橋式最優設計理論研究
發布時間：2010-01-14 共2頁
【準則9】預應力索結構是大跨理想結構。
在預應力索結構中，預應力使索系處于張緊與穩固狀態，使結構體系具有承載能力及剛度（而不是降低或調整內力）。這種不以增加自重為代價而增強結構剛度及承載能力的特點正是預應力索結構的優越所在。如雙曲懸索結構及筆者提出的全索橋新橋式便屬于預應力索結構。
【準則10】結構連續準則 合理的結構整體性好，構件體形變化平順。
這不僅是美觀的要求，更是準則6的要求，因為構件體形變化平順、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。
【準則11】合理的結構應盡量使其各構件承受均布荷載，如受彎構件承受橫向均布荷載，而拉/壓構件承受軸向均布荷載等。
這是應力均勻、傳力簡捷之要求。
【準則12】均衡與穩定準則 一般工程結構必須保持靜力平衡，即結構穩定。
從力學與美學角度上講，要求結構均衡。保持靜力平衡是橋梁結構安全與美觀的前提條件。
【準則13】韻律感與節奏感準則 合理的結構應有韻律感和節奏感。
由準則3可知，功能決定了結構。因此，結構并非由雜亂的構件拼湊而成，而是按功能要求有機地結合起來，這樣形成的合理結構必然具有韻律感和節奏感。
準則13是衡量橋式美觀的重要準則。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、大纜優美的曲線及拱的彎曲等等都形成了韻律與節奏。和諧的韻律與節奏使美麗的橋梁看上去如無聲而美妙的音樂。
有關橋梁輪廓尺寸的協調比例關系見如下準則14：
【準則14】橋梁輪廓尺寸協調準則
①梁橋或拱橋相鄰跨度的比值（小跨比大跨）宜在【0.4，1】內，接近0.618時，橋跨變化會顯得平順、流暢、有韻律感與節奏感。
②梁橋墩高與跨度之比宜在【0.25，0.85】內，接近0.618時，橋高與跨度的比例最為和諧。
③拱橋之矢跨比宜在[1/8，1/4]內。
④斜拉橋索塔高度（自橋面算起）與中跨之比宜在[1/7，1/4]內，邊跨與中跨之比宜在[1/3，1/2]內。
⑤懸索橋大纜矢跨比宜在[1/7，1/11]內，邊跨與中跨之比宜在[1/4，1/2]內。
⑥帶單懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.41左右。
⑦帶雙懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.35左右。
⑧帶雙懸臂的兩等跨連續梁，當施工過程中未發生體系轉換時，其懸臂長與跨度之比宜取1/3左右。
⑨三跨連續梁，當施工過程中未發生體系轉換時，其邊跨長與中跨之比宜取0.8左右。
⑩中間跨為等跨的多跨連續梁，其邊跨與中跨跨度之比宜在[0.65，0.70]內。
準則14是橋梁美觀、經濟、受力合理三者統一協調的典型表現。
【準則15】形式感與量感準則 合理的結構應有形式感和量感。
形式感是指藝術領域中形式因素本身對于人的精神所產生的某種感染力。如：
①水平線條給人的感受是親切、委婉，它使人聯想到平靜的水面、一望無際的平原；
②垂直線條給人的感受是莊嚴、高昂，它使人聯想到向上生長的樹木、挺立蒼穹的高山。
③斜線具力感、動感和方向感；
④波形線條可以產生流動感、跳躍感；
⑤懸挑線條可以產生靈巧感、騰越感；
⑥半圓曲線會使人聯想到掛在空中的彩虹；兩個半圓曲線的組合會使人聯想到展翅飛翔的海鷗；
⑦正放的三角形給人以穩定、安全的感覺，而倒放的三角形會使人感到危險與不安；
⑧圓形給人以純情、圓潤、完美的感受，而球體及橢球體被認為是完美的物體；
⑨矩形給人以理性、中規中矩的感受。
【準則16】橋梁特有的美學特征
橋梁有別于其它結構的美學特征有：通達之美、凌空之美、流暢之美及剛柔之美。
橋梁由此岸到達彼岸，使道路通達，因而有其功能美-通達之美。
橋梁為一跨越結構，其騰空飛架的梁索讓人感受到了凌空之美，因此較路基有通透感。
橋梁為一帶狀結構，長大橋中的豎曲線設置使橋面看上去連續流暢、纖細輕快。
橋梁結構兼顧了剛柔之美。梁、拱之纖細、親切、委婉，墩塔之雄壯、莊嚴、高昂，斜索之力感、動感、方向感，大纜之起伏、飄動、流暢、張力感等。
【準則17】橋梁與環境協調準則 工程結構的造型與體量應與周圍環境（如河、海、峽谷、房屋建筑、道路、大型雕塑、樹林或曠野等）協調。
【準則18】地形與橋式準則 一般來說，山區地形宜修建拱橋或吊橋；平原地形宜修建梁橋或斜拉橋。
一般來說，橋梁與周圍環境相比會顯得較小，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。考慮到行人上橋觀光，近距離看橋，因此，橋梁美應兼顧細部美。橋梁造型及體量與周圍環境協調的類型有以下幾種：
①當橋梁規模較大、氣勢宏偉時，突出橋梁之美；
②當橋梁較小或影響其他重要物體之美時，橋梁順從他物之美；
③當橋梁與周圍景觀相當且協調時、選擇橋梁與他物爭奇斗妍。
【準則19】造型與受力準則
筆者以為，當跨度不大時 ，由于橋梁受力不大，其造型發揮的余地就大，能夠很好地供人觀賞；而當跨度較大時，由于橋梁受力較大，其造型當以結構受力合理為重心進行選擇，而這種造型并不是不美。這是技術與藝術的統一。
【準則20】可靠性準則
合理的結構應使結構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足要求。
如果說前面的準則是從力學角度及美學角度等探討結構構思的話，那么，本準則20則是驗證構思是否成立。如前所述，由于橋梁建筑設計與結構計算聯系緊密，因此，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、相互協作。
3 橋式方案研究
橋式最優設計理論豐富了橋梁科學，為橋式方案設計提供了理論基礎。橋式方案設計包括
①平面設計，即平面線形選取及橋梁平面布置等；
②立面設計，即孔跨布置及式樣選擇等；
③橫斷面設計，即橋面布置及橋梁橫向布置等。
橋梁方案設計主要受橋址工程條件（如地形、地貌、地質、地震、水文、氣象、通航或跨線等）、設計要求（交通量、路線等級、設計荷載、設什壽命等）及施工方法的制約，交通量等決定了橋梁寬度；通航凈寬決定橋跨下限；通航凈高、通航孔跨決定橋梁建筑高度；橋面縱坡及起橋高度、橋梁建筑高度三者決定了橋長。一般情況下，地質越差或下部結構投資越大，就越宜采用較大的跨度，以減少支承結構的工程量，從而節省投資。此外，橋式方案設計尚應考慮統一性或標準設計，以簡化設計與施工。橋式候選方案應以橋式理論為基礎，結合橋址工程條件提出（跨度、橋式及施工方法三者緊密聯系），對于明顯較差的方案應及時舍去。橋式方案比選應從以下四個方面進行比較：適用（功能）、安全（可靠性）、經濟與美觀；比較的項目應包括
①孔跨布置、式樣、建筑高度、橋梁高度、橋長及起橋高度；
②橋梁橫截面形式（包括橋面布置）及主要尺寸；
③工程數量、施工方法、工期及造價；
④功能及可靠性；
⑤機動分析、靜力平衡、傳力路徑及受力均勻性分析；
⑥韻律與節奏感、輪廓尺寸比例、體量及造型與地形、地物等的協調；
⑦其他比較項目及優缺點。
等七大項。
4 結語
橋式最優設計理論是對橋梁各構件組成規律的研究，為橋式方案設計、乃至橋梁建筑學提供了理論基礎，減少了橋式探索中的盲目性。以其為指南，必將對未來大型橋梁的建設帶來顯著的經濟效益及社會效益。
