談異型橋教學(xué)

李燕峰　袁萬(wàn)城

摘要：異型橋是當(dāng)前城市橋梁建設(shè)的熱門(mén)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(duì)異型橋課程教學(xué)提供些許參考，文章從異型橋的分類(lèi)、施工、設(shè)計(jì)等角度對(duì)其知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了較細(xì)致的梳理，將異型橋和普通橋進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比。最后分別立足于教、學(xué)兩個(gè)角度對(duì)如何教好和學(xué)好本章知識(shí)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：異型橋；橋梁美學(xué)；教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU997；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2016）02-0082-07

經(jīng)過(guò)20世紀(jì)以來(lái)的大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，橋梁建設(shè)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，傳統(tǒng)橋型從造型設(shè)計(jì)和施工工藝上都已經(jīng)日趨完善。但是與此同時(shí)，不少設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)了雷同的情況，甚至給人千篇一律的感覺(jué)，這不僅無(wú)法滿足當(dāng)今社會(huì)群眾的審美需求，而且對(duì)技術(shù)創(chuàng)新而言更是一種退步。因此，對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)者而言，如何進(jìn)一步創(chuàng)新以滿足大眾日益挑剔的審美眼光是必須面對(duì)的問(wèn)題。此外，隨著計(jì)算機(jī)有限元計(jì)算方法的進(jìn)步和新型施工技術(shù)與高強(qiáng)材料的應(yīng)用，無(wú)論多復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)形式都可能實(shí)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(wàn)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(kāi)提供一定的參考和幫助，文章對(duì)異型橋的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行了較為詳細(xì)的概括，希冀讀者對(duì)異型橋產(chǎn)生系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)。

一、異型橋教學(xué)內(nèi)容

（一）異型橋的分類(lèi)

異型橋之名是相對(duì)于常規(guī)橋而言的，凡是主梁或者主塔以斜、彎設(shè)計(jì)代替直線設(shè)計(jì)，就可以認(rèn)為是異型橋。異型橋的分類(lèi)與普通橋型的分類(lèi)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(duì)這兩種橋型多是單獨(dú)研究，所以異型橋的研究對(duì)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(duì)位置、支撐條件等將異型橋進(jìn)一步細(xì)分為斜支撐拱橋、蝴蝶拱橋、無(wú)背索斜拉橋等[1]（圖2）。

表1統(tǒng)計(jì)了自20世紀(jì)末以來(lái)國(guó)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(shuō)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(mén)階段。

（二）異型橋的結(jié)構(gòu)形式與受力特點(diǎn)

異型橋在視覺(jué)感官上有兩大特點(diǎn)，其一是“反重力”，在造型上會(huì)給人一種受力不穩(wěn)的錯(cuò)覺(jué)，在拱肋和索塔傾斜時(shí)尤為明顯。其二是“不規(guī)則”，結(jié)構(gòu)的形式變化無(wú)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(duì)稱、規(guī)則、齊整的布局方案，在視覺(jué)上形成新穎、獨(dú)特的美感，消除了視覺(jué)審美疲勞。

但是，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一改傳統(tǒng)普通橋型的經(jīng)典思路，以非對(duì)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(jì)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(guò)來(lái)還需要纜索和主梁或者配預(yù)應(yīng)力筋來(lái)幫助塔柱和拱圈保持穩(wěn)定[2-4]。從這點(diǎn)上來(lái)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(qiáng)大的有限元模擬來(lái)獲得構(gòu)件的受力情況。根據(jù)各類(lèi)異型橋的結(jié)構(gòu)形式與受力特點(diǎn)，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和平衡，設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)主要是彎、斜，所以在未成橋的時(shí)候，結(jié)構(gòu)承載能力往往并不能達(dá)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(chǎng)施工的不可控因素，也為了減少造價(jià)，當(dāng)全橋跨徑較低的時(shí)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(guò)大又有通航需要的時(shí)候，有些拱橋采用臨時(shí)塔加扣索的施工方法，如南寧大橋，當(dāng)然還需要進(jìn)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(yùn)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(shí)際情況分析。

（四）異型橋的設(shè)計(jì)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(lái)了橫向的水平力，同時(shí)也給主梁帶來(lái)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(lèi)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。因此，在異型橋幾何規(guī)劃上需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(wú)數(shù)個(gè)異型橋設(shè)計(jì)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(jì)方案選擇范圍就會(huì)縮小。一般的控制設(shè)計(jì)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?fù)鋬?yōu)化[7]理論也為異型橋設(shè)計(jì)提供了一種參考思路。所謂拓?fù)鋬?yōu)化，就是在單獨(dú)荷載或多個(gè)荷載的作用下，尋求對(duì)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?fù)鋬?yōu)化中代表的是最大剛度設(shè)計(jì)。從理論上講，拓?fù)鋬?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(jì)。

（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(shí)，也需要我們對(duì)異型橋和同等跨徑的普通橋之間的差異進(jìn)行全面細(xì)致的對(duì)比。

（1）異型橋的施工周期一般都較同類(lèi)型跨徑的普通橋型長(zhǎng)，這主要是因?yàn)槭┕ざ嗖捎谜w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(jì)上使恒載作用下結(jié)構(gòu)受力橫向彎矩或扭矩為零，也會(huì)在動(dòng)荷載作用下讓結(jié)構(gòu)承受很大的不利彎矩，因此會(huì)比同類(lèi)普通橋型采用更多的補(bǔ)救措施來(lái)彌補(bǔ)。

（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(jìn)行手算，而只能求助于有限元進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這也是早期計(jì)算機(jī)技術(shù)未發(fā)展時(shí)，異型橋得不到推廣應(yīng)用的根本原因。

（4）異型橋的造價(jià)頗高，以全橋長(zhǎng)213 m，主跨128 m長(zhǎng)的異型斜拉橋Sundial Bridge為例，當(dāng)時(shí)的造價(jià)就高達(dá)2 350萬(wàn)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(zhēng)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(xiàn)特有的文化價(jià)值，那么經(jīng)濟(jì)因素可適當(dāng)讓位于美學(xué)因素，如英國(guó)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(shí)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(huì)降低構(gòu)件功效比。

（6）適用跨徑方面，在同類(lèi)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?yàn)橹鳌?/p>

（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(jì)方案來(lái)看，大部分的設(shè)計(jì)方案多以異型橋方案設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)力非常強(qiáng)。在增加文化底蘊(yùn)和美學(xué)特色上具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。

二、異型橋教學(xué)探討

（一）把握異型橋教學(xué)的核心問(wèn)題

異型橋作為當(dāng)前城市橋梁建設(shè)的熱門(mén)選擇也才不過(guò)20年光景。至于為什么沒(méi)有早期的異型橋呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題當(dāng)然有多方面原因，計(jì)算能力不足固然是原因之一，但其實(shí)異型橋始終有兩個(gè)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(wèn)題）；第二，經(jīng)濟(jì)性與美觀性之間的矛盾（錢(qián)的問(wèn)題）。

關(guān)于第一個(gè)矛盾，本質(zhì)其實(shí)就是一個(gè)結(jié)構(gòu)異化后的彎斜體系力學(xué)平衡問(wèn)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(guò)去普通橋的直線設(shè)計(jì)，從而造成受力方面承載能力上一定的退化，動(dòng)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(wèn)題。

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

這兩個(gè)矛盾始終貫穿異型橋的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)。因此，教學(xué)內(nèi)容自然也應(yīng)該圍繞這兩個(gè)矛盾展開(kāi)。

（二）寓教于學(xué)（教的角度）

課堂時(shí)間總是有限的。在有限的時(shí)間內(nèi)，講解的東西不宜過(guò)于艱澀難懂，且現(xiàn)在的教學(xué)方式多以快速簡(jiǎn)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(diǎn)就成為了關(guān)鍵。

（1）理論聯(lián)系實(shí)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(gè)矛盾展開(kāi)論述。一是需要結(jié)合具體異型橋案例進(jìn)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(shí)際案例分析受力與經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系。

（2）掌握異型橋系統(tǒng)與細(xì)微之間的關(guān)系[8]。由于本章異型橋并沒(méi)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(xì)的角度上來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性的深遠(yuǎn)影響。

（三）教學(xué)相長(zhǎng)（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(dòng)性和積極性。課堂時(shí)間終歸是有限的，且在知識(shí)點(diǎn)上停留的時(shí)間并不充裕，這就需要學(xué)生在課堂之余花費(fèi)更多的時(shí)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(shí)間按照教師在課上所指出的重點(diǎn)進(jìn)一步加深理解和認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)是一個(gè)自我的探索和提升過(guò)程，僅靠在課堂上的學(xué)習(xí)永遠(yuǎn)都無(wú)法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。尤其是在高等教育中，只有更加主動(dòng)、積極地融入學(xué)習(xí)過(guò)程中，才能取得更好的回報(bào)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(diǎn)也就成為了學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，亦即學(xué)要學(xué)到重點(diǎn)。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(duì)于本章而言，需要的是學(xué)生在課余時(shí)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(jì)流程，理解異型橋設(shè)計(jì)的本質(zhì)是力學(xué)問(wèn)題。而這個(gè)過(guò)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(huì)對(duì)比分析獲取信息。學(xué)習(xí)需要的是對(duì)比參照，異型橋和普通橋彼此對(duì)比，相互參照，就會(huì)明白結(jié)構(gòu)異化對(duì)結(jié)構(gòu)本身的受力、施工、經(jīng)濟(jì)性的影響。本章中有著大量的實(shí)例參考，可開(kāi)拓視野，同時(shí)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(duì)創(chuàng)新而言尤為可貴。

三、結(jié)語(yǔ)

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

（1）異型橋是一種伴隨計(jì)算機(jī)有限元軟件開(kāi)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(kāi)始建設(shè)。由于具有獨(dú)特的美學(xué)效果，異型橋在小跨徑、輕荷載的城市橋方案競(jìng)爭(zhēng)上具有非常強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

（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(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)施工，結(jié)構(gòu)也會(huì)在動(dòng)荷載的作用下因?yàn)槌袚?dān)較大的不利荷載而打破上述平衡，所以往往還需要補(bǔ)救很多的后續(xù)措施。

（3）此外，施工周期長(zhǎng)與難以進(jìn)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(jià)高昂。因此，較小跨徑的人行橋、以美學(xué)控制設(shè)計(jì)因素的城市橋可參考異型橋方案，但是對(duì)于大跨徑的橋型而言，基本不采用異型橋設(shè)計(jì)。

（4）如果異型橋設(shè)計(jì)方案的文化、美學(xué)價(jià)值很高，則經(jīng)濟(jì)性和施工復(fù)雜性方面的考慮都必須做出一定的讓步，因?yàn)樗囆g(shù)之美無(wú)價(jià)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(zhǎng)”的思想理念，分別從教與學(xué)兩個(gè)方面對(duì)異型橋章節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)提出了一些建議和意見(jiàn)。異型橋尚處于研究初級(jí)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）