李燕峰　袁萬城

摘要：異型橋是當(dāng)前城市橋梁建設(shè)的熱門選擇之一，并且是橋梁結(jié)構(gòu)理論課程中的重要章節(jié)，因此為了對異型橋課程教學(xué)提供些許參考，文章從異型橋的分類、施工、設(shè)計等角度對其知識點進行了較細致的梳理，將異型橋和普通橋進行了簡單的對比。最后分別立足于教、學(xué)兩個角度對如何教好和學(xué)好本章知識進行了探討。

關(guān)鍵詞：異型橋；橋梁美學(xué)；教學(xué)

中圖分類號：TU997；G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）02-0082-07

經(jīng)過20世紀(jì)以來的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，橋梁建設(shè)獲得了長足的發(fā)展，傳統(tǒng)橋型從造型設(shè)計和施工工藝上都已經(jīng)日趨完善。但是與此同時，不少設(shè)計方案出現(xiàn)了雷同的情況，甚至給人千篇一律的感覺，這不僅無法滿足當(dāng)今社會群眾的審美需求，而且對技術(shù)創(chuàng)新而言更是一種退步。因此，對于橋梁設(shè)計者而言，如何進一步創(chuàng)新以滿足大眾日益挑剔的審美眼光是必須面對的問題。此外，隨著計算機有限元計算方法的進步和新型施工技術(shù)與高強材料的應(yīng)用，無論多復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)形式都可能實現(xiàn)。正因如此，異型橋成了滿足創(chuàng)新要求的不二選擇。變化萬千的異型橋結(jié)構(gòu)形式，使橋梁結(jié)構(gòu)再次迸發(fā)出新的活力。為了給異型橋教學(xué)工作的展開提供一定的參考和幫助，文章對異型橋的分類、結(jié)構(gòu)特點等進行了較為詳細的概括，希冀讀者對異型橋產(chǎn)生系統(tǒng)性的認識。

一、異型橋教學(xué)內(nèi)容

（一）異型橋的分類

異型橋之名是相對于常規(guī)橋而言的，凡是主梁或者主塔以斜、彎設(shè)計代替直線設(shè)計，就可以認為是異型橋。異型橋的分類與普通橋型的分類是一致的，可以分為異型梁橋、異型拱橋、異型斜拉橋、異型懸索橋、異型組合橋等（圖1）。其中，異型梁橋主要包括斜橋和彎橋，但是由于梁橋里面對這兩種橋型多是單獨研究，所以異型橋的研究對象也主要集中在其余橋型上（最主要的是異型拱橋和異型斜拉橋）。此外，還可以根據(jù)拱的形狀、梁與塔的相對位置、支撐條件等將異型橋進一步細分為斜支撐拱橋、蝴蝶拱橋、無背索斜拉橋等[1]（圖2）。

表1統(tǒng)計了自20世紀(jì)末以來國內(nèi)外異型橋梁的部分建設(shè)成果，從中可以發(fā)現(xiàn)：1）絕大多數(shù)的異型橋梁跨徑在300 m以下。2）建成年份多在20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初。這說明了當(dāng)前異型橋的建設(shè)主要是以中小跨徑為主，并且正處在建設(shè)的熱門階段。

（二）異型橋的結(jié)構(gòu)形式與受力特點

異型橋在視覺感官上有兩大特點，其一是“反重力”，在造型上會給人一種受力不穩(wěn)的錯覺，在拱肋和索塔傾斜時尤為明顯。其二是“不規(guī)則”，結(jié)構(gòu)的形式變化無端，或變寬，或變折，或變斜等奇形異狀，由于打破了常規(guī)的對稱、規(guī)則、齊整的布局方案，在視覺上形成新穎、獨特的美感，消除了視覺審美疲勞。

但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計一改傳統(tǒng)普通橋型的經(jīng)典思路，以非對稱、變寬、彎曲、傾斜、復(fù)雜支撐、形狀奇異為宗旨，造成了結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜化。在受力上，異型橋不再與普通橋型相同，構(gòu)件可能將承受非常復(fù)雜的彎、剪、扭耦合作用，因此，構(gòu)件截面的設(shè)計多以抗扭能力最好的箱型截面為主。以索塔和拱肋為例，當(dāng)他們傾斜或彎曲之后，受力的空間性將使以承壓為主的塔柱和拱圈的承載能力和穩(wěn)定性大大降低，反過來還需要纜索和主梁或者配預(yù)應(yīng)力筋來幫助塔柱和拱圈保持穩(wěn)定[2-4]。從這點上來看，傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法不再適用于異型橋，只能憑借強大的有限元模擬來獲得構(gòu)件的受力情況。根據(jù)各類異型橋的結(jié)構(gòu)形式與受力特點，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和平衡，設(shè)計時采取了很多復(fù)雜的構(gòu)造措施（表2）。

（三）異型橋施工方法選擇

異型橋結(jié)構(gòu)特點主要是彎、斜，所以在未成橋的時候，結(jié)構(gòu)承載能力往往并不能達到要求，故施工方法多采用滿堂支架施工。此外，為了減少現(xiàn)場施工的不可控因素，也為了減少造價，當(dāng)全橋跨徑較低的時候，有些異型橋也可以采用整體預(yù)制吊裝的方法，如倫敦Gateshead Millennium Bridge。當(dāng)跨徑過大又有通航需要的時候，有些拱橋采用臨時塔加扣索的施工方法，如南寧大橋，當(dāng)然還需要進一步增加橫向系桿連接拱肋以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而斜拉-懸索體系的施工往往也采用先梁后塔方式，京杭運河龍城大橋即采用主梁支架現(xiàn)澆，鋼主塔整體預(yù)制豎轉(zhuǎn)的方案[5]。因此，具體的施工方案需要結(jié)合實際情況分析。

（四）異型橋的設(shè)計流程

異型拱橋、異型斜拉橋的吊索面一般是傾斜的，不僅給拱肋和塔柱帶來了橫向的水平力，同時也給主梁帶來了水平力和橫向彎矩，這是異型橋與普通橋型最大的區(qū)別。如何降低拱、塔等的橫向彎矩是這類橋梁設(shè)計時的重點關(guān)注對象。因此，在異型橋幾何規(guī)劃上需要進一步優(yōu)化設(shè)計。

在確定了主梁和拱肋的截面形式和自重集度的情況下，理論上是可以找到無數(shù)個異型橋設(shè)計方案的，但在主梁、主拱或者索塔的彎矩最小控制條件下，往往設(shè)計方案選擇范圍就會縮小。一般的控制設(shè)計先從縱斷面入手，然后根據(jù)彎矩為零條件修改水平面內(nèi)的布置形式[6]，其流程如圖3所示。

此外，拓撲優(yōu)化[7]理論也為異型橋設(shè)計提供了一種參考思路。所謂拓撲優(yōu)化，就是在單獨荷載或多個荷載的作用下，尋求對材料的最佳使用方式，即造型的優(yōu)化。材料的最充分使用在拓撲優(yōu)化中代表的是最大剛度設(shè)計。從理論上講，拓撲優(yōu)化尋求最小材料使用率下最小化結(jié)構(gòu)的變形能，并以此為目標(biāo)控制設(shè)計。

（五）異型橋與普通橋比較

異型橋作為一種新型橋型，在最近的20多年間得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，在提供一種橋梁方案新選擇的同時，也需要我們對異型橋和同等跨徑的普通橋之間的差異進行全面細致的對比。

（1）異型橋的施工周期一般都較同類型跨徑的普通橋型長，這主要是因為施工多采用整體支架現(xiàn)澆工藝，施工措施多。

（2）異型橋構(gòu)件受到較大的扭矩和橫向彎矩，即便在設(shè)計上使恒載作用下結(jié)構(gòu)受力橫向彎矩或扭矩為零，也會在動荷載作用下讓結(jié)構(gòu)承受很大的不利彎矩，因此會比同類普通橋型采用更多的補救措施來彌補。

（3）由于是空間結(jié)構(gòu)，異型橋很難采用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法進行手算，而只能求助于有限元進行設(shè)計計算，這也是早期計算機技術(shù)未發(fā)展時，異型橋得不到推廣應(yīng)用的根本原因。

（4）異型橋的造價頗高，以全橋長213 m，主跨128 m長的異型斜拉橋Sundial Bridge為例，當(dāng)時的造價就高達2 350萬美元，是常規(guī)普通同等跨徑的斜拉橋橋型方案的8倍，這也是為什么異型橋飽受爭議的原因之一。但如果異型橋能在美學(xué)上提高城市魅力，貢獻特有的文化價值，那么經(jīng)濟因素可適當(dāng)讓位于美學(xué)因素，如英國倫敦的蓋茨黑德千禧橋。

（5）從力學(xué)上講，桿件只承受軸向拉壓作用時功效比最高，但異型橋傳力途徑相較普通橋而言要復(fù)雜得多，構(gòu)件除了承受軸力以外還將承受彎矩和扭矩，而彎矩和扭矩在一定程度上會降低構(gòu)件功效比。

（6）適用跨徑方面，在同類橋型方面，異型橋的適用跨徑比普通橋梁的要小得多，且適用橋型多以輕載或人行橋為主。

（7）在城市小跨徑橋梁建設(shè)方面，異型橋方案往往以突出的美學(xué)效果取勝，以本次倫敦旺茲沃思自治市公布的新泰晤士河人行橋設(shè)計方案來看，大部分的設(shè)計方案多以異型橋方案設(shè)計為主，如圖4所示。異型橋造型新穎奇特，美學(xué)效果突出，在跨徑較小，荷載較輕的情況下，競爭力非常強。在增加文化底蘊和美學(xué)特色上具有無可替代的優(yōu)勢。

二、異型橋教學(xué)探討

（一）把握異型橋教學(xué)的核心問題

異型橋作為當(dāng)前城市橋梁建設(shè)的熱門選擇也才不過20年光景。至于為什么沒有早期的異型橋呢？關(guān)于這個問題當(dāng)然有多方面原因，計算能力不足固然是原因之一，但其實異型橋始終有兩個矛盾存在：第一，異型橋結(jié)構(gòu)形式異化導(dǎo)致的力學(xué)退化與橋梁承載需求之間的矛盾（力的問題）；第二，經(jīng)濟性與美觀性之間的矛盾（錢的問題）。

關(guān)于第一個矛盾，本質(zhì)其實就是一個結(jié)構(gòu)異化后的彎斜體系力學(xué)平衡問題，“異型”為的是造型上的新穎，為了追求形式上的突破以獲取美學(xué)的感官效果，在結(jié)構(gòu)形式上以彎、斜變化代替了過去普通橋的直線設(shè)計，從而造成受力方面承載能力上一定的退化，動荷載作用下受力性能不穩(wěn)定等諸多局部因素后果，因此需要綜合考慮施工和成橋狀態(tài)下的力學(xué)穩(wěn)定問題。

第二個矛盾主要是必須綜合比對橋梁的價值，在普通橋梁設(shè)計中，按照“安全、經(jīng)濟、適用、美觀、耐久”的準(zhǔn)則，經(jīng)濟準(zhǔn)則往往約束著結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程。一旦以美學(xué)為宗旨建立準(zhǔn)則，則不可避免地會與經(jīng)濟性發(fā)生沖突。但是，如果美學(xué)價值極高的情況下，經(jīng)濟因素又得考慮退居其次，需要一番價值的取舍，綜合比對考慮。

這兩個矛盾始終貫穿異型橋的設(shè)計、施工、運營。因此，教學(xué)內(nèi)容自然也應(yīng)該圍繞這兩個矛盾展開。

（二）寓教于學(xué)（教的角度）

課堂時間總是有限的。在有限的時間內(nèi)，講解的東西不宜過于艱澀難懂，且現(xiàn)在的教學(xué)方式多以快速簡捷著稱。因此，從教的角度出發(fā)，如何才能讓學(xué)生在課堂上把握住重點就成為了關(guān)鍵。

（1）理論聯(lián)系實際。鑒于本章在內(nèi)容上是以案例分析為主，應(yīng)該圍繞著兩個矛盾展開論述。一是需要結(jié)合具體異型橋案例進行分析，使學(xué)生掌握異型橋在結(jié)構(gòu)變異狀態(tài)下，整體的受力變形情況。二是讓學(xué)生懂得如何根據(jù)實際案例分析受力與經(jīng)濟之間的關(guān)系。

（2）掌握異型橋系統(tǒng)與細微之間的關(guān)系[8]。由于本章異型橋并沒有繁瑣的公式推導(dǎo)，但是有極為豐富的案例資料分析，所以從細的角度上來講，是以分析案例為主，以此系統(tǒng)地讓學(xué)生明白橋梁結(jié)構(gòu)造型異化以后對結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟性的深遠影響。

（三）教學(xué)相長（學(xué)的角度）

學(xué)習(xí)的目的在于如何充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和積極性。課堂時間終歸是有限的，且在知識點上停留的時間并不充裕，這就需要學(xué)生在課堂之余花費更多的時間預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。因此，學(xué)生所要做的就是在課余時間按照教師在課上所指出的重點進一步加深理解和認識。學(xué)習(xí)是一個自我的探索和提升過程，僅靠在課堂上的學(xué)習(xí)永遠都無法發(fā)現(xiàn)問題。尤其是在高等教育中，只有更加主動、積極地融入學(xué)習(xí)過程中，才能取得更好的回報與收獲。從學(xué)習(xí)者的角度出發(fā)，如何才能在課余溫故而知新，掌握住重點也就成為了學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，亦即學(xué)要學(xué)到重點。這正是黃侃大師“術(shù)由師授，學(xué)自己成”[9]教學(xué)理念的精髓。

（1）自主學(xué)習(xí)的重要性。學(xué)習(xí)需要的是自主，“玉不琢，不成器”唯有刻苦學(xué)習(xí)，努力雕琢，不尚虛華，沉住心思，才能在學(xué)習(xí)上有所突破。對于本章而言，需要的是學(xué)生在課余時間去探索建立異型橋的有限元模型，按照彎矩最小或者變性能最小的原則，把握異型橋的設(shè)計流程，理解異型橋設(shè)計的本質(zhì)是力學(xué)問題。而這個過程往往缺乏相應(yīng)的資料與指導(dǎo)，需要學(xué)生自己去探索發(fā)現(xiàn)。

（2）學(xué)會對比分析獲取信息。學(xué)習(xí)需要的是對比參照，異型橋和普通橋彼此對比，相互參照，就會明白結(jié)構(gòu)異化對結(jié)構(gòu)本身的受力、施工、經(jīng)濟性的影響。本章中有著大量的實例參考，可開拓視野，同時也可培養(yǎng)發(fā)散思維，明白在傳統(tǒng)普通橋梁之外，還有許多異型橋方案可供選擇，且這些方案并不雷同，對創(chuàng)新而言尤為可貴。

三、結(jié)語

文章基于異型橋的研究現(xiàn)狀，從分類、受力、施工、設(shè)計、與普通橋?qū)Ρ鹊确矫婵偨Y(jié)出異型橋的以下特點。

（1）異型橋是一種伴隨計算機有限元軟件開發(fā)而興起的新型橋型，現(xiàn)今大多數(shù)異型橋從20世紀(jì)90年代才開始建設(shè)。由于具有獨特的美學(xué)效果，異型橋在小跨徑、輕荷載的城市橋方案競爭上具有非常強的優(yōu)勢。

（2）受力方面，由于彎曲、傾斜造成構(gòu)件不得不承受彎矩和扭矩，不僅降低了構(gòu)件受力的功效比，同時也增大了結(jié)構(gòu)的施工難度。即便在恒荷載作用下，以彎矩和扭矩最小為控制條件進行設(shè)計施工，結(jié)構(gòu)也會在動荷載的作用下因為承擔(dān)較大的不利荷載而打破上述平衡，所以往往還需要補救很多的后續(xù)措施。

（3）此外，施工周期長與難以進行現(xiàn)代橋梁的工業(yè)化施工也是異型橋的短處，這些因素導(dǎo)致異型橋造價高昂。因此，較小跨徑的人行橋、以美學(xué)控制設(shè)計因素的城市橋可參考異型橋方案，但是對于大跨徑的橋型而言，基本不采用異型橋設(shè)計。

（4）如果異型橋設(shè)計方案的文化、美學(xué)價值很高，則經(jīng)濟性和施工復(fù)雜性方面的考慮都必須做出一定的讓步，因為藝術(shù)之美無價可言[10]，一如巴黎埃菲爾鐵塔。

文章按照“寓教于學(xué)，教學(xué)相長”的思想理念，分別從教與學(xué)兩個方面對異型橋章節(jié)的教學(xué)重點提出了一些建議和意見。異型橋尚處于研究初級階段，在當(dāng)前異型橋方興未艾的情況下，希望在異型橋教學(xué)研究中能起到參考幫助的作用。

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（編輯 周 沫）