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橋梁設計理論
導語(yǔ)： 橋梁，一般指架設在江河湖海上，使車(chē)輛行人等能順利通行的構筑物。為適應現代高速發(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(mǎn)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(chēng)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(zhù)橋梁建筑的迅速發(fā)展，我國現在的橋梁建設越來(lái)越趨向超大跨徑，這就需要橋式設計理論的同步發(fā)展。本文依據實(shí)際的橋梁設計經(jīng)驗及建筑美學(xué)，結合工程力學(xué)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一的基本規律，本文即以此為基本標準來(lái)討論合理橋式設計的一些原則與規律。
一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際的橋梁建筑中，橋梁設計師基于長(cháng)期的工作實(shí)踐，遵循橋梁結構合理形式的一般規律，并形成自己的基本套路和風(fēng)格，只是把這些規律與經(jīng)驗系統理論的總結歸納做得比較少，因此可以說(shuō)，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)驗系統化、理論化，使其具有邏輯性、層次感，把難以定量化的規律用語(yǔ)言的形式歸納出來(lái)。本人結合自己的工作實(shí)際，認為橋梁設計的基本規律有如下幾點(diǎn)：
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(shí)際設計過(guò)程中，方案構思與結構計算應交叉進(jìn)行、相互協(xié)作。但無(wú)論多么完美的結構計算都無(wú)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(dòng)結構計算的進(jìn)一步提高，由此可見(jiàn)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安全可靠，即結構強度、剛度、穩定性及耐久性均應滿(mǎn)足要求。
2.2滿(mǎn)足橋式最基本的要求—功能準則。橋梁必須能夠承受車(chē)輛、行人等荷載，且不產(chǎn)生過(guò)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(chē)輛或行人等安全、舒適地通過(guò)，才使得為滿(mǎn)足橋梁功能要求而修建的結構被稱(chēng)為橋梁。
另外由于橋梁要有一定的承載力，保證車(chē)輛、行人舒適并安全地通過(guò)橋梁，而且要使橫橋向鉛垂面及水平面內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(guò)機動(dòng)分析來(lái)判別。
3橋式設計的力學(xué)準則
橋式力學(xué)原則是從力學(xué)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、細部構造均以簡(jiǎn)捷明快的傳力路徑為佳，比如受彎箱梁在彎矩平面內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(jiǎn)捷;帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統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(shuō)來(lái)，對于拉(壓)桿，其主應力跡線(xiàn)均平行于桿件軸線(xiàn)，因此，傳力路徑等于桿件的長(cháng)度。而對于純受彎桿件，任一橫截面內均有拉應力及壓應力，其主拉(壓)應力跡線(xiàn)亦平行于桿件軸線(xiàn)，其傳力路徑等于桿件的長(cháng)度。
拉(壓)桿件傳力路徑較受彎桿件短，是傳力最簡(jiǎn)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任意一點(diǎn)均處于二向受力狀態(tài)。其主應力跡線(xiàn)呈曲線(xiàn)，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(xiàn)定義為傳力路徑，傳力路徑總長(cháng)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(diǎn)處或邊界處過(guò)渡平滑、結構整體性強是力流平順的必要條件，同時(shí)，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應力均勻流暢，沿桿件長(cháng)度方向內力均勻及結點(diǎn)、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(xué)原則
4.1合理的設計要有形式感和量感。一般說(shuō)來(lái)橋梁所采取的不同形式及線(xiàn)條會(huì )帶給你不同的感受，比如斜線(xiàn)具力感、動(dòng)感和方向感;平線(xiàn)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(wú)際的平原;垂直線(xiàn)條給人的感受是莊嚴、高昂，它使人聯(lián)想到向上生長(cháng)的樹(shù)木、挺立蒼穹的高山。懸挑線(xiàn)條可以產(chǎn)生靈巧感、騰越感。這些形式因素會(huì )對人的精神所產(chǎn)生的某種感染力，即美學(xué)中的形式感。
4.2要具有橋式設計獨有的美學(xué)特征。橋梁具有別于其它建筑結構的美學(xué)特征。由于橋梁的特殊形狀和體量，因此完美的橋梁設計會(huì )展現出多種獨特的美感，如直線(xiàn)橋梁的通達之美，具有連續通達、跨越結構由此及彼的凌空之美，具有動(dòng)感和方向感;帶狀結構長(cháng)大橋中豎曲線(xiàn)設置所體現的橋面的流暢之美，具有飄逸、流暢的美;以及斜索和大跨相結合所展現的剛柔之美，騰空而起的梁、索既有張力感，又有動(dòng)感。
4.3與周?chē)h(huán)境的協(xié)調美。橋梁結構的造型與體量都應與所處的周?chē)h(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(shù)林等，都要做到和諧統一。
環(huán)境與橋式設計要相互協(xié)調。一般來(lái)說(shuō)，橋梁與周?chē)h(huán)境相比會(huì )顯得較小，在人們的視線(xiàn)里，就只看到其輪廓，因此，橋梁以其輪廓美為主。所以在山區地形比較適宜修建拱橋或吊橋，并與山區的特殊景觀(guān)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(guān)賞也具有美感。
4.4均衡穩定的韻律感和節奏美感。一般工程結構必須保持靜力平衡，即結構穩定。從工程建筑力學(xué)和建筑美學(xué)角度上講，橋梁設計的結構要均衡和穩定，這是橋梁結構美觀(guān)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(lái)，從而具有獨特的韻律感和節奏感。有人說(shuō)建筑是凝固的音樂(lè )，和諧的韻律與節奏使美麗的橋梁看上去就如無(wú)聲而美妙的音樂(lè )。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(xiàn)及拱的彎曲等等都形成了韻律與節奏。
5把握好設計與施工的關(guān)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)現困難，導致橋梁設計好后發(fā)現施工難度比較大，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(shí)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(shù)力量介入進(jìn)來(lái)會(huì )更好的實(shí)現橋式的最優(yōu)設計。
6結語(yǔ)
橋式最優(yōu)設計理論是對橋梁各構件組成規律的研究，本文只是簡(jiǎn)要的做了其中幾個(gè)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(xué)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(huì )對我國大型橋梁建設帶來(lái)更大的經(jīng)濟與社會(huì )效益。
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