2010年公路監(jiān)理師道路與橋梁輔導：橋梁設計
來源：網(wǎng)絡發(fā)布時間：2010-06-04 11:38:26
1 引言
在漫長的古代和中世紀，從事建筑營造活動的工匠，既是建筑師，又是結構工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結構的復雜化，才出現(xiàn)了建筑師與結構工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現(xiàn)在，一位橋梁設計師既是建筑師，又是結構工程師。依筆者之見，究其原因大概有三條：
�、贅蛄旱墓δ懿⒉粡碗s，其建筑設計可由結構工程師代替；
�、跇蛄核芎奢d較房屋建筑特別大，因而，其造型大多以結構受力合理為重心進行選擇，也就是說，橋梁建筑設計與結構設計聯(lián)系非常緊密；
�、蹣蛄航ㄖO計與施工方法緊密相連，而施工方法與結構受力分析息息相關，這是橋梁工程的顯著特點之一。
當今世界橋梁飛速發(fā)展，越來越多的橋梁需要我們?nèi)ソㄔ�，尤其是正在醞釀的跨海峽大橋，其迫切需要超大跨徑，于是，人們開始不滿足于現(xiàn)有的橋式，，而是正積極探索其它嶄新的橋式，這就需要對橋梁建筑學進行研究。筆者根據(jù)多年橋梁設計的實踐經(jīng)驗，結合工程力學原理及建筑美學法則，總結出合理橋式應遵循的若干條規(guī)律，初步形成了橋式最優(yōu)設計理論。
2 合理橋式所遵循的規(guī)律
橋梁結構合理形式并非有特定的單一的結構形式，因此，研究其特性應從總體上把握其規(guī)律，然后，以其為標準評價所要討論橋式的優(yōu)劣。
實際上，橋梁結構合理型式所遵循的一些規(guī)律已零散地存在于橋梁建設者的頭腦中，并自覺或不自覺地運用于實踐。，這里只不過將其歸納總結，使之系統(tǒng)化、理論化、使其具有邏輯性，有層次感。這些規(guī)律難以定量化，而只能用語言描述的形式來表達。
[準則1]良好的結構方案是良好結構設計的重要前提。
因為在結構設計中，無論多么完美的結構計算都無法彌補經(jīng)結構構思而形成的結構方案中的不足，相反，良好的結構方案卻能夠部分彌補結構計算中的不足。由此可見結構構思的重要性。
[準則2]功能準則 結構應滿足全部功能的要求。
準則2給出了橋式最基本的要求——功能要求。
[準則3]功能決定結構。
由準則2不難得到準則3.橋梁的跨越功能是橋梁最基本的功能之一，橋梁的跨越功能決定了橋梁必須有橋跨結構，而為了支承橋跨結構，必須有支承結構。橋梁要使其上的車輛或行人等安全、舒適地通過，橋梁須能承受車輛、行人等荷載，且不產(chǎn)生過大的變形而影響使用。正是橋梁功能的要求，才使得為滿足橋梁功能要求而修建的結構被稱為橋梁。
[準則4]幾何不變準則 一般工程結構都必須是幾何不變體系。
為了保證車輛、行人等安全、舒適地通過橋梁，橋梁結構在主要受力面-順橋向鉛垂面內(nèi)應保證幾何不變，在次要受力面-橫橋向鉛垂面及水平面內(nèi)亦應保證足夠的剛度。這是橋梁成為工程結構的基本條件。
判別一結構是否為幾何不變的過程稱為機動分析。
[準則5]傳力路徑準則 合理的結構在荷載作用下，其傳力路徑較短。
傳力路徑——筆者建議將構件中主拉（壓）應力跡線定義為傳力路徑，將結構在使用荷載（包括桓載）作用于，各主要受力構件傳力路徑之和定義為該結構的傳力路徑總長。
對于拉（壓）桿，其主應力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件的長度。而對于純受彎桿件，任一橫截面內(nèi)均有拉應力及壓應力，其主拉（壓）應力跡線亦平行于桿件軸線，其傳力路徑等于桿件的長度。但梁常為彎剪耦合構件，梁內(nèi)任意一點均處于二向受力狀態(tài)。其主應力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復雜，此時可將梁比擬為“桁架”（拉一壓結構），其各構件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對于彎剪扭耦合構件，可將其比擬為“空間桁架�？梢姡▔海U件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡捷的構件。
不論是橋跨結構還是支承結構，不論是橫截面內(nèi)（如受彎箱梁在彎矩平面內(nèi)的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等）還是細部構造（如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設置較徑向設置傳力簡捷；帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統(tǒng)受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與梁的受力吻合，細部構造優(yōu)越等），傳力路徑簡捷、明快者為較好的形式。
[準則6]應力均勻準則 結構應力應均勻流暢。
對于桿系結構，應力均勻流暢包括桿件橫截面內(nèi)應力均勻，沿桿件長度方向內(nèi)力均勻及結點、邊界處應力均勻，總之，要求結構應力處處均勻流暢。
只有結構應力均勻，才能較好地發(fā)揮材料的強度，取得經(jīng)濟效益。
準則5與準則6是從力學角度衡量橋式優(yōu)劣的重要準則。
[準則7]承受軸向拉力或壓力的結構，簡稱為“拉/壓結構” 是合理結構。
由于拉/壓結構應力均勻流暢，材料強度得到較好地發(fā)揮，且傳力路徑短，因此，不難由準則5及準則6得到準則7.諸如桁架、拱、柱、懸索結構、網(wǎng)架、整體張拉式結構（由壓桿群和拉索系組成的空間結構體系）等均為拉/壓結構。
[準則8]承受軸向拉力的跨越結構可能是大跨優(yōu)越結構，即索結構是大跨優(yōu)越結構。
目前，橋梁用索結構包括懸索橋，斜拉橋及拱橋（吊桿采用柔索者）等。
結構的受力狀態(tài)從本質(zhì)上講，只有拉和壓這兩種互為相反的狀態(tài)；而受彎是拉與壓的組合�？缭襟w系的受力狀態(tài)可以是受拉、受壓或受彎，而單純受扭或受剪的結構是不能充當跨越結構的。
�、偈軓澋臉蚩缃Y構不方便施工，應力不夠均勻，材料強度不能很好地發(fā)揮，傳力路徑長，現(xiàn)有的受彎材料比強度不高，因此，受彎的橋跨結構不適宜于大跨。
②受壓的橋跨結構雖應力較均勻，材料強度能較好的發(fā)揮（但存在失穩(wěn)問題），傳力路徑較短，但不方便施工，且受壓材料比強度不高，對于大跨橋梁，幾何非線性的影響使其所受內(nèi)力聚增，因而不經(jīng)濟，可見，受壓橋跨結構還算不上較好的結構體系。
③受拉的橋跨結構，雖存在振動、腐蝕、疲勞及大變形等問題，但其架設方便，應力均勻，材料強度能得到很好地發(fā)揮，傳力路徑較短，材料（索）比強度高，當考慮幾何非線性影響時，其內(nèi)力大大減小，帶來顯著的經(jīng)濟效益，因此，索結構適宜于大跨。
[準則9]預應力索結構是大跨理想結構。
在預應力索結構中，預應力使索系處于張緊與穩(wěn)固狀態(tài)，使結構體系具有承載能力及剛度（而不是降低或調(diào)整內(nèi)力）這種不以增加自重為代價而增強結構剛度及承載能力的特點正是預應力索結構的優(yōu)越所在。 如雙曲懸索結構及筆者提出的全索橋新橋式便屬于預應力索結構。
[準則10]結構連續(xù)準則 合理的結構整體性好，構件體形變化平順。
這不僅是美觀的要求，更是準則6的要求，因為構件體形變化平順、結點處或邊界處過渡平滑、結構整體性強是力流平順的必要條件，同時，也可提高結構的承載能力和剛度。
[準則11]合理的結構應盡量使其各構件承受均布荷載，如受彎構件承受橫向均布荷載，而拉/壓構件承受軸向均布荷載等。
這是應力均勻、傳力簡捷之要求。
[準則12]均衡與穩(wěn)定準則 一般工程結構必須保持靜力平衡，即結構穩(wěn)定。
從力學與美學角度上講，要求結構均衡。保持靜力平衡是橋梁結構安全與美觀的前提條件。
[準則13]韻律感與節(jié)奏感準則 合理的結構應有韻律感和節(jié)奏感。
由準則3可知，功能決定了結構。因此，結構并非由雜亂的構件拼湊而成，而是按功能要求有機地結合起來，這樣形成的合理結構必然具有韻律感和節(jié)奏感。
準則13是衡量橋式美觀的重要準則。橋梁孔徑的變化、墩高的變化、式樣的變化、橋面的起伏、斜拉索的輻射、大纜優(yōu)美的曲線及拱的彎曲等等都形成了韻律與節(jié)奏。和諧的韻律與節(jié)奏使美麗的橋梁看上去如無聲而美妙的音樂。
有關橋梁輪廓尺寸的協(xié)調(diào)比例關系見如下準則14：
[準則14]橋梁輪廓尺寸協(xié)調(diào)準則
�、倭簶蚧蚬皹蛳噜徔缍鹊谋戎担ㄐ】绫却罂纾┮嗽赱0.4，1]內(nèi)，接近0.618時，橋跨變化會顯得平順、流暢、有韻律感與節(jié)奏感。
�、诹簶蚨崭吲c跨度之比宜在[0.25，0.85]內(nèi)，接近0.618時，橋高與跨度的比例最為和諧。
�、酃皹蛑缚绫纫嗽赱1/8，1/4]內(nèi)。
�、苄崩瓨蛩魉叨龋ㄗ詷蛎嫠闫穑┡c中跨之比宜在[1/7，1/4]內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在[1/3，1/2]內(nèi)。
�、輵宜鳂虼罄|矢跨比宜在[1/7，1/11]內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在[1/4，1/2]內(nèi)。
�、迬螒冶鄣暮喼Я�，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.41左右。
�、邘щp懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.35左右。
⑧帶雙懸臂的兩等跨連續(xù)梁，當施工過程中未發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時，其懸臂長與跨度之比宜取1/3左右。
⑨三跨連續(xù)梁，當施工過程中未發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時，其邊跨長與中跨之比宜取0.8左右。
�、庵虚g跨為等跨的多跨連續(xù)梁，其邊跨與中跨跨度之比宜在[0.65，0.70]內(nèi)。
準則14是橋梁美觀、經(jīng)濟、受力合理三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的典型表現(xiàn)。
[準則15]形式感與量感準則 合理的結構應有形式感和量感。
形式感是指藝術領域中形式因素本身對于人的精神所產(chǎn)生的某種感染力。如：
�、偎骄�條給人的感受是親切、委婉，它使人聯(lián)想到平靜的水面、一望無際的平原；
②垂直線條給人的感受是莊嚴、高昂，它使人聯(lián)想到向上生長的樹木、挺立蒼穹的高山。
�、坌本�具力感、動感和方向感；
�、懿ㄐ尉�條可以產(chǎn)生流動感、跳躍感；
�、輵姨艟�條可以產(chǎn)生靈巧感、騰越感；
�、薨雸A曲線會使人聯(lián)想到掛在空中的彩虹；兩個半圓曲線的組合會使人聯(lián)想到展翅飛翔的海鷗；
�、哒诺娜切谓o人以穩(wěn)定、安全的感覺，而倒放的三角形會使人感到危險與不安；
�、鄨A形給人以純情、圓潤、完美的感受，而球體及橢球體被認為是完美的物體；
�、峋匦谓o人以理性、中規(guī)中矩的感受。
[準則16]橋梁特有的美學特征
橋梁有別于其它結構的美學特征有：通達之美、凌空之美、流暢之美及剛柔之美。
橋梁由此岸到達彼岸，使道路通達，因而有其功能美-通達之美。
橋梁為一跨越結構，其騰空飛架的梁索讓人感受到了凌空之美，因此較路基有通透感。
橋梁為一帶狀結構，長大橋中的豎曲線設置使橋面看上去連續(xù)流暢、纖細輕快。
橋梁結構兼顧了剛柔之美。梁、拱之纖細、親切、委婉，墩塔之雄壯、莊嚴、高昂，斜索之力感、動感、方向感，大纜之起伏、飄動、流暢、張力感等。
[準則17]橋梁與環(huán)境協(xié)調(diào)準則 工程結構的造型與體量應與周圍環(huán)境（如河、海、峽谷、房屋建筑、道路、大型雕塑、樹林或曠野等）協(xié)調(diào)。
[準則18]地形與橋式準則 一般來說，山區(qū)地形宜修建拱橋或吊橋；平原地形宜修建梁橋或斜拉橋。
一般來說，橋梁與周圍環(huán)境相比會顯得較小，在人們的視線里，就只看到其輪廓，因此，橋梁以其輪廓美為主。考慮到行人上橋觀光，近距離看橋，因此，橋梁美應兼顧細部美。橋梁造型及體量與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的類型有以下幾種：
�、佼敇蛄阂�(guī)模較大、氣勢宏偉時，突出橋梁之美；
�、诋敇蛄狠^小或影響其他重要物體之美時，橋梁順從他物之美；
�、郛敇蛄号c周圍景觀相當且協(xié)調(diào)時、選擇橋梁與他物爭奇斗妍。
[準則19]造型與受力準則
筆者以為，當跨度不大時 ，由于橋梁受力不大，其造型發(fā)揮的余地就大，能夠很好地供人觀賞；而當跨度較大時，由于橋梁受力較大，其造型當以結構受力合理為重心進行選擇，而這種造型并不是不美。這是技術與藝術的統(tǒng)一。
[準則20]可靠性準則
合理的結構應使結構在設計壽命期內(nèi)安全可靠，即結構強度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性均應滿足要求。
如果說前面的準則是從力學角度及美學角度等探討結構構思的話，那么，本準則20則是驗證構思是否成立。如前所述，由于橋梁建筑設計與結構計算聯(lián)系緊密，因此，在橋梁的實際設計過程中，方案構思與結構計算應交叉進行、相互協(xié)作。
3 橋式方案研究
橋式最優(yōu)設計理論豐富了橋梁科學，為橋式方案設計提供了理論基礎。橋式方案設計包括
�、倨矫嬖O計，即平面線形選取及橋梁平面布置等；
�、诹⒚嬖O計，即孔跨布置及式樣選擇等；
�、蹤M斷面設計，即橋面布置及橋梁橫向布置等。
橋梁方案設計主要受橋址工程條件（如地形、地貌、地質(zhì)、地震、水文、氣象、通航或跨線等）、設計要求（交通量、路線等級、設計荷載、設什壽命等）及施工方法的制約，交通量等決定了橋梁寬度；通航凈寬決定橋跨下限；通航凈高、通航孔跨決定橋梁建筑高度；橋面縱坡及起橋高度、橋梁建筑高度三者決定了橋長。一般情況下，地質(zhì)越差或下部結構投資越大，就越宜采用較大的跨度，以減少支承結構的工程量，從而節(jié)省投資。此外，橋式方案設計尚應考慮統(tǒng)一性或標準設計，以簡化設計與施工。橋式候選方案應以橋式理論為基礎，結合橋址工程條件提出（跨度、橋式及施工方法三者緊密聯(lián)系），對于明顯較差的方案應及時舍去。橋式方案比選應從以下四個方面進行比較：適用（功能）、安全（可靠性）、經(jīng)濟與美觀；比較的項目應包括
�、倏卓绮贾�、式樣、建筑高度、橋梁高度、橋長及起橋高度；
�、跇蛄簷M截面形式（包括橋面布置）及主要尺寸；
�、酃こ虜�(shù)量、施工方法、工期及造價；
�、芄δ芗翱煽啃�；
�、輽C動分析、靜力平衡、傳力路徑及受力均勻性分析；
⑥韻律與節(jié)奏感、輪廓尺寸比例、體量及造型與地形、地物等的協(xié)調(diào)；
�、咂渌容^項目及優(yōu)缺點。
等七大項。
4 結語
橋式最優(yōu)設計理論是對橋梁各構件組成規(guī)律的研究，為橋式方案設計、乃至橋梁建筑學提供了理論基礎，減少了橋式探索中的盲目性。以其為指南，必將對未來大型橋梁的建設帶來顯著的經(jīng)濟效益及社會效益。
