《桥梁建筑新论》第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律Word格式.docx

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桥梁的受力特点等决定了桥梁建筑理性的特点。

3.2桥式最优设计理论（optionaldesigntheoryofbridgeshapes）研究

3.2.1结构设计概念

谈到桥梁建筑设计，就不得不提到结构设计概念，它是结构概念设计的重要组成部分（工程可行性研究从略）。

它虽然不如数学公式那么严密，但其内涵却博大精深。

笔者以为，概念设计大师、预应力先生——林同炎正是对结构内在规律的洞察，才不拘一格，设计出诸如：

&

#8226;

美洲银行大厦——框筒结构；

莫斯康会议中心——系杆拱结构、

波多黎各的Ponce圆形剧场——双曲抛物线壳；

亚利桑那市场大厅——双曲抛物面马鞍形悬索屋盖；

RioColorado桥——反吊桥；

旧金山航空港高架桥——展翅梁；

Ruck-A-Chucky桥——曲线斜拉桥

等传世佳作。

定义［3.1］工程结构（engineeringstructure）由若干构件相互联结并支撑于大地上的几何不变体系。

基本构件受力状态有：

拉（tension）、压（compression）、弯（bending）、剪（shear）、扭（torsion）及其组合（combination）等。

基本构件按其受力特点分为：

梁（beam）、板（slab）、柱（column）、拱（arch）、壳（shell）与索（cable）（拉杆）（tension

member）六大类。

工程结构中常用的基本类型有：

梁、板、柱、桁架（truss）、拱、排架、框架、折板结构、壳体结构（shell

structutre）、网架结构、悬索结构（suspension

structure）、剪力墙、筒体结构、悬吊结构、板柱结构、墙板结构、充气结构等。

定义［3.2］工程结构设计（designofengineeringstructure）

处理工程结构的安全性、适用性、经济性及美观的过程。

分为结构构思与结构计算两阶段。

定义［3.3］结构构思（structuralthoughtprocesses）

在满足结构功能要求的前提下，通过综合处理各种矛盾（功能、结构、技术、经济与美观之间），合理地组织各构件，以解决结构的传力系统及方式，使结构成为几何不变体系、均衡与稳定、传力路径短、应力均匀，有韵律感与节奏感，与周围环境协调等的过程。

结构构思的过程是从大量的未知领域或多种选择中确定需要的目标，如结构总体布置、外形尺寸、工程材料及施工方法等，它需要创造性地将知识（科学）与技巧（艺术）结合起来。

构思过程中应能注意到各种关系与联系，做到分析与综合的结合：

①既要看到总体，又要注意到细部。

②既要注意到现在，又要考虑到未来。

③既要处理好核心问题，又要照顾到次要问题。

④既要理解结构的内部关系，又要妥善处理与周边的相互作用。

⑤既要考虑到设计的可行性，又要考虑到施工的可行性；

　既要考虑到运营，又要考虑到维修与改建。

⑥既要考虑到结构，又要考虑到功能。

⑦既要适用，又要耐久。

⑧既要经济，又要安全。

⑨既要讲技术，又要讲艺术。

⑩既要考虑到自身的美观，又要考虑到与周围环境的协调（景观设计）。

结构构思是建筑师的主要工作内容。

由于其的复杂性与创造性，最优设计难以实现，但设计结果也应力求在合理的范围内。

目前，结构构思主要靠人工来完成，而计算机对此无能为力。

定义［3.4］结构计算（structuralcalculationprocesses）

分为结构分析及应力分析，以给出结构各构件之尺寸及连接设计，使结构安全可靠，即使结构强度，刚度及稳定性等均应满足要求的过程。

计算的过程主要是分析和评估结构在给定荷载作用下的响应，一方面确定结构的内力，应力和变形等，另一方面评估结构是否满足设计规范的要求。

由于计算的过程通常不含有未知的因素，计算遵循固定的程序与模式（如有限元法分析及内力／应力检算等）等，因此，与构思的过程相比，计算过程应更容易些。

目前，这一任务主要由计算机来完成。

准则［3.1］良好的结构方案是良好结构设计的重要前提。

Execellentstructureplanistheimportantpresuppositionof

execellentstructuredesign.

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。

对于技术复杂或规模较大的桥梁，都要求进行桥式方案的比选，这是合乎科学的程序。

定义［3.5］桥梁供铁路、道路、渠道、管线或行人等跨越河流、山谷或其它交通线路等障碍物时使用的工程结构物。

桥梁作为一工程结构，其功能可由其定义一目了然，即桥梁的功能是跨越河流、山谷或其它交通线路等。

尽管桥梁的功能归根到底总是“跨越”，然而，桥梁的结构形式却丰富多彩，常把“桥梁的形式”简称为桥式。

桥梁中桥式的概念应该与建筑中体型的概念相对应。

定义［3.6］桥式指桥的结构体系，横截面形式及特征性构造等，尤其以桥跨结构形式所占的比重最大。

可见，研究桥式就是要研究桥的结构体系、横截面形式及特征性构造。

这三者最能反

映桥的形式。

3.2.2最优桥式所遵循的一般规律

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，桥梁结构合理形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，并自觉地运用于实践。

挖掘其规律并使之系统化是非常有意义的［3.1］。

以下有关桥梁力学与美学的准则便是笔者在桥梁建筑设计中的体会与理解，而其中的一些规律不仅仅适用于桥梁，也适用于其它工程结构物。

准则［3.2］功能公理结构应满足全部功能的要求。

Astructureshouldfulfilitsfunction.

准则［3.2］给出了桥式最基本的要求——功能要求。

若笼统地讲，桥梁的功能是跨越。

但细致地分析，桥梁结构一般应满足下列功能要求：

①能承受正常施工和正常使用过程中可能出现的各种作用（包括荷载、外加变形和约束变形以及温度的作用等）。

②在正常使用过程中具有良好的工作性能，如不产生过大的变形和过宽的裂缝等。

③具有足够的耐久性，即在结构的设计寿命期内不发生严重的风化、腐蚀和老化。

④在偶然事件发生时及发生后，能保持必要的整体稳定性。

这里包含了结构的安全性、适用性和耐久性等，其统称为结构的可靠性。

为方便建筑设计，笔者将桥梁功能划分为跨越功能和交通功能。

由准则［3.2］可推出如下准则［3.3］：

准则［3.3］功能决定结构。

Functionsdeterminesstructure.

修建桥梁，目的是让道路跨越障碍物而得以延续（交通功能），其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，而为了支撑桥跨结构，必须有支撑结构。

桥梁要使其上的车辆或行人等安全、舒适地通过，因此，桥梁需能承受车辆、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所修建的结构被称为桥梁。

准则［3.4］结构几何不变性（geometricalinvariabilityof

structure）准则　一般工程结构都必须是几何不变体系。

Ingeneral,geometricpatternsofengineeringstructuremustbe

invariable.

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内（竖向）应保证几何不变，在次要受力面内（横向）亦应保证足够的刚度。

这是桥梁成为工程结构的基本条件。

判别一体系是否为几何不变体系的过程称为机动分析［3.7］。

定义［3.7］几何不变体系受到任意荷载作用时，若不考虑材料的变形，则其几何形状与位置均能保持不变的体系。

几何不变的平面体系的组成规则有三条：

①三刚片规则三个刚片用不在同一直线上的三个单铰两两相联所组成的体系是几何不变的。

②二元体规则在一个刚片上增加一个二元体所形成的体系是几何不变的。

③两刚片规则

两个刚片用一个铰和一根不通过此铰的链杆相联所组成的体系是几何不变的，或两个刚片用三根不全平行也不交于同一点的链杆相联所组成的体系是几何不变的。

上述规则中所提到的二名词——刚片及二元体见如下定义。

定义［3.8］刚体

在机动分析中，由于不考虑材料的变形，因此可以把一根构件或已知是几何不变的那部分看作一个刚体，在平面体系中又称为刚片。

大地便是一特殊刚体。

定义［3.9］二元体两根不在一直线上的链杆联结一个新结点的构造。

准则［3.5］均衡与稳定公理一般工程结构必须保持静力平衡，即结构稳定。

Ingeneral,engineeringstructuremustkeepitselfbalancy,i.e.

structurestability.

处于地球重力场内的一切物体，只有当其重心最低且左右均衡时，才会给人稳定的感觉。

从力学与美学角度上讲，都要求结构均衡。

均衡分为静态均衡（对称均衡与不对称均衡）与动态均衡（如飞鸟式、螺旋形、具动感的曲线等）。

保持静力平衡是桥梁结构安全与美观的前提条件。

准则［3.6］传力路径公理合理的结构在荷载作用下，其传力路径较短。

Asareasonablestructure,thewayofloadstransmissionis

shortter.

定义［3.10］传力路径（thewayofloadstransmission）

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（包括恒载）作用下，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。

由于桥梁为一狭长结构，其主要传力面为竖向，而横向为次要传力方向。

因此，妥善处理好竖向传力途径是关键问题，同时，照顾到横向传力问题。

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为状态。

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——压结构），其各构件传力路每项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。

而力在普通梁中所走的是最坏的弯路，仅从力学上来看，梁不是理想的构件。

一个优越的结构，应当根据最短的传力路径来组织各构件，因为结构的传力路径越短、越直接，其工作效能就越高，所耗材料也就越少；

尤其是结构承受的荷载越大，就越应当合理地组织各构件，使其传力路径简捷，这也是准则［3.19］的依据。

不论是桥跨结构（荷载要在桥跨范围内以最短路径传到支撑结构）还是支撑结构（上部结构传来的荷载要以最短路径通过支撑结构传至大地）；

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时方便，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。

若单从“传力路径最短”这一准则出发，则不难发现：

悬带桥是传力路径最短的桥式。

常见桥式竖向传力路径如图3.1所示。

图3.1常见桥式竖向传力路径（实线为受压，虚线为受拉）

准则［3.7］应力均匀准则结构应力应均匀流畅。

Asareasonablestructure,itsstressshouldbeuniform.

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。

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。

另外，结构应力均匀也是优越结构必备的条件之一。

一般情况下，超静定结构要比相应的静定结构内力分布均匀些，而超静定次数高的结构要比超静定次数低的结构内力分布均匀些。

借助于弯矩概念或弯矩图（bendingmoment

diagram），可帮助我们了解结构的传力路径及各构件的应力均匀性，比较不同桥式的工作原理，深入了解和掌握各种桥式的发展演变及相互联系，从而探求尽可能减小结构中弯矩大小及弯曲应力大小的各种途径，寻求满足功能要求、适应桥址地形、地貌、地质及水文等条件的合理桥式。

准则［3.6］与准则［3.7］是从力学角度衡量桥式优劣的重要优化准则。

然而，早在20世纪40年代，就曾提出以下几条优化准则：

①同步极限准则　最优设计的构件在受力后各部分应同时达到极限状态。

②满应力设计准则　最优设计的结构，其每一构件应在至少一种工况下达到它的容许应力限值。

③最轻设计准则　一般的满应力设计可能相当接近于、甚至就等于最轻设计。

最轻设计必须满足的条件是：

当任何一个自由设计变量作单位变化时，结构的刚度收益和重量支出的比值应彼此相等，即都等于某一常数。

也可以说，在最轻结构中，自由设计变量都被调整到具有相等的优化效率。

这意味着对结构刚度贡献大的设计变量，应该多负点重量。

笔者以为：

体系优化才是第一位的，构件截面优化是第二位的；

体系优化远比个别构件优化效益大。

另外，对工程造价（或建筑安装费）追求最省，也是建筑师或结构工程师期望的目标之一。

换句话说，建筑师或结构工程师也希望自己的产品/作品有良好的性价比（性能/价格）。

由准则［3.6］与准则［3.7］可推出准则［3.8］，准则［3.9］与准则［3.10］，它为寻求最优结构指明了方向。

准则［3.8］承受轴向拉力或压力的结构，简称为“拉／压结构”“tension/compression

structure”可能是合理结构。

Thestructurewhichconsistsofpull-barsorpush-bars,i.e.

“tension/compressionstructure”maybeareasonablestructure.

由于拉／压结构应力均匀流畅、传力简捷、材料强度能够得到较好地发挥，因此，“拉／压结构”可能是合理结构。

诸如桁架、拱（壳）、柱（筒）、悬索结构、钢管网架、密索式斜拉桥、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，而最后者——整体张拉式结构（tensegrity

system）正是人们理性探索的结果。

北京工业大学陆赐麟教授在寻求最佳预应力钢结构形式的研究与探索中曾对理想的预应力钢结构作过预测和描述［3.6］：

“这种新型结构既不是建立在普通结构的基础上，更不是普通结构中个别杆件的改善，而是重新建立完全区别于普通结构图形的新式结构体系。

可以设想，在这种结构体系中具有最多数量的柔性拉杆，这些拉杆由于预应力的作用，既可承受拉力，又可承受压力。

基本为轴心受压的构件代替了受弯构件，轴心受压的杆件又都受预应力的作用而在受载前产生内部预拉应力……

。

只有这种新型体系的建立，才能彻底地、大量地节约钢材，充分地利用材料强度。

”

笔者不禁为陆赐麟教授敏锐的眼光及无限的畅想所折服。

准则［3.9］承受轴向拉力的跨越结构可能是大跨优越结构，即索结构可能是大跨优越结构。

Stridingstructurethatsupportspullforcesmaybeareasonable

structurewithlargespans,inotherwords,cable-structuremaybe

areasonablestructurewithlargespans.

目前，用于桥梁的索结构包括悬索桥、斜拉桥及拱桥（吊杆采用柔索者）等。

桥跨结构可以是受拉、受压或受弯。

现分别概论其优、缺点：

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，材料强度能较好地发挥，传力路径较短，但存在失稳问题，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，受压的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、疲劳等问题，但其应力均匀，架设方便，材料强度能得到很好地发挥，传力路径较短，受拉的材料比强度高，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［3.10］预应力索结构可能是大跨理想结构。

Pre-stressedcablestructuremaybeaperfectstructurewithlarge

spans.

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（见第八章）便属于预应力索结构。

可见，优越结构排序如下：

第一位：

受拉结构；

第二位：

拉－压结构；

第三位：

受压结构；

第四位：

受弯结构。

值得一提的是：

香港汀九斜拉桥［3.7］是一座预应力索结构，其孔跨布置为三塔四跨连续斜拉桥（127m＋448m＋475m＋127m），其特点主要有：

①本桥为四索面体系；

②为控制中塔的位移，采用中塔两侧各设一对锚索，由中塔塔顶斜拉至过塔靠近主梁处，并提高中塔的高度；

③桥塔选用独柱型，传力简捷，而塔身在横向采用钢横梁、钢斜撑和横向拉索进行加宽，以承担主梁。

准则［3.11］结构连续公理合理的结构整体性好（超静定结构尤其如此），构件体形变化平顺，结点处或边界处过渡平滑。

Areasonablestructureisanentiretywiththeshapesofmembers

changingsmoothly.

这不仅是美观的要求，更是准则[3.7]——应力均匀的要求，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，这也是当今桥梁普遍不设铰的原因所在吧！

准则［3.12］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（满跨）荷载，而避免集中荷载等。

Areasonablestructureshouldmakeitsmembersloadedwitheven

distributingforces.

在桥梁设计中，为减小集中轮载的集中作用，常于桥面上铺一定厚度的桥面层，以扩散轮载的集中作用，使主要受力构件承受较为均匀的荷载；

为扩散支座对梁产生的支承力的集中作用，常于支座处设置横隔梁或横隔板等，同时，这也是“传力转向”的要求。

另外，拱桥中采用较密的立柱或吊杆、吊桥中采用较密的吊索、斜拉桥采用较密的斜拉索等，均是使主要受力构件承受较为均匀荷载的典型范例。

这是应力均匀，传力简捷之要求。

准则［3.13］韵律感与节奏感准则合理的结构应有韵律感和节奏感。

Areasonablestructureisrhythmic.

自然界或人工建筑物中的许多事物或现象，由于有秩序地变化或有规律地重复出现，往往激起人们的美感，这种美通常称为韵律美。

由准则［3.3］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，这样形成的巨大的、永久的、固定的、可视的合理结构必然不能令人漠视其在人类生活环境中的精神作用与美学价值，其韵律感和节奏感油然而生。

·

桥梁孔径的变化；

墩高的变化；

式样的变化；

桥面的弯曲与起伏；

斜拉索的辐射；

大缆优美的曲线；

拱的弯曲等等

都形成了韵律与节奏（连续韵律、渐变韵律、起伏韵律及交错韵律）。

合谐的韵律与节奏（见图3.2所示）使美丽的桥梁看上去如无声而美妙的音乐。

图3.2曲线布置、形似蜈蚣、流畅优美的多跨长桥

　　准则［3.13］是衡量桥式美观的重要准则。

有关桥梁轮廓尺寸的协调比例关系见如下准则［3.14］。

准则［3.14］桥梁轮廓协调准则

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［1/11，1/7］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带双悬臂的两跨（跨度相同）连续梁，其悬臂长与跨度之比宜取0.33左右。

⑨三跨连续梁，其边跨长与中跨之比取0.8左右时较好。

⑩中间跨为等跨的多跨连续梁，其边跨与中跨跨度的比值宜在［0.65，0.7］内。

注：

第⑧⑨⑩条均只适用于建造过程中未发生体系转换之情形。

①Toabeambridg