橋梁設計理論

　　導語： 橋梁，一般指架設在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構筑物。為適應現(xiàn)代高速發(fā)展的交通行業(yè)，橋梁亦引申為跨越山澗、不良地質(zhì)或滿足其他交通需要而架設的使通行更加便捷的建筑物。 橋梁一般由上部構造、下部結構、支座和附屬構造物組成，上部結構又稱橋跨結構，是跨越障礙的主要結構;下部結構包括橋臺、橋墩和基礎;支座為橋跨結構與橋墩或橋臺的支承處所設置的傳力裝置;附屬構造物則指橋頭搭板、錐形護坡、護岸、導流工程等。

　　1引言

　　橋梁設計工作中，因橋與建筑設計工作和施工方法及結構設計的緊密聯(lián)系，使得橋梁設計師，即是建筑師，又是結構師。隨著橋梁建筑的迅速發(fā)展，我國現(xiàn)在的橋梁建設越來越趨向超大跨徑，這就需要橋式設計理論的同步發(fā)展。本文依據(jù)實際的橋梁設計經(jīng)驗及建筑美學，結合工程力學原理對橋梁設計中的最優(yōu)設計理論加以探討。

　　2橋梁設計的基本規(guī)律

　　橋梁結構設計的合理形式并非是特定的形式，也非單一的結構形式，但在總體上仍然具有其統(tǒng)一的基本規(guī)律，本文即以此為基本標準來討論合理橋式設計的一些原則與規(guī)律。

　　一般來說，在實際的橋梁建筑中，橋梁設計師基于長期的工作實踐，遵循橋梁結構合理形式的一般規(guī)律，并形成自己的基本套路和風格，只是把這些規(guī)律與經(jīng)驗系統(tǒng)理論的總結歸納做得比較少，因此可以說，我國橋式理論相對薄弱，需要廣大橋梁設計師勇于把自己的經(jīng)驗系統(tǒng)化、理論化，使其具有邏輯性、層次感，把難以定量化的規(guī)律用語言的形式歸納出來。本人結合自己的工作實際，認為橋梁設計的基本規(guī)律有如下幾點：

　　2.1良好的結構方案。良好的結構設計方案是完美的結構的重要前提和基礎，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。但無論多么完美的結構計算都無法彌補結構方案中結構構思的不足。相反，良好的結構方案卻能夠部分彌補結構計算中的不足，甚至能夠推動結構計算的進一步提高，由此可見結構構思的重要性。

　　良好的結構方案還要保證在設計壽命期內(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。

　　2.2滿足橋式最基本的要求—功能準則。橋梁必須能夠承受車輛、行人等荷載，且不產(chǎn)生過大的變形而影響使用。這是橋梁功能的要求，因此橋梁的跨越功能是橋梁最基本的功能之一，即功能決定結構。

　　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，才使得為滿足橋梁功能要求而修建的結構被稱為橋梁。

　　另外由于橋梁要有一定的承載力，保證車輛、行人舒適并安全地通過橋梁，而且要使橫橋向鉛垂面及水平面內(nèi)亦應保證足夠的剛度，這就需要工程結構必須是幾何不變體系，幾何不變準則一般工程結構都必須是幾何不變體系，保證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，這也是橋梁工程結構的基本條件，這一條件可通過機動分析來判別。

　　3橋式設計的力學準則

　　橋式力學原則是從力學角度衡量橋式優(yōu)劣的重要準則。

　　3.1在荷載作用下合理的結構設計傳力路徑較短。

　　不管是橋跨結構還是支承結構，其橫截面內(nèi)、細部構造均以簡捷明快的傳力路徑為佳，比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，主筋應配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等，再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。

　　一般說來，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。

　　拉(壓)桿件傳力路徑較受彎桿件短，是傳力最簡捷的構件。因此梁如果是彎剪耦合構件，可比擬為“桁架”(拉一壓結構)，把各構件傳力路徑之和定義為傳力路徑。這是因為彎剪耦合構件內(nèi)任意一點均處于二向受力狀態(tài)。其主應力跡線呈曲線，傳力路徑復雜;如果是彎剪扭耦合構件，可比擬為“空間桁架”。

　　因此，可以這樣定義：傳力路徑為構件中主拉(壓)應力跡線定義為傳力路徑，傳力路徑總長為荷載作用下的結構作用于各主要受力構件傳力路徑的總和

　　3.2結構應力應均勻流暢，構件體形變化要平順。這樣才能較好地發(fā)揮材料的強度。結構的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。桿系結構應包括桿件橫截面內(nèi)應力均勻流暢，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。

　　4橋梁設計的美學原則

　　4.1合理的設計要有形式感和量感。一般說來橋梁所采取的不同形式及線條會帶給你不同的感受，比如斜線具力感、動感和方向感;平線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;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。懸挑線條可以產(chǎn)生靈巧感、騰越感。這些形式因素會對人的精神所產(chǎn)生的某種感染力，即美學中的形式感。

　　4.2要具有橋式設計獨有的美學特征。橋梁具有別于其它建筑結構的美學特征。由于橋梁的特殊形狀和體量，因此完美的橋梁設計會展現(xiàn)出多種獨特的美感，如直線橋梁的通達之美，具有連續(xù)通達、跨越結構由此及彼的凌空之美，具有動感和方向感;帶狀結構長大橋中豎曲線設置所體現(xiàn)的橋面的流暢之美，具有飄逸、流暢的美;以及斜索和大跨相結合所展現(xiàn)的剛柔之美，騰空而起的梁、索既有張力感，又有動感。

　　4.3與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)美。橋梁結構的造型與體量都應與所處的周圍環(huán)境，不管是城市的房屋建筑，道路，雕塑還是其它的山川河谷、曠野樹林等，都要做到和諧統(tǒng)一。

　　環(huán)境與橋式設計要相互協(xié)調(diào)。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。所以在山區(qū)地形比較適宜修建拱橋或吊橋，并與山區(qū)的特殊景觀相適應，造成一種和諧之美。平原地形宜修建梁橋或斜拉橋。因平原地勢平坦，可以突出橋梁的宏大氣勢之美。另外橋梁美應兼顧細部美，使近距離觀賞也具有美感。

　　4.4均衡穩(wěn)定的韻律感和節(jié)奏美感。一般工程結構必須保持靜力平衡，即結構穩(wěn)定。從工程建筑力學和建筑美學角度上講，橋梁設計的結構要均衡和穩(wěn)定，這是橋梁結構美觀更是安全的前提條件，因此，工程結構必須靜力平衡。而這種合理的結構能達到橋梁的功能要求并使其有機地結合起來，從而具有獨特的韻律感和節(jié)奏感。有人說建筑是凝固的音樂，和諧的韻律與節(jié)奏使美麗的橋梁看上去就如無聲而美妙的音樂。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。

　　5把握好設計與施工的關系

　　橋梁設計在設計初期就應該充分考慮施工的難度，盡早確定好相應的施工方案，尤其是創(chuàng)造性的設計往往到了施工階段才發(fā)現(xiàn)困難，導致橋梁設計好后發(fā)現(xiàn)施工難度比較大，工期難以保證和比較大的經(jīng)濟浪費。比如盧浦大橋主橋，臨時的索塔就花了5000多噸的鋼結構。橋造好了以后還得拆掉。因此如果在設計的早期就讓施工單位的主要技術力量介入進來會更好的實現(xiàn)橋式的最優(yōu)設計。

　　6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，本文只是簡要的做了其中幾個方面的探討，合理的橋式設計可以為橋式方案設計、乃至橋梁建筑學提供了理論基礎，即提高各方面的效益，又能減少橋式設計中盲目探索的情況。深入的發(fā)展橋式最優(yōu)設計理論的研究，會對我國大型橋梁建設帶來更大的經(jīng)濟與社會效益。

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