点（Evergreen Point，1963-2016年）浮桥的伸缩跨。不过，新建的长青点浮桥，采用抬高的边孔将其取而代之。
图9  西雅图老长青点浮桥的通航孔
其他的开合方式，如侧转（tilt，见英国纽卡斯尔的盖茨亥德千禧桥）、折叠（folding，见德国基尔的号角桥）、潜入（submersible，见希腊科林斯运河入口处的漫水桥）、卷曲（curling，见英国伦敦的卷桥）、开扇（fan，见英国伦敦的扇桥）等，均为建筑师在人行开启桥上的奇思妙想，难以用于交通干线上的桥梁。
无论采用哪种方式，活动桥均需设置一套适宜的开合系统。开合系统通常包括：平衡重机构、机械转动系统（铰，齿轮、滑轮等）、动力系统、控制系统等。近年来建造的一些开启桥采用液压驱动代替传统的齿轮驱动。
开启桥适于建在何处？
从历史的情况看，需要建设开启桥的地方，通常是在地势低平处的通航水道（包括运河）之上，比如，江河下游的城区河道，入海口的港湾地区等。举例如下。
荷兰阿姆斯特丹的地势不高，水网交错，河道纵横。全城数千座桥梁中，有90多座规模不大的开启桥，排名世界第一。瘦桥（Skinny Bridge，图10）是位于市中心的一座吊桥，也是现存唯一的木制吊桥，其始建于1691年，最晚一次重建是1934年。
图10  阿姆斯特丹的瘦桥
美国伊利诺伊州的芝加哥，位于芝加哥河河口，东临密歇根湖，号称开启桥之城。全城仅公路、铁路开启桥就有64座，其中41座仍在使用。最老的开启桥建于1834年，而最新的也是30余年前建造的了。为了满足芝加哥河与密歇根湖之间的帆船及其他船舶的航行，每年从4月到11月，需开启桥梁大约40次，这已成为城市旅游和桥梁文化活动一景，见图11。
retractable图11  芝加哥的开启桥
中国天津位于海河下游，境内有海河、子牙河等多条河流穿流入海，是我国建造开启桥最多的城市。第一座开启桥是1888年在南运河上架设的金华桥（双叶立转式，早已不存）。接下来是1906年建成的跨越海河的金汤桥（平转式，1970年拆除设备，2005年改建后恢复），1927年建成的跨越海河的万国桥（今解放桥，双叶立转式，1973年停用，2008年改造后恢复），1937年建成的位于子牙河下游的大红桥（平转式，1965年停用开启功能）。
1985年建成的跨越海河河口的塘沽海门大桥，是中国跨度最大的升降桥（温州瓯南大桥的钢桁升降梁长75.46m，但已暂停开启）。正桥总长550m，钢桁升降梁长64m，见图12。2012年建成的天津响螺湾海河开启桥，主跨76m，为亚洲跨度最大的双叶立转式开启桥。
图12  天津海门大桥
当代开启桥实例
一般而言，开启桥难以适应繁忙的水陆交通。不过，在某些特殊情况下，仍可建造开启桥。这些特殊情况大致包括：无法保证桥下净空，或水陆交通量都不大且可大幅节省建桥费用，或桥位附近已有开启桥等。
图13所示为美国华盛顿西雅图的斯波坎街（Spokane Street）桥，也叫西雅图开合桥。这是一座双叶式平转桥，结构为三跨预应力混凝土梁，主跨146.3m，1991年建成。每叶的转动重量6800吨，由设置在粗大桥墩内部的液压系统承担。2015年该桥的天开启次数约3次，每次开启的用时约12分钟（平均值）。

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