桥式最优设计理论研究

　　简介： 在漫长的古代和中世纪，从事建筑营造活动的工匠，既是建筑师，又是结构工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及结构的复杂化，才出现了建筑师与结构工程师的分工。但是，桥梁就有所不同，直到现在，一位桥梁设计师既是建筑师，又是结构工程师。依笔者之见，究其原因大概有三条.
  　关键字：道路桥梁 设计理论
　　1 引言
　　在漫长的古代和中世纪，从事建筑营造活动的工匠，既是建筑师，又是结构工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及结构的复杂化，才出现了建筑师与结构工程师的分工。但是，桥梁就有所不同，直到现在，一位桥梁设计师既是建筑师，又是结构工程师。依笔者之见，究其原因大概有三条：
　　①桥梁的功能并不复杂，其建筑设计可由结构工程师代替；
　　②桥梁所受荷载较房屋建筑特别大，因而，其造型大多以结构受力合理为重心进行选择，也就是说，桥梁建筑设计与结构设计联系非常紧密；
　　③桥梁建筑设计与施工方法紧密相连，而施工方法与结构受力分析息息相关，这是桥梁工程的显著特点之一。
　　当今世界桥梁飞速发展，越来越多的桥梁需要我们去建造，尤其是正在酝酿的跨海峡大桥，其迫切需要超大跨径，于是，人们开始不满足于现有的桥式，，而是正积极探索其它崭新的桥式，这就需要对桥梁建筑学进行研究。笔者根据多年桥梁设计的实践经验，结合工程力学原理及建筑美学法则，总结出合理桥式应遵循的若干条规律，初步形成了桥式最优设计理论。
　　2 合理桥式所遵循的规律
　　桥梁结构合理形式并非有特定的单一的结构形式，因此，研究其特性应从总体上把握其规律，然后，以其为标准评价所要讨论桥式的优劣。
　　实际上，桥梁结构合理型式所遵循的一些规律已零散地存在于桥梁建设者的头脑中，并自觉或不自觉地运用于实践。，这里只不过将其归纳总结，使之系统化、理论化、使其具有逻辑性，有层次感。这些规律难以定量化，而只能用语言描述的形式来表达。
　　【准则1】良好的结构方案是良好结构设计的重要前提。
　　因为在结构设计中，无论多么完美的结构计算都无法弥补经结构构思而形成的结构方案中的不足，相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足。由此可见结构构思的重要性。
　　【准则2】功能准则 结构应满足全部功能的要求。
　　准则2给出了桥式最基本的要求——功能要求。
　　【准则3】功能决定结构。
　　由准则2不难得到准则3.桥梁的跨越功能是桥梁最基本的功能之一，桥梁的跨越功能决定了桥梁必须有桥跨结构，而为了支承桥跨结构，必须有支承结构。桥梁要使其上的车辆或行人等安全、舒适地通过，桥梁须能承受车辆、行人等荷载，且不产生过大的变形而影响使用。正是桥梁功能的要求，才使得为满足桥梁功能要求而修建的结构被称为桥梁。
　　【准则4】几何不变准则 一般工程结构都必须是几何不变体系。
　　为了保证车辆、行人等安全、舒适地通过桥梁，桥梁结构在主要受力面-顺桥向铅垂面内应保证几何不变，在次要受力面-横桥向铅垂面及水平面内亦应保证足够的刚度。这是桥梁成为工程结构的基本条件。
　　判别一结构是否为几何不变的过程称为机动分析。
　　【准则5】传力路径准则 合理的结构在荷载作用下，其传力路径较短。
　　传力路径——笔者建议将构件中主拉（压）应力迹线定义为传力路径，将结构在使用荷载（包括桓载）作用于，各主要受力构件传力路径之和定义为该结构的传力路径总长。
　　对于拉（压）杆，其主应力迹线均平行于杆件轴线，因此，传力路径等于杆件的长度。而对于纯受弯杆件，任一横截面内均有拉应力及压应力，其主拉（压）应力迹线亦平行于杆件轴线，其传力路径等于杆件的长度。但梁常为弯剪耦合构件，梁内任意一点均处于二向受力状态。其主应力迹线呈曲线，可见，其传力路径复杂，此时可将梁比拟为“桁架”（拉一压结构），其各构件传力路径之和可定义为梁的传力路径。对于弯剪扭耦合构件，可将其比拟为“空间桁架。可见，拉（压）杆件传力路径较受弯杆件短得多，它是传力最简捷的构件。
　　不论是桥跨结构还是支承结构，不论是横截面内（如受弯箱梁在弯矩平面内的传力路径主要是沿腹板传递，因此，其主筋应配置在靠近腹板的范围内为好等）还是细部构造（如拱上立柱与箱拱连接处横隔板沿立柱竖向设置较径向设置传力简捷；带挂孔的悬臂梁桥采用受拉型铰较传统受压型铰施工吊装方便、牛腿的受力与梁的受力吻合，细部构造优越等），传力路径简捷、明快者为较好的形式。
　　【准则6】应力均匀准则 结构应力应均匀流畅。
　　对于杆系结构，应力均匀流畅包括杆件横截面内应力均匀，沿杆件长度方向内力均匀及结点、边界处应力均匀，总之，要求结构应力处处均匀流畅。
　　只有结构应力均匀，才能较好地发挥材料的强度，取得经济效益。
　　准则5与准则6是从力学角度衡量桥式优劣的重要准则。
　　【准则7】承受轴向拉力或压力的结构，简称为“拉／压结构” 是合理结构。
　　由于拉/压结构应力均匀流畅，材料强度得到较好地发挥，且传力路径短，因此，不难由准则5及准则6得到准则7.诸如桁架、拱、柱、悬索结构、网架、整体张拉式结构（由压杆群和拉索系组成的空间结构体系）等均为拉/压结构。
　　【准则8】承受轴向拉力的跨越结构可能是大跨优越结构，即索结构是大跨优越结构。
　　目前，桥梁用索结构包括悬索桥，斜拉桥及拱桥（吊杆采用柔索者）等。
　　结构的受力状态从本质上讲，只有拉和压这两种互为相反的状态；而受弯是拉与压的组合。跨越体系的受力状态可以是受拉、受压或受弯，而单纯受扭或受剪的结构是不能充当跨越结构的。
　　①受弯的桥跨结构不方便施工，应力不够均匀，材料强度不能很好地发挥，传力路径长，现有的受弯材料比强度不高，因此，受弯的桥跨结构不适宜于大跨。
　　②受压的桥跨结构虽应力较均匀，材料强度能较好的发挥（但存在失稳问题），传力路径较短，但不方便施工，且受压材料比强度不高，对于大跨桥梁，几何非线性的影响使其所受内力聚增，因而不经济，可见，受压桥跨结构还算不上较好的结构体系。
　　③受拉的桥跨结构，虽存在振动、腐蚀、疲劳及大变形等问题，但其架设方便，应力均匀，材料强度能得到很好地发挥，传力路径较短，材料（索）比强度高，当考虑几何非线性影响时，其内力大大减小，带来显著的经济效益，因此，索结构适宜于大跨。
　　【准则9】预应力索结构是大跨理想结构。
　　在预应力索结构中，预应力使索系处于张紧与稳固状态，使结构体系具有承载能力及刚度（而不是降低或调整内力）。这种不以增加自重为代价而增强结构刚度及承载能力的特点正是预应力索结构的优越所在。如双曲悬索结构及笔者提出的全索桥新桥式便属于预应力索结构。
　　【准则10】结构连续准则 合理的结构整体性好，构件体形变化平顺。
　　这不仅是美观的要求，更是准则6的要求，因为构件体形变化平顺、结点处或边界处过渡平滑、结构整体性强是力流平顺的必要条件，同时，也可提高结构的承载能力和刚度。
　　【准则11】合理的结构应尽量使其各构件承受均布荷载，如受弯构件承受横向均布荷载，而拉/压构件承受轴向均布荷载等。
　　这是应力均匀、传力简捷之要求。
　　【准则12】均衡与稳定准则 一般工程结构必须保持静力平衡，即结构稳定。
　　从力学与美学角度上讲，要求结构均衡。保持静力平衡是桥梁结构安全与美观的前提条件。
　　【准则13】韵律感与节奏感准则 合理的结构应有韵律感和节奏感。
　　由准则3可知，功能决定了结构。因此，结构并非由杂乱的构件拼凑而成，而是按功能要求有机地结合起来，这样形成的合理结构必然具有韵律感和节奏感。
　　准则13是衡量桥式美观的重要准则。桥梁孔径的变化、墩高的变化、式样的变化、桥面的起伏、斜拉索的辐射、大缆优美的曲线及拱的弯曲等等都形成了韵律与节奏。和谐的韵律与节奏使美丽的桥梁看上去如无声而美妙的音乐。
　　有关桥梁轮廓尺寸的协调比例关系见如下准则14：
　　【准则14】桥梁轮廓尺寸协调准则
　　①梁桥或拱桥相邻跨度的比值（小跨比大跨）宜在【0.4，1】内，接近0.618时，桥跨变化会显得平顺、流畅、有韵律感与节奏感。
　　②梁桥墩高与跨度之比宜在【0.25，0.85】内，接近0.618时，桥高与跨度的比例最为和谐。
　　③拱桥之矢跨比宜在[1/8，1/4]内。
　　④斜拉桥索塔高度（自桥面算起）与中跨之比宜在[1/7，1/4]内，边跨与中跨之比宜在[1/3，1/2]内。
　　⑤悬索桥大缆矢跨比宜在[1/7，1/11]内，边跨与中跨之比宜在[1/4，1/2]内。
　　⑥带单悬臂的简支梁，悬臂长与简支跨长之比宜取0.41左右。
　　⑦带双悬臂的简支梁，悬臂长与简支跨长之比宜取0.35左右。
　　⑧带双悬臂的两等跨连续梁，当施工过程中未发生体系转换时，其悬臂长与跨度之比宜取1/3左右。
　　⑨三跨连续梁，当施工过程中未发生体系转换时，其边跨长与中跨之比宜取0.8左右。
　　⑩中间跨为等跨的多跨连续梁，其边跨与中跨跨度之比宜在[0.65，0.70]内。
　　准则14是桥梁美观、经济、受力合理三者统一协调的典型表现。
　　【准则15】形式感与量感准则 合理的结构应有形式感和量感。
　　形式感是指艺术领域中形式因素本身对于人的精神所产生的某种感染力。如：
　　①水平线条给人的感受是亲切、委婉，它使人联想到平静的水面、一望无际的平原；
　　②垂直线条给人的感受是庄严、高昂，它使人联想到向上生长的树木、挺立苍穹的高山。
　　③斜线具力感、动感和方向感；
　　④波形线条可以产生流动感、跳跃感；
　　⑤悬挑线条可以产生灵巧感、腾越感；
　　⑥半圆曲线会使人联想到挂在空中的彩虹；两个半圆曲线的组合会使人联想到展翅飞翔的海鸥；
　　⑦正放的三角形给人以稳定、安全的感觉，而倒放的三角形会使人感到危险与不安；
　　⑧圆形给人以纯情、圆润、完美的感受，而球体及椭球体被认为是完美的物体；
　　⑨矩形给人以理性、中规中矩的感受。
　　【准则16】桥梁特有的美学特征
　　桥梁有别于其它结构的美学特征有：通达之美、凌空之美、流畅之美及刚柔之美。
　　桥梁由此岸到达彼岸，使道路通达，因而有其功能美-通达之美。
　　桥梁为一跨越结构，其腾空飞架的梁索让人感受到了凌空之美，因此较路基有通透感。
　　桥梁为一带状结构，长大桥中的竖曲线设置使桥面看上去连续流畅、纤细轻快。
　　桥梁结构兼顾了刚柔之美。梁、拱之纤细、亲切、委婉，墩塔之雄壮、庄严、高昂，斜索之力感、动感、方向感，大缆之起伏、飘动、流畅、张力感等。
　　【准则17】桥梁与环境协调准则 工程结构的造型与体量应与周围环境（如河、海、峡谷、房屋建筑、道路、大型雕塑、树林或旷野等）协调。
　　【准则18】地形与桥式准则 一般来说，山区地形宜修建拱桥或吊桥；平原地形宜修建梁桥或斜拉桥。
　　一般来说，桥梁与周围环境相比会显得较小，在人们的视线里，就只看到其轮廓，因此，桥梁以其轮廓美为主。考虑到行人上桥观光，近距离看桥，因此，桥梁美应兼顾细部美。桥梁造型及体量与周围环境协调的类型有以下几种：
　　①当桥梁规模较大、气势宏伟时，突出桥梁之美；
　　②当桥梁较小或影响其他重要物体之美时，桥梁顺从他物之美；
　　③当桥梁与周围景观相当且协调时、选择桥梁与他物争奇斗妍。
　　【准则19】造型与受力准则
　　笔者以为，当跨度不大时 ，由于桥梁受力不大，其造型发挥的余地就大，能够很好地供人观赏；而当跨度较大时，由于桥梁受力较大，其造型当以结构受力合理为重心进行选择，而这种造型并不是不美。这是技术与艺术的统一。
　　【准则20】可靠性准则
　　合理的结构应使结构在设计寿命期内安全可靠，即结构强度、刚度、稳定性及耐久性均应满足要求。
　　如果说前面的准则是从力学角度及美学角度等探讨结构构思的话，那么，本准则20则是验证构思是否成立。如前所述，由于桥梁建筑设计与结构计算联系紧密，因此，在桥梁的实际设计过程中，方案构思与结构计算应交叉进行、相互协作。
　　3 桥式方案研究
　　桥式最优设计理论丰富了桥梁科学，为桥式方案设计提供了理论基础。桥式方案设计包括
　　①平面设计，即平面线形选取及桥梁平面布置等；
　　②立面设计，即孔跨布置及式样选择等；
　　③横断面设计，即桥面布置及桥梁横向布置等。
　　桥梁方案设计主要受桥址工程条件（如地形、地貌、地质、地震、水文、气象、通航或跨线等）、设计要求（交通量、路线等级、设计荷载、设什寿命等）及施工方法的制约，交通量等决定了桥梁宽度；通航净宽决定桥跨下限；通航净高、通航孔跨决定桥梁建筑高度；桥面纵坡及起桥高度、桥梁建筑高度三者决定了桥长。一般情况下，地质越差或下部结构投资越大，就越宜采用较大的跨度，以减少支承结构的工程量，从而节省投资。此外，桥式方案设计尚应考虑统一性或标准设计，以简化设计与施工。桥式候选方案应以桥式理论为基础，结合桥址工程条件提出（跨度、桥式及施工方法三者紧密联系），对于明显较差的方案应及时舍去。桥式方案比选应从以下四个方面进行比较：适用（功能）、安全（可靠性）、经济与美观；比较的项目应包括
　　①孔跨布置、式样、建筑高度、桥梁高度、桥长及起桥高度；
　　②桥梁横截面形式（包括桥面布置）及主要尺寸；
　　③工程数量、施工方法、工期及造价；
　　④功能及可靠性；
　　⑤机动分析、静力平衡、传力路径及受力均匀性分析；
　　⑥韵律与节奏感、轮廓尺寸比例、体量及造型与地形、地物等的协调；
　　⑦其他比较项目及优缺点。
　　等七大项。
　　4 结语
　　桥式最优设计理论是对桥梁各构件组成规律的研究，为桥式方案设计、乃至桥梁建筑学提供了理论基础，减少了桥式探索中的盲目性。以其为指南，必将对未来大型桥梁的建设带来显著的经济效益及社会效益。