桥式最优设计理论研究(1)

1、桥式最优设计理论研究(1)摘要：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，又是构造工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及构造的复杂化，才出现了建筑师与构造工程师的分工。但是，桥梁就有所不同，直到如今，一位桥梁设计师既是建筑师，又是构造工程师。依笔者之见，究其原因大概有三条.关键词：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，又是构造工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及构造的复杂化，才出现了建筑师与构造工程师的分工。但是，桥梁就有所不同，直到如今，一位桥梁设计师既是建筑师，又是构造工程师。依笔者之见，究其原因大概有三条：桥梁的功能并不复杂

2、，其建筑设计可由构造工程师代替；桥梁所受荷载较房屋建筑特别大，因此，其造型大多以构造受力合理为重心进展选择，也就是说，桥梁建筑设计与构造设计联络非常严密；桥梁建筑设计与施工方法严密相连，而施工方法与构造受力分析息息相关，这是桥梁工程的显著特点之一。当今世界桥梁飞速开展，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，,而是正积极探究其它崭新的桥式,这就需要对桥梁建筑学进展研究。笔者根据多年桥梁设计的理论经历，结合工程力学原理及建筑美学法那么，总结出合理桥式应遵循的假设干条规律，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

3、梁构造合理形式并非有特定的单一的构造形式，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，桥梁构造合理型式所遵循的一些规律已零散地存在于桥梁建立者的头脑中，并自觉或不自觉地运用于理论。，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，而只能用语言描绘的形式来表达。【准那么1】良好的构造方案是良好构造设计的重要前提。因为在构造设计中，无论多么完美的构造计算都无法弥补经构造构思而形成的构造方案中的缺乏，相反，良好的构造方案却可以部分弥补构造计算中的缺乏。由此可见构造构思的重要性。【准那么2】功能准那么 构造应满足全部功

4、能的要求。准那么2给出了桥式最根本的要求功能要求。【准那么3】功能决定构造。由准那么2不难得到准那么3。桥梁的跨越功能是桥梁最根本的功能之一，桥梁的跨越功能决定了桥梁必须有桥跨构造，而为了支承桥跨构造，必须有支承构造。桥梁要使其上的车辆或行人等平安、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构造被称为桥梁。【准那么4】几何不变准那么 一般工程构造都必须是几何不变体系。为了保证车辆、行人等平安、舒适地通过桥梁，桥梁构造在主要受力面-顺桥向铅垂面内应保证几何不变，在次要受力面-横桥向铅垂面及程度面内亦应保证足够的刚度

5、。这是桥梁成为工程构造的根本条件。判别一构造是否为几何不变的过程称为机动分析。【准那么5】传力途径准那么 合理的构造在荷载作用下，其传力途径较短。传力途径笔者建议将构件中主拉压应力迹线定义为传力途径，将构造在使用荷载包括桓载作用于，各主要受力构件传力途径之和定义为该构造的传力途径总长。对于拉压杆，其主应力迹线均平行于杆件轴线，因此，传力途径等于杆件的长度。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，其传力途径等于杆件的长度。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，其传力途径复杂，此时可将梁比拟为“桁架拉一压构造，其

6、各构件传力途径之和可定义为梁的传力途径。对于弯剪扭耦合构件，可将其比拟为“空间桁架。可见，拉压杆件传力途径较受弯杆件短得多，它是传力最简捷的构件。不管是桥跨构造还是支承构造，不管是横截面内如受弯箱梁在弯矩平面内的传力途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，传力途径简捷、明快者为较好的形式。【准那么6】应力均匀准那么 构造应力应均匀流畅。对于杆系构造，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

7、内力均匀及结点、边界处应力均匀，总之，要求构造应力处处均匀流畅。只有构造应力均匀，才能较好地发挥材料的强度，获得经济效益。准那么5与准那么6是从力学角度衡量桥式优劣的重要准那么。【准那么7】承受轴向拉力或压力的构造，简称为“拉压构造 是合理构造。由于拉/压构造应力均匀流畅，材料强度得到较好地发挥，且传力途径短，因此，不难由准那么5及准那么6得到准那么7。诸如桁架、拱、柱、悬索构造、网架、整体张拉式构造由压杆群和拉索系组成的空间构造体系等均为拉/压构造。【准那么8】承受轴向拉力的跨越构造可能是大跨优越构造，即索构造是大跨优越构造。目前，桥梁用索构造包括悬索桥，斜拉桥及拱桥吊杆采用柔索者等。构造的

8、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构造是不能充当跨越构造的。受弯的桥跨构造不方便施工，应力不够均匀，材料强度不能很好地发挥，传力途径长，现有的受弯材料比强度不高，因此，受弯的桥跨构造不适宜于大跨。受压的桥跨构造虽应力较均匀，材料强度能较好的发挥但存在失稳问题，传力途径较短，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，因此不经济，可见，受压桥跨构造还算不上较好的构造体系。受拉的桥跨构造，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

9、得到很好地发挥，传力途径较短，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，索构造适宜于大跨。【准那么9】预应力索构造是大跨理想构造。在预应力索构造中，预应力使索系处于张紧与稳固状态，使构造体系具有承载才能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构造刚度及承载才能的特点正是预应力索构造的优越所在。如双曲悬索构造及笔者提出的全索桥新桥式便属于预应力索构造。【准那么10】构造连续准那么 合理的构造整体性好，构件体形变化平顺。这不仅是美观的要求，更是准那么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、构造整体性强是力流平顺的必要条件，同时

10、，也可进步构造的承载才能和刚度。【准那么11】合理的构造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。【准那么12】平衡与稳定准那么 一般工程构造必须保持静力平衡，即构造稳定。从力学与美学角度上讲，要求构造平衡。保持静力平衡是桥梁构造平安与美观的前提条件。【准那么13】韵律感与节奏感准那么 合理的构造应有韵律感和节奏感。由准那么3可知，功能决定了构造。因此，构造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，这样形成的合理构造必然具有韵律感和节奏感。准那么13是衡量桥式美观的重要准那么。桥梁孔径的变化、墩高的变化

11、、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那么14：【准那么14】桥梁轮廓尺寸协调准那么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。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。拱桥之矢跨比宜在1/8，1/4内。带单悬臂的简支梁，悬臂长与简支跨长之比宜取0.41左右。带双悬臂的简支梁，悬臂长与简支跨长之比宜取0.35左右。带双悬臂的两等跨连

12、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。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。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。准那么14是桥梁美观、经济、受力合理三者统一协调的典型表现。【准那么15】形式感与量感准那么 合理的构造应有形式感和量感。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：程度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；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。斜线具力感、动感和方向感；波形线条可以产生流

13、动感、跳跃感；悬挑线条可以产生乖巧感、腾越感；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；正放的三角形给人以稳定、平安的感觉，而倒放的三角形会使人感到危险与不安；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；矩形给人以理性、中规中矩的感受。【准那么16】桥梁特有的美学特征桥梁有别于其它构造的美学特征有：通达之美、凌空之美、流畅之美及刚柔之美。桥梁由此岸到达此岸，使道路通达，因此有其功能美-通达之美。桥梁为一跨越构造，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。桥梁为一带状构造，长大桥中的竖曲线设置使桥面看上去连续流畅、纤

14、细轻快。桥梁构造兼顾了刚柔之美。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。【准那么17】桥梁与环境协调准那么 工程构造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、树林或原野等协调。【准那么18】地形与桥式准那么 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，近间隔 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：当桥梁规模较大、气势宏伟时，突

15、出桥梁之美；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；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。【准那么19】造型与受力准那么笔者以为，当跨度不大时 ，由于桥梁受力不大，其造型发挥的余地就大，可以很好地供人欣赏；而当跨度较大时，由于桥梁受力较大，其造型当以构造受力合理为重心进展选择，而这种造型并不是不美。这是技术与艺术的统一。【准那么20】可靠性准那么合理的构造应使构造在设计寿命期内平安可靠，即构造强度、刚度、稳定性及耐久性均应满足要求。假设说前面的准那么是从力学角度及美学角度等讨论构造构思的话，那么，本准那么20那么是验证构思是否成立。如前所述，由于桥梁建筑设计与构造

16、计算联络严密，因此，在桥梁的实际设计过程中，方案构思与构造计算应穿插进展、互相协作。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根底。桥式方案设计包括平面设计，即平面线形选取及桥梁平面布置等；立面设计，即孔跨布置及式样选择等；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、道路等级、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，地质越差或下部构造投资越大，就越宜采用较大的跨度，以减少支承构造的工程量，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根底，结合桥址工程条件提出跨度、桥式及施工方法三者严密联络，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展比拟：适用功能、平安可靠性、经济与美观；比拟的工程应包括孔跨布置、式样、建筑高度、桥