現(xiàn)代橋梁結構講解

1、大連理工大學網(wǎng)絡高等教育畢業(yè)大作業(yè)模板 網(wǎng)絡高等教育高起專 畢 業(yè) 論 文 題 目： 現(xiàn) 代 橋 梁 結 構 學習中心: 完成日期： 2013年5月25 II現(xiàn) 代 橋 梁 結 構內容摘要斜拉橋與懸索橋相互協(xié)作，形成了一種新型的協(xié)作體系橋梁，這種協(xié)作體系在滿足橋梁大跨徑要求的同時，斜拉與懸索的靈活組合給橋梁形態(tài)上的多變提供條件。橋梁建筑以其自身的實用性、巨大性、固定性、永久性及藝術性極大地影響并改變了人類的生活環(huán)境。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、科學技術水平的進步、生活水平的提高，人類對周圍的生存環(huán)境提出了更高的要求，橋梁景觀也越來越受到重視，橋梁的美學處理已是橋梁工程師必須的職能范圍。關鍵詞：斜拉-懸索協(xié)

2、作體系橋；橋梁美學目 錄內容摘要I引 言11 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的發(fā)展概況22 懸索橋的美學設計32.1 懸索橋的形態(tài)特征32.2 懸索橋主構要素的美學設計33 斜拉橋的美學設計63.1 斜拉橋的形態(tài)特征63.2 斜拉橋主構要素的美學設計64.1 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的形態(tài)特征84.2 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的美學設計10參考文獻12引 言如同美學與藝術兩者的關系一樣，橋梁建筑藝術是橋梁美學的表現(xiàn)。橋梁建筑藝術是通過橋梁建筑實體與空間的形態(tài)美及其相關因素的美學處理，形成一種實用與審美相結合的造型藝術，即創(chuàng)造橋梁美的技術。隨著交通工具的演變、現(xiàn)代橋梁技術的高度發(fā)展及造型藝術設計的出現(xiàn)，需要

3、更系統(tǒng)地研究橋梁建筑美的規(guī)律，這必然導致一門專業(yè)實用美學的形成，即橋梁美學。橋梁美學是研究以美學的普遍原理、結合橋梁的特殊性質、得出橋梁建筑在設計時應遵循的和在評價中應依據(jù)的理論和法則的科學。這一科學的研究與發(fā)展，可以使橋梁建筑藝術更加燦爛輝煌。1 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的發(fā)展概況我國近年來交通建設迅猛發(fā)展，江河海域上大跨徑斜拉橋和懸索橋不斷涌現(xiàn)，橋梁工作者們早就注意到這種協(xié)作式的橋型，并對其開展了研究，交通部也將其列為八五科技攻關的課題。(1)廣東汕頭海灣大橋1991年，湖南省公路局和交通設計院曾對廣東省的汕頭海灣大橋提出主跨620m的斜拉-懸索協(xié)作體系橋方案示，與伊茲米特橋方案類似，基本屬

4、于迪辛格體系，其特點是索塔塔身和主梁皆采用薄壁高強的FNG(鋼纖維，鋼絲同，鋼筋混凝土)材料(簡稱“三鋼混凝土”)以適應軟土地質的需要。此方案未被采用。(2)臺灣高屏溪橋1993年對臺灣高屏溪橋研究方案時曾提出主跨920m的斜拉-懸索協(xié)作體系方案，屬迪辛格體系。此方案未被采用，實際實施為330m+180m的獨塔斜拉橋。(3)貴州省烏江橋1993年，貴州省交通廳在重慶交通學院的協(xié)作下提出在南盤江上修建主跨240m全長420m的迪辛格體系斜拉-懸索協(xié)作橋，因“國內外都沒有先例而未被采用。1994年，在主跨288m的烏江大橋設計中設計者們又堅持了這個方案，并于1995年4月正式開工，1997年10月

5、竣工。(4)廣東伶仃洋東航道橋1997年，連接廣東珠海與香港的伶仃洋大橋工程進行了設計方案競賽，同濟大學對主跨1400m的伶仃洋東航道橋提出了鋼預應力組合梁斜拉-懸索協(xié)作體系的參賽方案。(6)江蘇常州龍城大橋龍城大橋是江蘇省常州市清涼路跨運河大橋，該橋于2003年底確定采用同濟大學設計的巨龍造型。龍城大橋主橋跨徑為72+114+30m，主橋采取自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系，塔向邊跨傾斜，寬度與厚度沿高度方向變化，并且采用橫橋向傾斜的主纜以及順、橫橋向傾斜的吊桿，主梁采用混合箱形結構。2 懸索橋的美學設計2.1 懸索橋的形態(tài)特征懸索橋是利用橋塔將主纜凌空架起，并通過有序排列的吊桿把設有加勁梁或加勁桁

6、梁的橋面懸掛起來的結構。作為承載和傳力的懸索系統(tǒng)構成了懸索橋的基本形態(tài)，橋面均布恒載使主纜形成優(yōu)美的懸鏈線形，輕巧而纖柔的橋面凌空懸掛，潛藏著力的緊張感和力動感。如圖3.1a所示，懸索橋的基本心理引誘力線由加勁梁、橋塔和主纜構成；垂直吊桿的心理誘導力線群與橋塔平行，有助于增進橋塔向高空伸展的動態(tài)(圖3.1b)；連續(xù)斜桿的心理誘導力線有減緩橋塔向上動態(tài)的傾向(圖3.1c)。懸索橋具有流暢、輕快的曲線主旋律和凌空氣勢磅礴的總體造型。圖3.1 懸索橋心理誘導力圖2.2 懸索橋主構要素的美學設計(1)主構要素間的均衡和諧懸索橋均衡美的關鍵是主構要素間比例與尺度的和諧。垂跨比的不同，不僅改變了主纜、橋塔

7、、加勁梁、錨碇等的受力情況，影響吊橋的剛度和造價，同時也使吊橋的形態(tài)發(fā)生變化。懸索橋邊跨跨徑一般小于主跨跨徑的一半，邊跨越小，主跨就越突出，形成橋下空間的扁平形狀可與寬闊的水域背景相協(xié)調。但邊跨太小，則可能會對橋梁主構要素的均衡和整體形態(tài)帶來不好影響。(2)加勁梁懸索橋加勁梁以桁架式和扁平鋼箱梁為主，但是無論哪種形式，都應盡可能達到輕巧纖細、簡潔明了、連續(xù)流暢的視覺效果。相對來說桁架式梁高度較大，有一種龐然的感覺，因而要特別注意梁緣的處理和桿件纖細度上的選擇，盡可能體現(xiàn)懸索橋整體的輕、巧感。扁平箱梁則梁高較小，一般在兩側均有尖嘴狀的風嘴，不僅有利于抗風穩(wěn)定，而且使加勁梁視覺形象更為纖細輕巧。(

8、3)橋塔橋塔是景觀中的主要對象，其高聳挺拔的風姿起著象征和標志的作用。橋塔形式橋塔的正面形象決定橋塔的特征，是橋塔美學設計的著重點，常用的有門形、A形和鉆石形。橋塔的結構型式應根據(jù)斜拉索布置、橋面寬度以及主梁跨度等因素決定。門形橋塔基本有桁架式、剛構式及混合式三種。桁架式橋塔設計中應注意橋塔寬度，和塔高之比不要過大，否則會影響橋塔向上的動勢；剛構式橋塔形態(tài)簡潔、穩(wěn)重，孕育著力的緊張感，當塔柱較高時，可在塔頂或中間位置加設水平梁，以消除從路面到塔頂?shù)目臻g過大而產生視覺的不安定感；混合式橋塔上部簡潔輕快，而下部顯得繁雜，容易失去視覺平衡，所以應注意相互協(xié)調。A形橋塔與門形橋塔相比，更具動感與方向感

9、，其構圖也更活潑、生動。橋塔斷面對橋塔結構影響較大的因素是塔柱的斷面，塔柱較細時可用矩形、圓形斷面；斷面較大時，為了避免塔柱表面單調井節(jié)省材料，或為了滿足抗風動力穩(wěn)定性要求，可選十字、丁字、H形等斷面形式。采用這些斷面在塔柱表面產生了縱向線條，加上光陰效果，豐富了表面變化，增強了聳立感，同時也為搬運和安裝提供了方便。(4)主纜、吊桿主纜是懸索橋主纜在自重作用下基本為懸鏈線線形，主纜根數(shù)的多少與橋塔形式相配合。實際應用中，多采用雙主纜體系與門形橋塔配臺，也有雙主纜體系與A形橋塔搭配的情形。單主纜體系懸索橋在滿足結構受力要求的條件下，避免了纜索交錯的復雜感，視覺印象更加簡潔明了。吊桿懸掛于主纜上，

10、呈現(xiàn)規(guī)則陣列和有規(guī)律的變化，是懸索橋形態(tài)美的重要因素。吊桿面一般都在鉛垂面內，但也可從橋塔頂部向橋面兩側傾斜，形成兩個傾斜面。吊桿的布置有兩種，即豎直吊桿和斜吊桿。斜吊桿的應用既可以減少加勁梁的變形、提高懸索橋的整體剛度，也豐富了造型的變化，只是其疲勞損傷問題有待解決。3 斜拉橋的美學設計3.1 斜拉橋的形態(tài)特征斜拉橋是在墩上設置橋塔，通過錨固在橋塔上的斜拉索懸索住縱向主梁，以簡單的直線形狀構成強勁、挺拔的動勢。斜拉橋的心理誘導力線圖由主梁、斜拉索和橋塔組成(圖4.1)，橋塔向上伸展的動勢和斜拉索的力動感對水平延伸的主梁動勢在視覺上起著平衡的作用，橋面具有極其纖柔的長細比和極細的斜拉索，主梁的

11、縱向線條簡潔、流暢，形成極強的跨越感。與其他橋型相比，斜拉橋增加了塔和索的構造，設計自由度大大增加，有利于大膽構思與創(chuàng)新。大跨度斜拉橋從整體感覺上，由于其巨大的規(guī)模與高聳的主塔起到了象征性標志作用，產生著震撼人心的魅力，具有強大的生命力。圖4.1 斜拉橋心理誘導力圖3.2 斜拉橋主構要素的美學設計(1)主構要素間的均衡和諧斜拉橋中高聳的主塔加上斜拉索明快的力線，加強了橋梁的穩(wěn)定感，其均衡美的關鍵在于主構要素間比例與尺度的和諧。斜拉橋的邊跨與中跨均衡的跨度比為1：2，但恒載大的混凝土斜拉橋邊跨可以大一些，而由此引起的視覺構圖比例不協(xié)調可以通過在邊跨中間增設橋墩來改善。斜拉橋的均衡美既存在于對稱均

12、衡構圖中，也存在于非對稱的動態(tài)均衡中，且后者更有創(chuàng)意、更新穎生動。(2)主梁斜拉橋主梁斷面形態(tài)以抗扭剛度大且便于拉索與主梁連接的箱梁為多，不僅滿足抗風穩(wěn)定要求，而且在光影效果下更顯纖細輕盈。斜拉橋主梁縱斷線型通常采用水平直線，簡潔、明快、舒展，并且具有速度感和連續(xù)流暢感。當橋跨較大或因橋下凈空需要時，也采用縱向豎曲線，不僅避免了大跨徑梁的下垂感，使側面景觀形態(tài)優(yōu)美，而且形成極強的跨越感。(3)橋塔橋塔是表達斜拉橋個性和視覺效果的主要結構物，向上的動勢感更加強烈，設計制約相對較小。斜拉橋橋塔形式主要有獨柱式、雙柱式、門形、H形、A形、倒Y形等等，。獨柱式橋塔簡潔單純，只是存在一定的制約而加大了造

13、型美學設計的難度。將獨柱式橋塔在下部分開便形成力感很強的倒Y形橋塔。雙柱式橋塔橋面空間通暢、無壓抑感，但對大跨度橋梁，為了增強穩(wěn)定性常用橫梁把兩根塔柱聯(lián)系起來，根據(jù)橫梁的位置不同形成了門形和H形塔。梁下塔柱部分對于門形、H形、A形、倒Y形塔有向下延伸和向內收縮兩種處理方法，延伸直線條給人以堅挺的力感與形象，向內收縮的鉆石形形態(tài)優(yōu)雅美觀。斜拉橋塔柱斷面與懸索橋相同，當斷面尺寸不大時，一般采用圓形、矩形等；當斷面尺寸較大時，應進行“切角”或“凹槽”處理，以改變視覺寬度。(4)拉索拉索不僅是斜拉橋的主要構造單元，也是決定橋梁景觀的重要因素，對調整橋梁形態(tài)和構圖比例都起著十分有效的作用。拉索順橋向常用

14、的布置方式有放射形、平行形和扇形。放射形拉索全部匯集到塔頂，增強了塔向上的動勢，要求塔有較大的抗彎剛度，且塔頂構造處理困難，易形成體積較大且笨重的頂部，影響結構整體美學設計。平行形拉索彼此平行，有利于索塔受力，索與塔的連結構造易于處理，拉索序列規(guī)則、整齊，但與放射形拉索相比卻顯呆板。扇形拉索兼有前兩者的優(yōu)點，可靈活地布置與橋塔的各種造型相互配合，故在設計中獲得廣泛應用。隨著斜拉橋跨度的增加，拉索有時還根據(jù)美觀、地形等特殊需要采用星形和其他各種混合型式不對稱的布置方式。拉索在橫橋向布置上，大體可分為單面索、雙面索和三面索三種。單面索布置在中間分隔帶上，拉索對抗扭不起作用，但橋面上視野開闊。雙面索

15、一般都位于路面兩側，可平行布置、也可相向傾斜布置，傾斜的雙面索具有良好的抗風穩(wěn)定性。三面索是一個索面在中垂線上，而其余兩個索面各沿一個外線，適于公、鐵兩用橋和由雙車道過渡到多車道的城市橋，只是視覺上索線交叉，易產生讓人厭惡的繁雜感。4 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的美學設計4.1 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的形態(tài)特征如前所述，斜拉懸索協(xié)作體系分為羅勃林體系、迪辛格體系、斯坦因曼的倒置斜拉索協(xié)作體系、林同炎的雙懸臂協(xié)作體系、Christian Menn的帶面外斜拉索塔協(xié)作體系和常州龍城大橋的斜拉懸索分隔布置協(xié)作體系6種。(1)羅勃林體系羅勃林體系中，用斜拉索來加固懸索橋的做法，加強了橋塔向上的動勢，使原本

16、形態(tài)柔美、抒情奔放的懸索橋中多了一分力量和強度，給人以柔中帶剛的美感。但斜拉索與豎直吊桿的重疊布置，導致視覺上力的傳遞路徑不明確，特別在采用密索布置時，斜拉索與吊桿交叉處有繁雜感和厚重感，削弱了結構的跨越感。圖5.1 羅勃林體系心理誘導力圖(2)迪辛格體系迪辛格體系中，在斜拉橋中跨加入柔順、彈性的懸索結構，使得原本強勁、挺拔、嚴肅的斜拉橋變得活潑生動，既體現(xiàn)剛中帶柔的美感，也沒有羅勃林體系中的繁雜感。遠離塔根與梁夾角較小的斜拉索被豎直吊桿索取代，更突出了塔向上的動勢。只是結構整體在受力和外觀上均有明顯的不連續(xù)性。圖5.2 迪辛格體系心理誘導力圖(3)倒置斜拉索協(xié)作體系倒置斜拉索協(xié)作體系中，斜拉

17、索倒置錨固在塔根處，增加了主纜的緊張感。但從局部看，倒置斜拉索會分散注意力，橋塔與梁的垂直關系不再明顯，塔的力量感也被削弱。從整體看，塔與倒置斜拉索調節(jié)了結構橫向與縱向的比例，使其免于水平方向單位突出的視覺效果，只是結構整體外觀具有不連續(xù)性。圖5.3 倒置斜拉索協(xié)作體系心理誘導力圖(4)雙懸臂協(xié)作體系雙懸臂協(xié)作體系中，橋塔明顯高于其他協(xié)作體系，但對稱剛性斜撐的加入使橋塔不再突兀，橋塔與斜撐間通過斜拉索相聯(lián)系使其更具面的形態(tài)特征，與之相比高度較低的懸索結構具有擴大寬度、降低心理高度的作用。雙懸臂協(xié)作體系雖然沒有懸索橋的氣勢磅礴和斜拉橋的剛勁挺拔，但更顯活潑、生動和空間感，特別在多跨布置時更為明顯

18、。圖5.4 雙懸臂協(xié)作體系心理誘導力圖(5)帶面外斜拉索塔協(xié)作體系與前面幾種協(xié)作體系不同，帶面外斜拉索塔協(xié)作體系是空間協(xié)作體系，帶面外斜拉索塔在橫橋向形態(tài)(圖b)與上述雙懸臂索塔在順橋方向的形態(tài)一樣。如果把一般橋梁水平方向單維突出的特征形態(tài)看成一維的，則雙懸臂協(xié)作體系形態(tài)在順橋方向是的二維，而帶面外斜拉索塔協(xié)作體系形態(tài)是三維的。視覺上面外斜拉索塔與主梁問的斜拉索組成傾斜面更具方向感和空間感，且拉索在斜拉索塔的一端因索塔的傾斜視覺上縮短了拉索在索塔上的間距，增強了主塔向上的動勢。斜索面與帶面外斜拉索塔豎直面及跨中部位的鉛垂面相組合，結構整體顯示出生命感、充實感與存在感。只是在有些角度觀賞，線條交

19、匯較多會出現(xiàn)繁雜感，且橋在順橋方向有明顯的不連續(xù)性。圖5.5 帶面外斜拉索塔協(xié)作體系心理誘導力圖(6)斜拉懸索分隔布置協(xié)作體系斜拉懸索分隔布置協(xié)作體系，是由江蘇常州龍城大橋引申而來，主跨為懸索體系而邊跨為斜拉索體系，斜拉與懸索分隔布置于橋塔兩側，視覺上力的傳遞路徑明確，但與前面所述5種協(xié)作體系最大的不同在于橋塔兩側呈現(xiàn)明顯的不對稱性，由于邊跨斜拉索的配置，使兩側的主塔都有向橋中心靠攏的趨勢。這種協(xié)作體系與前面所述協(xié)作體系相比，受力與外觀都較連續(xù)，但是，這種體系的誕生是源于對橋梁美學的追求，因此，與前面幾種協(xié)作體系相比其跨越能力并無明顯優(yōu)勢(如圖5.6所示)。圖5.6 斜拉懸索分隔布置協(xié)作體系心

20、理誘導力圖4.2 斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的美學設計(1)主構要素間的均衡和諧協(xié)作體系橋梁的主構要素間的均衡和諧比斜拉索與懸索橋更重要，除應注意垂跨比、跨徑分割比、橋寬與跨徑之比、梁高與中跨之比、塔高與中跨之比外，還應特別注意懸索區(qū)與拉索區(qū)的比例，因為這關系到整個結構的性能更偏于那種結構體系。由于協(xié)作體系結構復雜，導致結構整體的均衡和諧也更為復雜。倒置斜拉索協(xié)作體系中，倒置斜拉索區(qū)域不易過密、過長，否則會嚴重影響塔向上的動勢。雙懸臂協(xié)作體系中，由于塔高較高，且與雙懸臂及斜拉索的組合形態(tài)穩(wěn)重，因此，要注意懸索結構在順橋向長度范圍內所占比例較大為宜。帶面外斜拉索塔協(xié)作體系為空間協(xié)作體系，因此，應注意

21、各個空間面間的角度、位置，以保證在各個角度觀看時不會有交錯雜亂之感。(2)梁與斜拉橋和懸索橋一樣，協(xié)作體系主梁截面形式也以桁架加勁梁和箱梁為主，現(xiàn)有的斜拉-懸索協(xié)作體系方案基本都選用箱梁截面。在視覺上，箱梁截面與協(xié)作體系的組合比較理想，而桁架加勁梁與斜拉索及吊桿的組合視覺上容易產生繁雜感。主梁縱斷線型也采用簡潔、明快的水平直線，來增加橋梁連續(xù)流暢感的美感。(3)塔與斜拉橋和懸索橋相比，協(xié)作體系中塔的形態(tài)更為新穎獨特。對于以懸索橋為主的羅勃林體系和以斜拉橋為主的迪辛格體系基本都采用門形橋塔，橋塔側面形態(tài)以簡潔的獨柱式為宜。對于倒置斜拉索協(xié)作體系，為加強由倒置斜拉索而減弱的塔向上動勢，方便倒置斜拉

22、索在塔根的錨固，建議采用側面形態(tài)為A形的橋塔較好。對于雙懸臂協(xié)作體系和帶面外斜拉索塔協(xié)作體系，雙懸臂和面外斜拉索塔與主塔通過斜拉索連接，橋塔雖缺乏力量感和向上的動勢，卻與主梁結合協(xié)調，設計時應注意雙懸臂索塔和面外斜拉索塔與主塔的角度及斜拉索的疏密程度。(4)拉索與吊桿協(xié)作體系多采用雙面拉索與懸索組合，拉索與吊桿的比重、疏密程度及布置方式既影響結構的受力，也對整體結構的視覺效果起著美化或破壞的作用，懸索部分宜采用吊索或柔性吊桿，以提高其抗疲勞能力和變形協(xié)調能力。為避免產生雜亂感，羅勃林體系宜采用直吊桿，且當拉索在主梁上以吊桿間距的整倍間距布置時，拉索與吊桿形成的網(wǎng)格具規(guī)律和韻律之美感。迪辛格體系宜采用扇形拉索布置方式，既有利于橋梁美觀也有利于拉索和主纜在塔頂?shù)腻^固及橋塔受力，另外，應注意懸索區(qū)與斜拉區(qū)接合處的協(xié)調，最靠近吊桿的拉索和吊桿不應有空隙，否則既影響美觀也在內力上出現(xiàn)