橋式最優設計理論研究
發布時間：2010-01-14 共2頁
簡介： 在漫長的古代和中世紀，從事建筑營造活動的工匠，既是建筑師，又是結構工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結構的復雜化，才出現了建筑師與結構工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現在，一位橋梁設計師既是建筑師，又是結構工程師。依筆者之見，究其原因大概有三條.
關鍵字：道路橋梁 設計理論
1 引言
在漫長的古代和中世紀，從事建筑營造活動的工匠，既是建筑師，又是結構工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結構的復雜化，才出現了建筑師與結構工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現在，一位橋梁設計師既是建筑師，又是結構工程師。依筆者之見，究其原因大概有三條：
①橋梁的功能并不復雜，其建筑設計可由結構工程師代替；
②橋梁所受荷載較房屋建筑特別大，因而，其造型大多以結構受力合理為重心進行選擇，也就是說，橋梁建筑設計與結構設計聯系非常緊密；
③橋梁建筑設計與施工方法緊密相連，而施工方法與結構受力分析息息相關，這是橋梁工程的顯著特點之一。
當今世界橋梁飛速發展，越來越多的橋梁需要我們去建造，尤其是正在醞釀的跨海峽大橋，其迫切需要超大跨徑，于是，人們開始不滿足于現有的橋式，，而是正積極探索其它嶄新的橋式，這就需要對橋梁建筑學進行研究。筆者根據多年橋梁設計的實踐經驗，結合工程力學原理及建筑美學法則，總結出合理橋式應遵循的若干條規律，初步形成了橋式最優設計理論。
2 合理橋式所遵循的規律
橋梁結構合理形式并非有特定的單一的結構形式，因此，研究其特性應從總體上把握其規律，然后，以其為標準評價所要討論橋式的優劣。
實際上，橋梁結構合理型式所遵循的一些規律已零散地存在于橋梁建設者的頭腦中，并自覺或不自覺地運用于實踐。，這里只不過將其歸納總結，使之系統化、理論化、使其具有邏輯性，有層次感。這些規律難以定量化，而只能用語言描述的形式來表達。
【準則1】良好的結構方案是良好結構設計的重要前提。
因為在結構設計中，無論多么完美的結構計算都無法彌補經結構構思而形成的結構方案中的不足，相反，良好的結構方案卻能夠部分彌補結構計算中的不足。由此可見結構構思的重要性。
【準則2】功能準則 結構應滿足全部功能的要求。
準則2給出了橋式最基本的要求——功能要求。
【準則3】功能決定結構。
由準則2不難得到準則3.橋梁的跨越功能是橋梁最基本的功能之一，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，橋梁須能承受車輛、行人等荷載，且不產生過大的變形而影響使用。正是橋梁功能的要求，才使得為滿足橋梁功能要求而修建的結構被稱為橋梁。
【準則4】幾何不變準則 一般工程結構都必須是幾何不變體系。
為了保證車輛、行人等安全、舒適地通過橋梁，橋梁結構在主要受力面-順橋向鉛垂面內應保證幾何不變，在次要受力面-橫橋向鉛垂面及水平面內亦應保證足夠的剛度。這是橋梁成為工程結構的基本條件。
判別一結構是否為幾何不變的過程稱為機動分析。
【準則5】傳力路徑準則 合理的結構在荷載作用下，其傳力路徑較短。
傳力路徑——筆者建議將構件中主拉（壓）應力跡線定義為傳力路徑，將結構在使用荷載（包括桓載）作用于，各主要受力構件傳力路徑之和定義為該結構的傳力路徑總長。
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。但梁常為彎剪耦合構件，梁內任意一點均處于二向受力狀態。其主應力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復雜，此時可將梁比擬為“桁架”（拉一壓結構），其各構件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對于彎剪扭耦合構件，可將其比擬為“空間桁架。可見，拉（壓）桿件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡捷的構件。
不論是橋跨結構還是支承結構，不論是橫截面內（如受彎箱梁在彎矩平面內的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應配置在靠近腹板的范圍內為好等）還是細部構造（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，細部構造優越等），傳力路徑簡捷、明快者為較好的形式。
【準則6】應力均勻準則 結構應力應均勻流暢。
對于桿系結構，應力均勻流暢包括桿件橫截面內應力均勻，沿桿件長度方向內力均勻及結點、邊界處應力均勻，總之，要求結構應力處處均勻流暢。
只有結構應力均勻，才能較好地發揮材料的強度，取得經濟效益。
準則5與準則6是從力學角度衡量橋式優劣的重要準則。
【準則7】承受軸向拉力或壓力的結構，簡稱為“拉／壓結構” 是合理結構。
由于拉/壓結構應力均勻流暢，材料強度得到較好地發揮，且傳力路徑短，因此，不難由準則5及準則6得到準則7.諸如桁架、拱、柱、懸索結構、網架、整體張拉式結構（由壓桿群和拉索系組成的空間結構體系）等均為拉/壓結構。
【準則8】承受軸向拉力的跨越結構可能是大跨優越結構，即索結構是大跨優越結構。
目前，橋梁用索結構包括懸索橋，斜拉橋及拱橋（吊桿采用柔索者）等。
結構的受力狀態從本質上講，只有拉和壓這兩種互為相反的狀態；而受彎是拉與壓的組合。跨越體系的受力狀態可以是受拉、受壓或受彎，而單純受扭或受剪的結構是不能充當跨越結構的。
①受彎的橋跨結構不方便施工，應力不夠均勻，材料強度不能很好地發揮，傳力路徑長，現有的受彎材料比強度不高，因此，受彎的橋跨結構不適宜于大跨。
②受壓的橋跨結構雖應力較均勻，材料強度能較好的發揮（但存在失穩問題），傳力路徑較短，但不方便施工，且受壓材料比強度不高，對于大跨橋梁，幾何非線性的影響使其所受內力聚增，因而不經濟，可見，受壓橋跨結構還算不上較好的結構體系。
③受拉的橋跨結構，雖存在振動、腐蝕、疲勞及大變形等問題，但其架設方便，應力均勻，材料強度能得到很好地發揮，傳力路徑較短，材料（索）比強度高，當考慮幾何非線性影響時，其內力大大減小，帶來顯著的經濟效益，因此，索結構適宜于大跨。
