橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論研究
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共2頁
簡介： 在漫長的古代和中世紀(jì)，從事建筑營造活動(dòng)的工匠，既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，才出現(xiàn)了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現(xiàn)在，一位橋梁設(shè)計(jì)師既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。依筆者之見，究其原因大概有三條.
關(guān)鍵字：道路橋梁 設(shè)計(jì)理論
1 引言
在漫長的古代和中世紀(jì)，從事建筑營造活動(dòng)的工匠，既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。后來，隨著建筑功能的大大增加及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，才出現(xiàn)了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的分工。但是，橋梁就有所不同，直到現(xiàn)在，一位橋梁設(shè)計(jì)師既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)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(fù)雜，其建筑設(shè)計(jì)可由結(jié)構(gòu)工程師代替；
?、跇蛄核芎奢d較房屋建筑特別大，因而，其造型大多以結(jié)構(gòu)受力合理為重心進(jìn)行選擇，也就是說，橋梁建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系非常緊密；
?、蹣蛄航ㄖO(shè)計(jì)與施工方法緊密相連，而施工方法與結(jié)構(gòu)受力分析息息相關(guān)，這是橋梁工程的顯著特點(diǎn)之一。
當(dāng)今世界橋梁飛速發(fā)展，越來越多的橋梁需要我們?nèi)ソㄔ?，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(xiàn)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(xué)進(jìn)行研究。筆者根據(jù)多年橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程力學(xué)原理及建筑美學(xué)法則，總結(jié)出合理橋式應(yīng)遵循的若干條規(guī)律，初步形成了橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論。
2 合理橋式所遵循的規(guī)律
橋梁結(jié)構(gòu)合理形式并非有特定的單一的結(jié)構(gòu)形式，因此，研究其特性應(yīng)從總體上把握其規(guī)律，然后，以其為標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)所要討論橋式的優(yōu)劣。
實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)合理型式所遵循的一些規(guī)律已零散地存在于橋梁建設(shè)者的頭腦中，并自覺或不自覺地運(yùn)用于實(shí)踐。，這里只不過將其歸納總結(jié)，使之系統(tǒng)化、理論化、使其具有邏輯性，有層次感。這些規(guī)律難以定量化，而只能用語言描述的形式來表達(dá)。
【準(zhǔn)則1】良好的結(jié)構(gòu)方案是良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。
因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無論多么完美的結(jié)構(gòu)計(jì)算都無法彌補(bǔ)經(jīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)思而形成的結(jié)構(gòu)方案中的不足，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。由此可見結(jié)構(gòu)構(gòu)思的重要性。
【準(zhǔn)則2】功能準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足全部功能的要求。
準(zhǔn)則2給出了橋式最基本的要求——功能要求。
【準(zhǔn)則3】功能決定結(jié)構(gòu)。
由準(zhǔn)則2不難得到準(zhǔn)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(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，橋梁須能承受車輛、行人等荷載，且不產(chǎn)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(jié)構(gòu)被稱為橋梁。
【準(zhǔn)則4】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。
為了保證車輛、行人等安全、舒適地通過橋梁，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，在次要受力面-橫橋向鉛垂面及水平面內(nèi)亦應(yīng)保證足夠的剛度。這是橋梁成為工程結(jié)構(gòu)的基本條件。
判別一結(jié)構(gòu)是否為幾何不變的過程稱為機(jī)動(dòng)分析。
【準(zhǔn)則5】傳力路徑準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其傳力路徑較短。
傳力路徑——筆者建議將構(gòu)件中主拉（壓）應(yīng)力跡線定義為傳力路徑，將結(jié)構(gòu)在使用荷載（包括桓載）作用于，各主要受力構(gòu)件傳力路徑之和定義為該結(jié)構(gòu)的傳力路徑總長。
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。但梁常為彎剪耦合構(gòu)件，梁內(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，可見，其傳力路徑復(fù)雜，此時(shí)可將梁比擬為“桁架”（拉一壓結(jié)構(gòu)），其各構(gòu)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(gòu)件，可將其比擬為“空間桁架?？梢姡▔海U件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡捷的構(gòu)件。
不論是橋跨結(jié)構(gòu)還是支承結(jié)構(gòu)，不論是橫截面內(nèi)（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，因此，其主筋應(yīng)配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等）還是細(xì)部構(gòu)造（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），傳力路徑簡捷、明快者為較好的形式。
【準(zhǔn)則6】應(yīng)力均勻準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)均勻流暢。
對于桿系結(jié)構(gòu)，應(yīng)力均勻流暢包括桿件橫截面內(nèi)應(yīng)力均勻，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。
只有結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻，才能較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，取得經(jīng)濟(jì)效益。
準(zhǔn)則5與準(zhǔn)則6是從力學(xué)角度衡量橋式優(yōu)劣的重要準(zhǔn)則。
【準(zhǔn)則7】承受軸向拉力或壓力的結(jié)構(gòu)，簡稱為“拉／壓結(jié)構(gòu)” 是合理結(jié)構(gòu)。
由于拉/壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻流暢，材料強(qiáng)度得到較好地發(fā)揮，且傳力路徑短，因此，不難由準(zhǔn)則5及準(zhǔn)則6得到準(zhǔn)則7.諸如桁架、拱、柱、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架、整體張拉式結(jié)構(gòu)（由壓桿群和拉索系組成的空間結(jié)構(gòu)體系）等均為拉/壓結(jié)構(gòu)。
【準(zhǔn)則8】承受軸向拉力的跨越結(jié)構(gòu)可能是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)，即索結(jié)構(gòu)是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)。
目前，橋梁用索結(jié)構(gòu)包括懸索橋，斜拉橋及拱橋（吊桿采用柔索者）等。
結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)從本質(zhì)上講，只有拉和壓這兩種互為相反的狀態(tài)；而受彎是拉與壓的組合?？缭襟w系的受力狀態(tài)可以是受拉、受壓或受彎，而單純受扭或受剪的結(jié)構(gòu)是不能充當(dāng)跨越結(jié)構(gòu)的。
?、偈軓澋臉蚩缃Y(jié)構(gòu)不方便施工，應(yīng)力不夠均勻，材料強(qiáng)度不能很好地發(fā)揮，傳力路徑長，現(xiàn)有的受彎材料比強(qiáng)度不高，因此，受彎的橋跨結(jié)構(gòu)不適宜于大跨。
?、谑軌旱臉蚩缃Y(jié)構(gòu)雖應(yīng)力較均勻，材料強(qiáng)度能較好的發(fā)揮（但存在失穩(wěn)問題），傳力路徑較短，但不方便施工，且受壓材料比強(qiáng)度不高，對于大跨橋梁，幾何非線性的影響使其所受內(nèi)力聚增，因而不經(jīng)濟(jì)，可見，受壓橋跨結(jié)構(gòu)還算不上較好的結(jié)構(gòu)體系。
?、凼芾臉蚩缃Y(jié)構(gòu)，雖存在振動(dòng)、腐蝕、疲勞及大變形等問題，但其架設(shè)方便，應(yīng)力均勻，材料強(qiáng)度能得到很好地發(fā)揮，傳力路徑較短，材料（索）比強(qiáng)度高，當(dāng)考慮幾何非線性影響時(shí)，其內(nèi)力大大減小，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此，索結(jié)構(gòu)適宜于大跨。
