淺談橋梁結構體系的變化與創(chuàng)新

王宗偉 李志雷

（1重慶交通大學 400074 2南昌工程學院 330099）

淺談橋梁結構體系的變化與創(chuàng)新

王宗偉1李志雷2

（1重慶交通大學 400074 2南昌工程學院 330099）

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

橋梁；結構體系；變化；創(chuàng)新

0 引言

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

1 橋梁結構體系層次劃分

1.1 第一層次：結構功能

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，是交通網絡的咽喉。

1.2 第二層次：結構形式

根據結構形式橋梁結構體系可以分為：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

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

2 結構體系變化與創(chuàng)新

2.1 結構體系創(chuàng)新方式

隨著我國經濟不斷發(fā)展，橋梁數量快速增長，建設經驗不斷豐富，設計和施工也不斷成熟，橋梁建設正作為產業(yè)在發(fā)展。當建設發(fā)展到一定程度后，橋梁美學的追求隨之興起，橋梁美學觀念和景觀需求在橋梁設計中逐漸凸顯，各種奇異美觀的橋型出現(xiàn)。美學設計競爭越發(fā)激烈，我國橋梁設計企業(yè)不斷創(chuàng)新設計橋型，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構體系進行改變、組合而做的創(chuàng)新工作就是橋梁結構體系創(chuàng)新。由于橋梁結構體系的不斷創(chuàng)新，各種各樣的橋梁結構體系誕生出來。創(chuàng)新包括技術創(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。通常橋梁結構體系的創(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)有結構形式直接做一些比較直觀的改變，以改進結構體系，同時使結構外觀呈現(xiàn)美感，并且結構的受力更加合理；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是值得人們去研究借鑒的，將他們運用到設計中也可以完成一種創(chuàng)新。分解或重組創(chuàng)新就如同化學中僅發(fā)生物理變化而沒有發(fā)生化學變化的分解、合成作用一樣。在橋梁設計中，傳統(tǒng)結構體系是有限的，新型的、實用的結構體系也較難以開發(fā)。然而，仍然可以在這些基本體系的基礎上加以分解或組合設計，產生許多創(chuàng)新的設計，這種方法研究結構體系的基本組成并將他們重新組合，從而產生一個新的結構。

2.2 結構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險；斜拉橋部分選用混凝土梁，進一步減少橋梁造價；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，增加其抗風穩(wěn)定能力。

廣東省肇慶金馬大橋，是斜拉橋與剛構橋、梁橋的組合協(xié)作的創(chuàng)新結構體系形式。斜拉橋外索與主梁的夾角是設計的控制參數，夾角過小，將影響索的支撐效率。因而當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橋的組合體系。

瑞士Sunniberg橋為部分斜拉橋。當連續(xù)梁跨徑增大，主梁抗彎不足不能承擔全部荷載時，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，用斜拉索承擔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)，塔墩固結彌補剛度上的不足；斜拉索恒載作用下應力變化幅度較小，可采用較低的設計安全系數。

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，省去臨時構件的拆除工序能縮短施工周期，并能充分利用各構件，可以將施工用的索塔和斜拉索作為永久構件保留下來。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，可起到調節(jié)拱肋軸線、改善結構剛度、減少拱肋推力的作用。

重慶菜園壩長江大橋為拱橋、剛構橋和梁橋的組合協(xié)作。若采用全鋼結構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，影響結構耐久性。菜園壩長江大橋采用組合式的系桿拱和三角剛構體系，三角形的剛構混凝土拱腳充分利用混凝土材料的抗壓性能；結構從復雜的形式分為簡單的三個獨立子結構，受力、設計和施工都得到很好的優(yōu)化。

3 主要受力構件的變化與創(chuàng)新

橋梁的創(chuàng)新不僅僅體現(xiàn)在結構體系上，也體現(xiàn)在受力構件上。

3.1 主梁的變化與創(chuàng)新

為提高側向剛度和氣動性等結構特性，對主梁的截面進行創(chuàng)新和改進。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)新可美化結構、改善拱橋穩(wěn)定性與動靜力特性等?；麨榱憧梢詼p輕橋梁自重并方便結構施工；斜靠提籃式主拱可以提高結構的整體剛度與穩(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，之后為達到適應雙索面、提高側向剛度、減小承臺體量和尺寸等目的，橋塔經過了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，這是對于結構合理受力形式的追求，近年來橋塔在美學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)新也是對結構受力體系和外觀美學追求的結果，拉索的變化與創(chuàng)新與索塔的關系較大，可以協(xié)調兩者整體考慮。追求結構受力優(yōu)化，進而產生部分地錨斜拉橋；對于多塔斜拉橋，為保證中間橋塔剛度，而設置塔頂水平拉鎖、從塔頂到相鄰塔底部拉鎖、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穩(wěn)定性。

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

4 總結

梁索組合、以梁為主的組合結構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的重要原動力，輕質、高強是橋梁復合材料技術革新的重要方向。計算機技術的進步、仿真數值模擬和虛擬現(xiàn)實技術等，使橋梁設計精細化。橋梁創(chuàng)新有其發(fā)展過程，不必一味求大求奇，應從量變到質變。橋梁創(chuàng)新的重要性不言而喻，但是要使橋梁創(chuàng)新產業(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，研究方向：橋梁養(yǎng)護。

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：南昌工程學院，研究方向：土木工程。