橋樑設計理論

導語： 橋樑，一般指架設在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構築物。為適應現代高速發展的交通行業，橋樑亦引申為跨越山澗、不良地質或滿足其他交通需要而架設的使通行更加便捷的建築物。 橋樑一般由上部構造、下部結構、支座和附屬構造物組成，上部結構又稱橋跨結構，是跨越障礙的主要結構;下部結構包括橋台、橋墩和基礎;支座為橋跨結構與橋墩或橋台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

橋樑設計工作中，因橋與建築設計工作和施工方法及結構設計的緊密聯繫，使得橋樑設計師，即是建築師，又是結構師。隨着橋樑建築的迅速發展，我國現在的橋樑建設越來越趨向超大跨徑，這就需要橋式設計理論的同步發展。本文依據實際的橋樑設計經驗及建築美學，結合工程力學原理對橋樑設計中的最優設計理論加以探討。

　　2橋樑設計的基本規律

橋樑結構設計的合理形式並非是特定的形式，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討論合理橋式設計的一些原則與規律。

一般來説，在實際的橋樑建築中，橋樑設計師基於長期的工作實踐，遵循橋樑結構合理形式的一般規律，並形成自己的基本套路和風格，只是把這些規律與經驗系統理論的總結歸納做得比較少，因此可以説，我國橋式理論相對薄弱，需要廣大橋樑設計師勇於把自己的經驗系統化、理論化，使其具有邏輯性、層次感，把難以定量化的規律用語言的形式歸納出來。本人結合自己的工作實際，認為橋樑設計的基本規律有如下幾點：

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，在橋樑的實際設計過程中，方案構思與結構計算應交叉進行、相互協作。但無論多麼完美的結構計算都無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，甚至能夠推動結構計算的進一步提高，由此可見結構構思的重要性。

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足要求。

2.2滿足橋式最基本的要求—功能準則。橋樑必須能夠承受車輛、行人等荷載，且不產生過大的變形而影響使用。這是橋樑功能的要求，因此橋樑的跨越功能是橋樑最基本的功能之一，即功能決定結構。

橋樑的跨越功能決定了橋樑必須有橋跨結構，而為了支承橋跨結構，必須有支承結構。橋樑要使其上的車輛或行人等安全、舒適地通過，才使得為滿足橋樑功能要求而修建的結構被稱為橋樑。

另外由於橋樑要有一定的承載力，保證車輛、行人舒適並安全地通過橋樑，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，保證橋樑結構在主要受力面-順橋向鉛垂面內應保證幾何不變，這也是橋樑工程結構的基本條件，這一條件可通過機動分析來判別。

　　3橋式設計的力學準則

橋式力學原則是從力學角度衡量橋式優劣的重要準則。

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範圍內為好等，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捷;帶掛孔的懸臂樑橋採用受拉型鉸較傳統受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與樑的受力吻合，細部構造優越等。

一般説來，對於拉(壓)杆，其主應力跡線均平行於杆件軸線，因此，傳力路徑等於杆件的長度。而對於純受彎杆件，任一橫截面內均有拉應力及壓應力，其主拉(壓)應力跡線亦平行於杆件軸線，其傳力路徑等於杆件的長度。

拉(壓)杆件傳力路徑較受彎杆件短，是傳力最簡捷的構件。因此樑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均處於二向受力狀態。其主應力跡線呈曲線，傳力路徑複雜;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)應力跡線定義為傳力路徑，傳力路徑總長為荷載作用下的結構作用於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。這樣才能較好地發揮材料的強度。結構的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。杆繫結構應包括杆件橫截面內應力均勻流暢，沿杆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。

　　4橋樑設計的美學原則

4.1合理的設計要有形式感和量感。一般説來橋樑所採取的不同形式及線條會帶給你不同的感受，比如斜線具力感、動感和方向感;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;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。懸挑線條可以產生靈巧感、騰越感。這些形式因素會對人的精神所產生的某種感染力，即美學中的形式感。

4.2要具有橋式設計獨有的美學特徵。橋樑具有別於其它建築結構的美學特徵。由於橋樑的特殊形狀和體量，因此完美的橋樑設計會展現出多種獨特的美感，如直線橋樑的通達之美，具有連續通達、跨越結構由此及彼的凌空之美，具有動感和方向感;帶狀結構長大橋中豎曲線設置所體現的'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，騰空而起的樑、索既有張力感，又有動感。

4.3與周圍環境的協調美。橋樑結構的造型與體量都應與所處的周圍環境，不管是城市的房屋建築，道路，雕塑還是其它的山川河谷、曠野樹林等，都要做到和諧統一。

環境與橋式設計要相互協調。一般來説，橋樑與周圍環境相比會顯得較小，在人們的視線裏，就只看到其輪廓，因此，橋樑以其輪廓美為主。所以在山區地形比較適宜修建拱橋或吊橋，並與山區的特殊景觀相適應，造成一種和諧之美。平原地形宜修建樑橋或斜拉橋。因平原地勢平坦，可以突出橋樑的宏大氣勢之美。另外橋樑美應兼顧細部美，使近距離觀賞也具有美感。

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。從工程建築力學和建築美學角度上講，橋樑設計的結構要均衡和穩定，這是橋樑結構美觀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樑的功能要求並使其有機地結合起來，從而具有獨特的韻律感和節奏感。有人説建築是凝固的音樂，和諧的韻律與節奏使美麗的橋樑看上去就如無聲而美妙的音樂。橋樑孔徑的變化、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。

　　5把握好設計與施工的關係

橋樑設計在設計初期就應該充分考慮施工的難度，儘早確定好相應的施工方案，尤其是創造性的設計往往到了施工階段才發現困難，導致橋樑設計好後發現施工難度比較大，工期難以保證和比較大的經濟浪費。比如盧浦大橋主橋，臨時的索塔就花了5000多噸的鋼結構。橋造好了以後還得拆掉。因此如果在設計的早期就讓施工單位的主要技術力量介入進來會更好的實現橋式的最優設計。

　　6結語

橋式最優設計理論是對橋樑各構件組成規律的研究，本文只是簡要的做了其中幾個方面的探討，合理的橋式設計可以為橋式方案設計、乃至橋樑建築學提供了理論基礎，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。深入的發展橋式最優設計理論的研究，會對我國大型橋樑建設帶來更大的經濟與社會效益。