張?zhí)旄?/p>

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江 義烏 322000）

0 引言

當(dāng)前，橋梁體系包括梁式體系、拱式體系、斜拉橋體系、懸索橋體系以及組合體系五種，前四種基本體系已趨成熟。這些體系都有其相應(yīng)的適用范圍，超出這一范圍，橋梁就會(huì)出現(xiàn)不經(jīng)濟(jì)、不安全或不穩(wěn)定等問題。橋梁體系的組合與協(xié)作，恰好是解決這類問題的創(chuàng)新之作。以多跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，隨著橋長(zhǎng)增加，會(huì)在外側(cè)橋墩及主梁內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，為解決這一問題，可采用連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)的組合形式，既能獲得連續(xù)剛構(gòu)在剛度和節(jié)省支座方面的優(yōu)勢(shì)，又可以解決溫度應(yīng)力問題，從而具備較好的力學(xué)經(jīng)濟(jì)性能。從美學(xué)角度來說，各種體系有效的結(jié)合也有助于打破對(duì)傳統(tǒng)橋型的審美疲勞，符合新世紀(jì)勇于創(chuàng)新的精神。但是需要避免不符合力學(xué)原理的胡亂組合，不能因?yàn)槊つ孔非蠼Y(jié)構(gòu)的新奇而擯棄了結(jié)構(gòu)的安全性與力學(xué)美。

1 組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

梁式體系、拱式體系、斜拉橋體系和懸索橋體系是四種基本橋梁結(jié)構(gòu)體系，實(shí)際上他們并不是彼此孤立的，在某種程度上，它們可以相互轉(zhuǎn)化。將梁橋的墩和梁固結(jié)，可得到剛構(gòu)橋；繼續(xù)將橋墩傾斜，梁的中部上拱，可得到拱橋；將拱橋反轉(zhuǎn)，所有的剛性支承變?yōu)槔|索支承，則變成懸索橋；將懸索橋的垂直吊桿一端向橋塔集中，主纜索的中部向梁跨中錨固，可得到斜拉橋；將斜拉橋的橋塔逐漸降低到零，則變成梁橋?？梢钥吹?，這幾種體系之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別。只有熟練掌握這些基本體系各自的性能，明確其受力特點(diǎn)，才能將其正確地應(yīng)用到實(shí)際工程中去，并能根據(jù)實(shí)際情況將不同體系進(jìn)行合理組合，而且這些組合體系橋梁在結(jié)構(gòu)受力性能上會(huì)呈現(xiàn)出一些新特點(diǎn)，在結(jié)合兩種體系各自優(yōu)點(diǎn)后，組合體系橋梁往往會(huì)優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)體系，使橋梁受力更加合理，更加經(jīng)濟(jì)可靠，也更美觀。下面介紹四種橋型間的組合與協(xié)作，以展示橋梁體系創(chuàng)新的思路。

1.1 斜拉-梁橋（剛構(gòu)）組合體系

斜拉-梁橋（剛構(gòu)）的組合體系中最常見的一種應(yīng)用就是現(xiàn)在正在快速發(fā)展起來的部分斜拉橋。部分斜拉橋是介于連續(xù)梁與斜拉橋之間的一種新橋型，是以梁的受彎、受壓和索的受拉共同承受豎向荷載。部分斜拉橋由于梁的受力情況介于連續(xù)梁和斜拉橋之間，梁的截面形式多與連續(xù)梁類似，但梁高可以降低，另外由于斜拉索只提供部分梁的承載力和剛度，所以索的數(shù)量可以大大減少。同時(shí)為了充分發(fā)揮斜拉索的作用，使斜拉索在提供豎向力的同時(shí)，還能對(duì)梁體提供較大的軸向壓力，斜拉索的傾角宜較小，因此塔高應(yīng)較小。

在造型上，與連續(xù)梁橋相比，結(jié)構(gòu)上增加塔柱與拉索，在空間構(gòu)圖上對(duì)單維突出的水平大梁起到了協(xié)調(diào)比例的作用，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)內(nèi)容豐富得多，表現(xiàn)能力也大得多，有利于橋梁造型多樣化和與環(huán)境的協(xié)調(diào)。然而，它的塔柱較矮，跨徑較小，如果處理不好，則既沒有了梁式橋的簡(jiǎn)潔流暢，又沒有了一般斜拉橋的高聳挺拔、雄偉壯觀。從結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)上，應(yīng)以橋塔造型為重點(diǎn)，通過墩塔連續(xù)和構(gòu)造上的設(shè)計(jì)，來克服部分斜拉橋橋塔較矮的不利因素，使其呈現(xiàn)出向上的運(yùn)動(dòng)與力度。通過主梁的大懸臂，使其外觀顯得纖細(xì)。在與邊孔主梁的關(guān)系上，高度上的一致帶來了連續(xù)感，力求整體結(jié)構(gòu)給人穩(wěn)定、均衡、輕盈、向上挺拔的感覺。

通過精心設(shè)計(jì)，部分斜拉橋可以獲得極好的造型與美學(xué)效果。在20世紀(jì)評(píng)選的世界最美橋梁中，部分斜拉橋就占了兩座，分別為瑞士的Sunniberg橋和瑞士的Ganter橋（如圖1所示）。

此外，同濟(jì)大學(xué)肖汝城教授設(shè)計(jì)的昆山夏駕河橋，將傳統(tǒng)的無背索斜拉橋進(jìn)行體系優(yōu)化后變?yōu)闊o背索斜拉與梁橋的結(jié)合形式。傳統(tǒng)的無背索斜拉橋梁重完全由橋塔重量來抵抗，因此要求橋塔重且剛，看上去會(huì)有種頭重腳輕而且笨拙的感覺。夏駕河橋則通過在主梁中施加預(yù)應(yīng)力，使橋梁荷載由主梁和斜拉索共同承擔(dān)，從而減小了主塔的重量與尺寸，使橋梁在外觀上看以來更加輕盈、勻稱，具有律動(dòng)感，同時(shí)也降低了造價(jià)。

1.2 斜拉-拱組合體系

拱橋修建中，經(jīng)常采用斜拉扣掛施工方式，臨時(shí)索塔和斜拉索僅為施工而設(shè)置，造成一定的浪費(fèi)。因而，可以設(shè)想將施工用索塔和斜拉索作為永久構(gòu)件保留，不僅可以充分利用各結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而且省去臨時(shí)構(gòu)件的拆除工序，節(jié)省施工周期。這一組合形式稱為斜拉拱橋。圖2所示分別為馬來西亞的Seri Saujana橋與我國(guó)的蓮城大橋。

圖1 瑞士的Sunniberg橋和Ganter橋

圖2 Seri Saujana 橋（左）與蓮城大橋（右）

但就受力而言，這兩種體系的結(jié)合并沒有充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，而且受力分配并不明確，造成拱軸線和斜拉索索力等參數(shù)的確定均較為困難，因此其合理性尚且存在爭(zhēng)議，并未在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 拱橋與梁橋、剛構(gòu)橋的組合體系

隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，橋梁剛度往往成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素，低高度連續(xù)梁無法提供足夠剛度，而梁高過高，不僅經(jīng)濟(jì)性能較差，影響凈空，而且外形笨重，影響美觀。因此，利用拱梁組合體系，可以在不增加梁高的前提下，大大提高橋梁剛度。在造型上比普通梁式橋增加了拱肋（拱圈），在空間構(gòu)圖上對(duì)單維突出的水平大梁起到了協(xié)調(diào)比例的作用，結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)內(nèi)容豐富得多，表現(xiàn)能力也大得多。同時(shí)主梁、拱肋、吊桿等構(gòu)件的形式和組合可有多種形態(tài)選擇，設(shè)計(jì)自由度大大增加，有利于橋梁造型的多樣化和與環(huán)境的協(xié)調(diào)。如鄧文中先生設(shè)計(jì)的三角形剛構(gòu)和系桿拱橋組合的重慶菜園壩大橋。

1.4 斜拉-懸索協(xié)作體系

近年來，一些跨海大橋的修建進(jìn)一步促進(jìn)了橋梁工程師們對(duì)于超大跨度橋梁體系的研究。橋梁最大跨度紀(jì)錄不斷被刷新，纜索承重橋的體系演變和跨度突破是其中最引人注目的成就之一。斜拉橋與懸索橋都具有卓越的跨越能力和高聳的橋塔，宏偉壯觀。如果說懸索橋嫵媚纖巧，斜拉橋則是剛強(qiáng)有力。而斜拉-懸索協(xié)作體系橋?qū)⑵浜隙橐唬梢哉f是剛?cè)岵?jì)。

斜拉-懸索體系橋梁結(jié)合了斜拉橋和懸索橋各自的優(yōu)點(diǎn)，可以將橋梁的跨徑拓寬至一個(gè)更廣的范圍內(nèi)。

T.Y.林構(gòu)思的直布羅陀海峽橋渡方案（見圖3），超長(zhǎng)橋跨和超深橋墩都是空前規(guī)模的。索式橋梁輕盈的橋面，通過強(qiáng)勁纜索傳至高聳索塔的特點(diǎn)，非常有利于跨度的延伸。斜拉橋剛勁的特征與橋塔結(jié)合成斜拉的斜撐結(jié)構(gòu)達(dá)到1km的懸臂長(zhǎng)度，在此基礎(chǔ)上布置超長(zhǎng)的懸索橋。斜拉體系不僅加長(zhǎng)了懸索橋的跨度，而且還加勁了懸索體系。

圖3 直布羅陀海峽橋方案構(gòu)思

斜拉-懸索協(xié)作體系，除了需要解決許多技術(shù)和材料問題外，還要在造型上提煉以符合美學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其立面總體上以柔和為基調(diào)、柔中有剛，比例和序列均較好，而基臂拉索與吊桿的方向轉(zhuǎn)折有些生硬，若能采用扇形索，其效果會(huì)更好些。

2 組合橋梁體例——菜園壩大橋

重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋地處重慶市繁華地段，是目前國(guó)內(nèi)最大的公共交通和城市輕軌兩用大跨徑拱-剛構(gòu)組合體系橋梁。大橋主橋采用剛構(gòu)與提籃式鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結(jié)構(gòu)，主橋全長(zhǎng)800m。其中系桿拱橋主跨420m，對(duì)稱布置的邊跨和側(cè)跨分別為102m及88m。主橋設(shè)六線行車道、雙線城市輕軌、雙側(cè)人行道。六車道及雙側(cè)人行道設(shè)在上弦平面，雙線輕軌設(shè)在主橋桁梁下弦平面的橫梁上，構(gòu)成雙層特大公軌兩用橋（如圖4所示）。

圖4 菜園壩大橋

菜園壩長(zhǎng)江大橋外形屬于常規(guī)中承式拱橋，但是她突出的特點(diǎn)是主體由三個(gè)子結(jié)構(gòu)組成，即由一對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土Y型剛構(gòu)邊跨和一個(gè)320m的鋼箱提籃拱中跨組成的組合結(jié)構(gòu)。主梁是桁架結(jié)構(gòu)，使在輕軌列車中的乘客也能欣賞到長(zhǎng)江的景色。上層六車道和下層兩車道雙向輕軌的布置，使倒梯形的橫截面成為最恰當(dāng)?shù)倪x擇。在外面兩側(cè)加上斜桿，除把吊桿的力傳遞到中間的桁架外，還可以大大地減低橫梁的彎矩。

由于大橋的梁的剛度很大，所以拱肋就可以做到很柔。重慶是一座美麗的山城，她的美麗就在于她的秀氣。所以，在鋼箱拱和鋼管拱之間，選擇了比較纖秀的，高4m和寬2m的鋼箱拱。為了美觀，撐桿也做得很纖秀，不致有凌亂和封閉之感。

整個(gè)結(jié)構(gòu)線條清晰、明確，輕盈、苗條，而又不失“精神”，大橋的橋型屬于世界首創(chuàng)，完全是為重慶特有的兩江環(huán)抱、群山相擁的地貌量身定做。因?yàn)闃蛐鸵坏坝纺[”，就會(huì)出現(xiàn)“只見一座大橋而不見一座城”的尷尬。

3 結(jié)語(yǔ)

橋梁設(shè)計(jì)中，常常從橋型選擇、合理布局、材料和色彩運(yùn)用，體、面、線的配合和環(huán)境協(xié)調(diào)等多方面來考慮橋梁的美學(xué)要求，但對(duì)于橋梁美學(xué)的體現(xiàn)最重要也是最根本的環(huán)節(jié)卻是橋梁選型。作為一個(gè)橋梁設(shè)計(jì)者，要設(shè)計(jì)出一座既能滿足使用功能，又能給人以無限美感的橋梁。在橋梁的設(shè)計(jì)中要注重橋梁的“力學(xué)美”、兼顧傳統(tǒng)與創(chuàng)新、與環(huán)境和諧統(tǒng)一、重視美學(xué)修養(yǎng)的培養(yǎng)等。

［1］項(xiàng)海帆，等.橋梁概念設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］劉慧一.橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)綜述［J］.國(guó)外公路，1995，15（5）：34-39.

［3］JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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［5］彭一剛.建筑空間組合論［M］.2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［6］梁艷.橋梁造型質(zhì)量評(píng)價(jià)［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

［7］滕家俊.現(xiàn)代橋梁建筑設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2008.