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橋梁設(shè)計(jì)理論
導(dǎo)語： 橋梁，一般指架設(shè)在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構(gòu)筑物。為適應(yīng)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(shè)的使通行更加便捷的建筑物。 橋梁一般由上部構(gòu)造、下部結(jié)構(gòu)、支座和附屬構(gòu)造物組成，上部結(jié)構(gòu)又稱橋跨結(jié)構(gòu)，是跨越障礙的主要結(jié)構(gòu);下部結(jié)構(gòu)包括橋臺(tái)、橋墩和基礎(chǔ);支座為橋跨結(jié)構(gòu)與橋墩或橋臺(tái)的支承處所設(shè)置的傳力裝置;附屬構(gòu)造物則指橋頭搭板、錐形護(hù)坡、護(hù)岸、導(dǎo)流工程等。
1引言
橋梁設(shè)計(jì)工作中，因橋與建筑設(shè)計(jì)工作和施工方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊密聯(lián)系，使得橋梁設(shè)計(jì)師，即是建筑師，又是結(jié)構(gòu)師。隨著橋梁建筑的迅速發(fā)展，我國現(xiàn)在的橋梁建設(shè)越來越趨向超大跨徑，這就需要橋式設(shè)計(jì)理論的同步發(fā)展。本文依據(jù)實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及建筑美學(xué)，結(jié)合工程力學(xué)原理對橋梁設(shè)計(jì)中的最優(yōu)設(shè)計(jì)理論加以探討。
2橋梁設(shè)計(jì)的基本規(guī)律
橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理形式并非是特定的形式，也非單一的結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)來討論合理橋式設(shè)計(jì)的一些原則與規(guī)律。
一般來說，在實(shí)際的橋梁建筑中，橋梁設(shè)計(jì)師基于長期的工作實(shí)踐，遵循橋梁結(jié)構(gòu)合理形式的一般規(guī)律，并形成自己的基本套路和風(fēng)格，只是把這些規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)理論的總結(jié)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(shè)計(jì)師勇于把自己的經(jīng)驗(yàn)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(jié)合自己的工作實(shí)際，認(rèn)為橋梁設(shè)計(jì)的基本規(guī)律有如下幾點(diǎn)：
2.1良好的結(jié)構(gòu)方案。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是完美的結(jié)構(gòu)的重要前提和基礎(chǔ)，在橋梁的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，方案構(gòu)思與結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)交叉進(jìn)行、相互協(xié)作。但無論多么完美的結(jié)構(gòu)計(jì)算都無法彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)方案中結(jié)構(gòu)構(gòu)思的不足。相反，良好的結(jié)構(gòu)方案卻能夠部分彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的不足，甚至能夠推動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)算的進(jìn)一步提高，由此可見結(jié)構(gòu)構(gòu)思的重要性。
良好的結(jié)構(gòu)方案還要保證在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)安全可靠，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性均應(yīng)滿足要求。
2.2滿足橋式最基本的要求—功能準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。
橋梁的跨越功能決定了橋梁必須有橋跨結(jié)構(gòu)，而為了支承橋跨結(jié)構(gòu)，必須有支承結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(yīng)保證足夠的剛度，這就需要工程結(jié)構(gòu)必須是幾何不變體系，幾何不變準(zhǔn)則一般工程結(jié)構(gòu)都必須是幾何不變體系，保證橋梁結(jié)構(gòu)在主要受力面-順橋向鉛垂面內(nèi)應(yīng)保證幾何不變，這也是橋梁工程結(jié)構(gòu)的基本條件，這一條件可通過機(jī)動(dòng)分析來判別。
3橋式設(shè)計(jì)的力學(xué)準(zhǔn)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(zhǔn)則。
3.1在荷載作用下合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳力路徑較短。
不管是橋跨結(jié)構(gòu)還是支承結(jié)構(gòu)，其橫截面內(nèi)、細(xì)部構(gòu)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(yīng)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(shè)置較徑向設(shè)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(xì)部構(gòu)造優(yōu)越等。
一般說來，對于拉(壓)桿，其主應(yīng)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(yīng)力及壓應(yīng)力，其主拉(壓)應(yīng)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(gòu)件。因此梁如果是彎剪耦合構(gòu)件，可比擬為“桁架”(拉一壓結(jié)構(gòu))，把各構(gòu)件傳力路徑之和定義為傳力路徑。這是因?yàn)閺澕赳詈蠘?gòu)件內(nèi)任意一點(diǎn)均處于二向受力狀態(tài)。其主應(yīng)力跡線呈曲線，傳力路徑復(fù)雜;如果是彎剪扭耦合構(gòu)件，可比擬為“空間桁架”。
因此，可以這樣定義：傳力路徑為構(gòu)件中主拉(壓)應(yīng)力跡線定義為傳力路徑，傳力路徑總長為荷載作用下的結(jié)構(gòu)作用于各主要受力構(gòu)件傳力路徑的總和
3.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)均勻流暢，構(gòu)件體形變化要平順。這樣才能較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)處或邊界處過渡平滑、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)是力流平順的必要條件，同時(shí)，也可提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。桿系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括桿件橫截面內(nèi)應(yīng)力均勻流暢，沿桿件長度方向內(nèi)力均勻及結(jié)點(diǎn)、邊界處應(yīng)力均勻，總之，要求結(jié)構(gòu)應(yīng)力處處均勻流暢。
4橋梁設(shè)計(jì)的美學(xué)原則
4.1合理的設(shè)計(jì)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(huì)帶給你不同的感受，比如斜線具力感、動(dòng)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(yán)、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(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(shè)計(jì)獨(dú)有的美學(xué)特征。橋梁具有別于其它建筑結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)會(huì)展現(xiàn)出多種獨(dú)特的美感，如直線橋梁的通達(dá)之美，具有連續(xù)通達(dá)、跨越結(jié)構(gòu)由此及彼的凌空之美，具有動(dòng)感和方向感;帶狀結(jié)構(gòu)長大橋中豎曲線設(shè)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(jié)合所展現(xiàn)的剛?cè)嶂溃v空而起的梁、索既有張力感，又有動(dòng)感。
4.3與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)美。橋梁結(jié)構(gòu)的造型與體量都應(yīng)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(shè)計(jì)要相互協(xié)調(diào)。一般來說，橋梁與周圍環(huán)境相比會(huì)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(yīng)，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(yīng)兼顧細(xì)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(jié)構(gòu)必須保持靜力平衡，即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。從工程建筑力學(xué)和建筑美學(xué)角度上講，橋梁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要均衡和穩(wěn)定，這是橋梁結(jié)構(gòu)美觀更是安全的前提條件，因此，工程結(jié)構(gòu)必須靜力平衡。而這種合理的結(jié)構(gòu)能達(dá)到橋梁的功能要求并使其有機(jī)地結(jié)合起來，從而具有獨(dú)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(shè)計(jì)與施工的關(guān)系
橋梁設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該充分考慮施工的難度，盡早確定好相應(yīng)的施工方案，尤其是創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)往往到了施工階段才發(fā)現(xiàn)困難，導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)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(jì)浪費(fèi)。比如盧浦大橋主橋，臨時(shí)的索塔就花了5000多噸的鋼結(jié)構(gòu)。橋造好了以后還得拆掉。因此如果在設(shè)計(jì)的早期就讓施工單位的主要技術(shù)力量介入進(jìn)來會(huì)更好的實(shí)現(xiàn)橋式的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
6結(jié)語
橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論是對橋梁各構(gòu)件組成規(guī)律的研究，本文只是簡要的做了其中幾個(gè)方面的探討，合理的橋式設(shè)計(jì)可以為橋式方案設(shè)計(jì)、乃至橋梁建筑學(xué)提供了理論基礎(chǔ)，即提高各方面的效益，又能減少橋式設(shè)計(jì)中盲目探索的情況。深入的發(fā)展橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論的研究，會(huì)對我國大型橋梁建設(shè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
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