王宗偉 李志雷

（1重慶交通大學(xué) 400074 2南昌工程學(xué)院 330099）

淺談橋梁結(jié)構(gòu)體系的變化與創(chuàng)新

王宗偉1李志雷2

（1重慶交通大學(xué) 400074 2南昌工程學(xué)院 330099）

本文總結(jié)了橋梁結(jié)構(gòu)體系層次劃分，包括橋梁結(jié)構(gòu)功能、橋梁結(jié)構(gòu)形式以及橋梁結(jié)構(gòu)受力特性，并舉例說明了橋梁結(jié)構(gòu)形式與主要構(gòu)件的變化與創(chuàng)新，包括主梁、主拱、塔墩、纜索等。

橋梁；結(jié)構(gòu)體系；變化；創(chuàng)新

0 引言

近年來，人們對于橋梁實用性、力學(xué)性能、景觀造型等多方面的要求促使橋梁對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行變化、組合。從而促進(jìn)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展、變化與創(chuàng)新，造就了今天豐富的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

1 橋梁結(jié)構(gòu)體系層次劃分

1.1 第一層次：結(jié)構(gòu)功能

橋梁功能及實用性是最基本的條件，同時也是修建一座橋梁主要目的。橋梁主要功能是供人和物體跨越障礙物如河流、山谷等，是交通網(wǎng)絡(luò)的咽喉。

1.2 第二層次：結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式橋梁結(jié)構(gòu)體系可以分為：梁式體系、拱式體系、斜拉橋體系、懸索橋體系以及組合體系等橋型體系。

1.3 第三層次：受力特性

受力特性包括結(jié)構(gòu)平衡時的內(nèi)力形態(tài)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞路徑。相同橋型體系仍有著千差萬別的受力形態(tài)。影響結(jié)構(gòu)受力形態(tài)的主要因素為結(jié)構(gòu)體系所受的外界約束、內(nèi)部主要受力構(gòu)件間的連接方式、主要構(gòu)件間的受力分配三個方面。

2 結(jié)構(gòu)體系變化與創(chuàng)新

2.1 結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新方式

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，橋梁數(shù)量快速增長，建設(shè)經(jīng)驗不斷豐富，設(shè)計和施工也不斷成熟，橋梁建設(shè)正作為產(chǎn)業(yè)在發(fā)展。當(dāng)建設(shè)發(fā)展到一定程度后，橋梁美學(xué)的追求隨之興起，橋梁美學(xué)觀念和景觀需求在橋梁設(shè)計中逐漸凸顯，各種奇異美觀的橋型出現(xiàn)。美學(xué)設(shè)計競爭越發(fā)激烈，我國橋梁設(shè)計企業(yè)不斷創(chuàng)新設(shè)計橋型，千姿百態(tài)的橋型出現(xiàn)在中國大地之上，城市景觀也因各類奇異美觀的橋型得到極大豐富。

材料創(chuàng)新與體系創(chuàng)新是現(xiàn)代橋梁創(chuàng)新的主要方面。為滿足特定建橋環(huán)境條件而對基本橋梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改變、組合而做的創(chuàng)新工作就是橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新。由于橋梁結(jié)構(gòu)體系的不斷創(chuàng)新，各種各樣的橋梁結(jié)構(gòu)體系誕生出來。創(chuàng)新包括技術(shù)創(chuàng)新、理論創(chuàng)新，兩者是相輔相成的。就目前的橋梁發(fā)展階段來看，工程師們所面臨的問題就是如何創(chuàng)造出新型橋梁。通常橋梁結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新思路主要有三種：直觀方式創(chuàng)新、間接方式創(chuàng)新、分解或重組創(chuàng)新。

直觀方式創(chuàng)新是通過對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式直接做一些比較直觀的改變，以改進(jìn)結(jié)構(gòu)體系，同時使結(jié)構(gòu)外觀呈現(xiàn)美感，并且結(jié)構(gòu)的受力更加合理；間接方式創(chuàng)新是一種更加開闊的思路：一種是傳統(tǒng)的漸變革新，由一種最初的形式漸變成現(xiàn)在的或是將來的形式；第二種是借鑒革新方式，創(chuàng)新的很多思路都來源于生活，生活中許多事物和技術(shù)是值得人們?nèi)パ芯拷梃b的，將他們運用到設(shè)計中也可以完成一種創(chuàng)新。分解或重組創(chuàng)新就如同化學(xué)中僅發(fā)生物理變化而沒有發(fā)生化學(xué)變化的分解、合成作用一樣。在橋梁設(shè)計中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系是有限的，新型的、實用的結(jié)構(gòu)體系也較難以開發(fā)。然而，仍然可以在這些基本體系的基礎(chǔ)上加以分解或組合設(shè)計，產(chǎn)生許多創(chuàng)新的設(shè)計，這種方法研究結(jié)構(gòu)體系的基本組成并將他們重新組合，從而產(chǎn)生一個新的結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)體系分解與重組實例

廣東省虎門二橋，是融合斜拉橋和懸索橋于一體的超長跨徑橋梁。與單一的懸索橋或斜拉橋相比具有優(yōu)勢：相比斜拉橋，可減小錨碇規(guī)模，大大減少修建錨碇的造價與風(fēng)險；斜拉橋部分選用混凝土梁，進(jìn)一步減少橋梁造價；靜力方面可以提高橋梁剛度；動力方面則可以提高抗風(fēng)能力。與斜拉橋相比，可以減小索塔高度，從而降低造價；靜力方面減小主梁軸力；動力方面減小施工最大懸臂，增加其抗風(fēng)穩(wěn)定能力。

廣東省肇慶金馬大橋，是斜拉橋與剛構(gòu)橋、梁橋的組合協(xié)作的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系形式。斜拉橋外索與主梁的夾角是設(shè)計的控制參數(shù)，夾角過小，將影響索的支撐效率。因而當(dāng)塔高受到限制時斜拉橋的跨徑就被限制。但是，如果能將引橋端伸出的懸臂梁橋或剛構(gòu)橋與之相連就能避免斜拉索的傾角過小并增大橋梁跨徑，從而形成斜拉橋與懸臂梁橋或剛構(gòu)橋的組合體系。

瑞士Sunniberg橋為部分斜拉橋。當(dāng)連續(xù)梁跨徑增大，主梁抗彎不足不能承擔(dān)全部荷載時，增加梁高不僅會使材料用量增加，還會使主梁梁高增大，外形笨重，還有可能阻礙航運。用輔助的索塔與主梁在墩頂固結(jié)，用斜拉索承擔(dān)部分荷載可以起到良好效果。這樣可使主梁輕薄，景觀良好；部分斜拉橋與傳統(tǒng)斜拉橋相比主塔矮，稱為矮塔斜拉橋；具有較長中邊跨無索區(qū)，塔墩固結(jié)彌補剛度上的不足；斜拉索恒載作用下應(yīng)力變化幅度較小，可采用較低的設(shè)計安全系數(shù)。

湘西四橋是斜拉飛燕式系桿鋼管混凝土拱橋，是斜拉橋與拱橋的完美組合。由于拱橋的施工常需要臨時索塔和斜拉索對拱圈提供支撐，省去臨時構(gòu)件的拆除工序能縮短施工周期，并能充分利用各構(gòu)件，可以將施工用的索塔和斜拉索作為永久構(gòu)件保留下來。該橋型集拱梁索于一體，這種橋梁在一定程度上使得拱橋和斜拉橋兩種橋型相互補充，斜拉索協(xié)助受力，可起到調(diào)節(jié)拱肋軸線、改善結(jié)構(gòu)剛度、減少拱肋推力的作用。

重慶菜園壩長江大橋為拱橋、剛構(gòu)橋和梁橋的組合協(xié)作。若采用全鋼結(jié)構(gòu)的大跨度中承式拱橋造價昂貴，且拱角靠近水面，易于發(fā)生腐蝕，影響結(jié)構(gòu)耐久性。菜園壩長江大橋采用組合式的系桿拱和三角剛構(gòu)體系，三角形的剛構(gòu)混凝土拱腳充分利用混凝土材料的抗壓性能；結(jié)構(gòu)從復(fù)雜的形式分為簡單的三個獨立子結(jié)構(gòu)，受力、設(shè)計和施工都得到很好的優(yōu)化。

3 主要受力構(gòu)件的變化與創(chuàng)新

橋梁的創(chuàng)新不僅僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體系上，也體現(xiàn)在受力構(gòu)件上。

3.1 主梁的變化與創(chuàng)新

為提高側(cè)向剛度和氣動性等結(jié)構(gòu)特性，對主梁的截面進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。如西堠門大橋的橫截面采用分離式的鋼箱梁來增加橋梁的側(cè)向剛度和氣動性。

3.2 主拱的變化與創(chuàng)新

主拱的創(chuàng)新可美化結(jié)構(gòu)、改善拱橋穩(wěn)定性與動靜力特性等。化整為零可以減輕橋梁自重并方便結(jié)構(gòu)施工；斜靠提籃式主拱可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度與穩(wěn)定性，同時也對橋梁的美觀做出很大的改善。

3.3 塔墩的變化與創(chuàng)新

最簡單的是獨塔形式，之后為達(dá)到適應(yīng)雙索面、提高側(cè)向剛度、減小承臺體量和尺寸等目的，橋塔經(jīng)過了H形橋塔、門式框架橋塔、倒V形橋塔、A形橋塔、花瓶式橋塔等的優(yōu)化創(chuàng)新，這是對于結(jié)構(gòu)合理受力形式的追求，近年來橋塔在美學(xué)方面的追求也是越發(fā)高漲，各種傾斜式橋塔、異形橋塔也豐富了橋塔的形式外觀。

3.4 纜索的變化與創(chuàng)新

纜索的變化與創(chuàng)新也是對結(jié)構(gòu)受力體系和外觀美學(xué)追求的結(jié)果，拉索的變化與創(chuàng)新與索塔的關(guān)系較大，可以協(xié)調(diào)兩者整體考慮。追求結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化，進(jìn)而產(chǎn)生部分地錨斜拉橋；對于多塔斜拉橋，為保證中間橋塔剛度，而設(shè)置塔頂水平拉鎖、從塔頂?shù)较噜徦撞坷i、相鄰索塔的拉鎖在主梁跨中處交叉；獨塔斜拉橋也可以通過不同的拉鎖的空間體系布置來增大其抗風(fēng)穩(wěn)定性。

構(gòu)件尺寸與約束連接同樣也有著不同程度的變化與創(chuàng)新。當(dāng)主要受力構(gòu)件的尺寸從量變達(dá)到質(zhì)變時，還可以形成新的結(jié)構(gòu)體系，與原結(jié)構(gòu)相比形態(tài)呈現(xiàn)較大的差別。

4 總結(jié)

梁索組合、以梁為主的組合結(jié)構(gòu)橋型有著很強的競爭力，是新橋型的重要發(fā)展方向。新材料性能的提升是橋梁技術(shù)的重要原動力，輕質(zhì)、高強是橋梁復(fù)合材料技術(shù)革新的重要方向。計算機技術(shù)的進(jìn)步、仿真數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，使橋梁設(shè)計精細(xì)化。橋梁創(chuàng)新有其發(fā)展過程，不必一味求大求奇，應(yīng)從量變到質(zhì)變。橋梁創(chuàng)新的重要性不言而喻，但是要使橋梁創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化，則需要一個推動創(chuàng)新的體制制度，在這個制度體系進(jìn)行可持續(xù)創(chuàng)新。

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1007-6344（2017）10-0014-01

第一作者：王宗偉(1994—)男，漢族，湖北省襄陽市人，在讀碩士研究生，單位：重慶交通大學(xué)，研究方向：橋梁養(yǎng)護(hù)。

第二作者：李志雷(1996—)男，漢族，江西省景德鎮(zhèn)市人，在讀本科生，單位：南昌工程學(xué)院，研究方向：土木工程。