《橋梁建筑新論》

1、橋梁建筑新論 - 第三章 橋梁結(jié)構(gòu)合理形式所遵循的規(guī)律 .txt 偶爾要回頭看看， 否則永遠(yuǎn) 都在追尋，而不知道自己失去了什么。男人掏錢是戀人關(guān)系，女人掏錢是夫妻關(guān)系，男女搶 著掏錢是朋友關(guān)系。男人愛用眼睛看女人，最易受美貌迷惑；女人愛用心看男人，最易受傷 心折磨。橋梁建筑新論第三章 橋梁結(jié)構(gòu)合理形式所遵循的規(guī)律liwei9604, 你好 ! 今天是 2002-1-13 星期日 加入收藏夾 在線咨詢服務(wù)留言 板您現(xiàn)在的位置 >>橋梁空間網(wǎng) >>專業(yè)文苑 >>公路橋梁此文已被閱讀 11 次 橋梁建筑新論第三章 橋梁結(jié)構(gòu)合理形式所遵循的規(guī)律 作者：張師定第三章

2、橋梁結(jié)構(gòu)合理形式所遵循的規(guī)律3.1 引言在漫長的古代和中世紀(jì)，從事建筑營造活動(dòng)的工匠，既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工 程師。后來，隨著房屋功能的大大增加及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，才出現(xiàn)了建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的分 工。但是，橋梁就有所不同，直到現(xiàn)在，一位橋梁設(shè)計(jì)師既是建筑師，又是結(jié)構(gòu)工程師。依筆者之見，究其 原因大概有三條： 橋梁的功能并不復(fù)雜，其建筑設(shè)計(jì)可由結(jié)構(gòu)工程師代替。 橋梁所受荷載較房屋建筑特別大，因而，其造型大多以結(jié)構(gòu)受力合理為重心 進(jìn)行選擇，也就是說，橋梁建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系非常緊密。 橋梁建筑設(shè)計(jì)與施工方法緊密相連，而施工方法與結(jié)構(gòu)受力分析息息相關(guān)， 這是橋梁工程的顯著特點(diǎn)之一，詳見 5.8 節(jié)。橋

3、梁的受力特點(diǎn)等決定了橋梁建筑理性的特點(diǎn)。3.2 橋式最優(yōu)設(shè)計(jì)理論 (optional design theory of bridge shapes)研究3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念談到橋梁建筑設(shè)計(jì)，就不得不提到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，它是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要組 成部分(工程可行性研究從略) 。它雖然不如數(shù)學(xué)公式那么嚴(yán)密， 但其內(nèi)涵卻博大精深。 筆者 以為，概念設(shè)計(jì)大師、預(yù)應(yīng)力先生林同炎正是對結(jié)構(gòu)內(nèi)在規(guī)律的洞察，才不拘一格，設(shè) 計(jì)出諸如：•美洲銀行大廈框筒結(jié)構(gòu)；•莫斯康會(huì)議中心系桿拱結(jié)構(gòu)、•波多黎各的 Ponce 圓形劇場雙曲拋物線殼；&#822

4、6;亞利桑那市場大廳雙曲拋物面馬鞍形懸索屋蓋；•Rio Colorado橋反吊橋；•舊金山航空港高架橋展翅梁；•Ruck-A-Chucky橋曲線斜拉橋等傳世佳作。定義 3.1 工程結(jié)構(gòu) (engineering structure)由若干構(gòu)件相互聯(lián)結(jié)并支撐于大地上的幾何不變體系。•基本構(gòu)件受力狀態(tài)有：拉(tension)、壓(compression)、彎(bending)、剪 (shear) 、扭 (torsion) 及其組合 (combination) 等。•(arch) 、殼 (shell)

5、 member)(beam) 、板 (slab) 、柱 (column) 、拱基本構(gòu)件按其受力特點(diǎn)分為：梁 與索 (cable) (拉桿) (tension 六大類。• 工程結(jié)構(gòu)中常用的基本類型有：梁、板、柱、桁架 (truss) 、拱、排架、框架、折板結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu) (shellstructutre) 、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu) (suspensionstructure)、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)、懸吊結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、墻板結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)等。定義 3.2 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (design of engineering structure) 處理工程結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性及美觀的過程。分

6、為結(jié)構(gòu)構(gòu)思與結(jié)構(gòu)計(jì)算兩階段。定義 3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)思 (structural thought processes) 在滿足結(jié)構(gòu)功能要求的前提下，通過綜合處理各種矛盾(功能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)、 經(jīng)濟(jì)與美觀之間) ，合理地組織各構(gòu)件， 以解決結(jié)構(gòu)的傳力系統(tǒng)及方式， 使結(jié)構(gòu)成為幾何不變 體系、均衡與穩(wěn)定、傳力路徑短、應(yīng)力均勻，有韻律感與節(jié)奏感，與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)等的過程。結(jié)構(gòu)構(gòu)思的過程是從大量的未知領(lǐng)域或多種選擇中確定需要的目標(biāo)，如結(jié)構(gòu)總 體布置、外形尺寸、工程材料及施工方法等，它需要?jiǎng)?chuàng)造性地將知識(科學(xué))與技巧(藝術(shù)) 結(jié)合起來。構(gòu)思過程中應(yīng)能注意到各種關(guān)系與聯(lián)系，做到分析與綜合的結(jié)合： 既要看到總體，又要注

7、意到細(xì)部。 既要注意到現(xiàn)在，又要考慮到未來。 既要處理好核心問題，又要照顧到次要問題。 既要理解結(jié)構(gòu)的內(nèi)部關(guān)系，又要妥善處理與周邊的相互作用。 既要考慮到設(shè)計(jì)的可行性，又要考慮到施工的可行性； 既要考慮到運(yùn)營，又要考慮到維修與改建。 既要考慮到結(jié)構(gòu)，又要考慮到功能。 既要適用，又要耐久。 既要經(jīng)濟(jì)，又要安全。 既要講技術(shù)，又要講藝術(shù)。 既要考慮到自身的美觀，又要考慮到與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)(景觀設(shè)計(jì))。結(jié)構(gòu)構(gòu)思是建筑師的主要工作內(nèi)容。由于其的復(fù)雜性與創(chuàng)造性，最優(yōu)設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)，但設(shè)計(jì)結(jié)果也應(yīng)力求在合理的范圍內(nèi)。目前，結(jié)構(gòu)構(gòu)思主要靠人工來完成，而計(jì)算機(jī) 對此無能為力。定義 3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算 (struc

8、tural calculation processes)分為結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)力分析，以給出結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之尺寸及連接設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)安全 可靠，即使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，剛度及穩(wěn)定性等均應(yīng)滿足要求的過程。計(jì)算的過程主要是分析和評估結(jié)構(gòu)在給定荷載作用下的響應(yīng)，一方面確定結(jié)構(gòu) 的內(nèi)力，應(yīng)力和變形等，另一方面評估結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。由于計(jì)算的過程通常 不含有未知的因素， 計(jì)算遵循固定的程序與模式 (如有限元法分析及內(nèi)力應(yīng)力檢算等) 等， 因此，與構(gòu)思的過程相比，計(jì)算過程應(yīng)更容易些。目前，這一任務(wù)主要由計(jì)算機(jī)來完成。準(zhǔn)則 3.1 良好的結(jié)構(gòu)方案是良好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前提。Execellent structure pla

9、n is the important presupposition of execellent structure design.因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中、無論多么完美的結(jié)構(gòu)計(jì)算都無法彌補(bǔ)經(jīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)思而形成的 結(jié)構(gòu)方案中的不足。相反，良好的結(jié)構(gòu)方案卻能夠部分彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的不足。由此可見結(jié) 構(gòu)構(gòu)思的重要性。對于技術(shù)復(fù)雜或規(guī)模較大的橋梁，都要求進(jìn)行橋式方案的比選，這是合乎科學(xué) 的程序。定義 3.5 橋梁 供鐵路、道路、渠道、管線或行人等跨越河流、山谷或其它 交通線路等障礙物時(shí)使用的工程結(jié)構(gòu)物。橋梁作為一工程結(jié)構(gòu)， 其功能可由其定義一目了然， 即橋梁的功能是跨越河流、 山谷或其它交通線路等。 盡管橋梁的功能

10、歸根到底總是 “跨越”，然而， 橋梁的結(jié)構(gòu)形式卻豐 富多彩，常把“橋梁的形式”簡稱為橋式。橋梁中橋式的概念應(yīng)該與建筑中體型的概念相對應(yīng)。定義3.6 橋式 指橋的結(jié)構(gòu)體系， 橫截面形式及特征性構(gòu)造等， 尤其以橋跨 結(jié)構(gòu)形式所占的比重最大?？梢?，研究橋式就是要研究橋的結(jié)構(gòu)體系、橫截面形式及特征性構(gòu)造。這三者 最能反映橋的形式。3.2.2 最優(yōu)橋式所遵循的一般規(guī)律 橋梁結(jié)構(gòu)合理形式并非有特定的單一的結(jié)構(gòu)形式，因此，研究其特性應(yīng)從總體 上把握其規(guī)律，然后，以其為標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)所要討論橋式的優(yōu)劣。實(shí)際上，橋梁結(jié)構(gòu)合理形式所遵循的一些規(guī)律已零散地存在于橋梁建設(shè)者的頭 腦中，并自覺地運(yùn)用于實(shí)踐。挖掘其規(guī)律并使之系

11、統(tǒng)化是非常有意義的3.1 。以下有關(guān)橋梁力學(xué)與美學(xué)的準(zhǔn)則便是筆者在橋梁建筑設(shè)計(jì)中的體會(huì)與理解，而其中的一些規(guī)律不僅僅適 用于橋梁，也適用于其它工程結(jié)構(gòu)物。準(zhǔn)則 3.2 功能公理 結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足全部功能的要求。A structure should fulfil its function .準(zhǔn)則 3.2 給出了橋式最基本的要求功能要求。 若籠統(tǒng)地講，橋梁的功能是跨越。但細(xì)致地分析，橋梁結(jié)構(gòu)一般應(yīng)滿足下列功 能要求： 能承受正常施工和正常使用過程中可能出現(xiàn)的各種作用（包括荷載、外加變 形和約束變形以及溫度的作用等） 。 在正常使用過程中具有良好的工作性能，如不產(chǎn)生過大的變形和過寬的裂縫等。 具有足夠的耐

12、久性，即在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)化、腐蝕和老化。 在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，能保持必要的整體穩(wěn)定性。 這里包含了結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性等，其統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。為方便建筑設(shè)計(jì)，筆者將橋梁功能劃分為跨越功能和交通功能。由準(zhǔn)則 3.2可推出如下準(zhǔn)則 3.3 ：準(zhǔn)則 3.3 功能決定結(jié)構(gòu)。Functions determines structure .修建橋梁， 目的是讓道路跨越障礙物而得以延續(xù) （交通功能），其跨越功能是橋 梁最基本的功能之一。橋梁的跨越功能決定了橋梁必須有橋跨結(jié)構(gòu)，而為了支撐橋跨結(jié)構(gòu)， 必須有支撐結(jié)構(gòu)。橋梁要使其上的車輛或行人等安全、舒適地通過，因此，橋梁需能承受

13、車 輛、行人等荷載，且不產(chǎn)生過大的變形而影響使用。正是橋梁功能的要求，才使得為滿足橋 梁功能要求所修建的結(jié)構(gòu)被稱為橋梁。準(zhǔn)則 3.4 結(jié)構(gòu)幾何不變性 （geometrical invariability ofstructure） 準(zhǔn)則 一般工程結(jié)構(gòu)都必須是幾何不變體系。In general , geometric patterns of engineering structure must be invariable .為了保證車輛、行人等安全、舒適地通過橋梁，橋梁結(jié)構(gòu)在主要受力面內(nèi)（豎 向）應(yīng)保證幾何不變，在次要受力面內(nèi)（橫向）亦應(yīng)保證足夠的剛度。這是橋梁成為工程結(jié)構(gòu)的基本條件。判別一體系是

14、否為幾何不變體系的過程稱為機(jī)動(dòng)分析3.7 。定義3.7 幾何不變體系 受到任意荷載作用時(shí)， 若不考慮材料的變形， 則其 幾何形狀與位置均能保持不變的體系。幾何不變的平面體系的組成規(guī)則有三條： 三剛片規(guī)則 三個(gè)剛片用不在同一直線上的三個(gè)單鉸兩兩相聯(lián)所組成的體系 是幾何不變的。 二元體規(guī)則 在一個(gè)剛片上增加一個(gè)二元體所形成的體系是幾何不變的。 兩剛片規(guī)則兩個(gè)剛片用一個(gè)鉸和一根不通過此鉸的鏈桿相聯(lián)所組成的體系是幾何不變的， 或兩個(gè)剛片用三根不全平行也不交于同一點(diǎn)的鏈桿相聯(lián)所組成的體系是幾何不變的。上述規(guī)則中所提到的二名詞剛片及二元體見如下定義。定義 3.8 剛體在機(jī)動(dòng)分析中，由于不考慮材料的變形，因

15、此可以把一根構(gòu)件或已知是幾何不 變的那部分看作一個(gè)剛體，在平面體系中又稱為剛片。大地便是一特殊剛體。定義 3.9 二元體 兩根不在一直線上的鏈桿聯(lián)結(jié)一個(gè)新結(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。準(zhǔn)則 3.5 均衡與穩(wěn)定公理 一般工程結(jié)構(gòu)必須保持靜力平衡，即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。In general , engineering structure must keep itself balancy , i.e. structure stability .處于地球重力場內(nèi)的一切物體，只有當(dāng)其重心最低且左右均衡時(shí)，才會(huì)給人穩(wěn) 定的感覺。從力學(xué)與美學(xué)角度上講，都要求結(jié)構(gòu)均衡。均衡分為靜態(tài)均衡（對稱均衡與不對 稱均衡）與動(dòng)態(tài)均衡（如飛鳥式、螺旋

16、形、具動(dòng)感的曲線等） 。保持靜力平衡是橋梁結(jié)構(gòu)安全與美觀的前提條件。準(zhǔn)則 3.6 傳力路徑公理 合理的結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其傳力路徑較短。As a reasonable structure , the way of loads transmission is shortter .定義 3.10 傳力路徑 （the way of loads transmission）筆者建議，將構(gòu)件中主拉（壓）應(yīng)力跡線定義為傳力路徑，將結(jié)構(gòu)在使用荷載 （包括恒載）作用下，各主要受力構(gòu)件傳力路徑之和定義為該結(jié)構(gòu)的傳力路徑總長。由于橋梁為一狹長結(jié)構(gòu)， 其主要傳力面為豎向， 而橫向?yàn)榇我獋髁Ψ较颉?因此， 妥善處理好豎

17、向傳力途徑是關(guān)鍵問題，同時(shí)，照顧到橫向傳力問題。對于拉（壓）桿，其主應(yīng)力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件 的長度。而對于純受彎桿件，任一橫截面內(nèi)均有拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，其主拉（壓）應(yīng)力跡線亦 平行于件軸線，其傳力路徑等于桿件的長度。但梁常為彎剪耦合構(gòu)件，梁內(nèi)任意一點(diǎn)均處于 二向受為狀態(tài)。其主應(yīng)力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復(fù)雜，此時(shí)可將梁比擬為“桁架” （拉壓結(jié)構(gòu)） ，其各構(gòu)件傳力路每項(xiàng)之和可定義為梁的傳力路徑。對于彎剪扭耦合構(gòu)件， 可將其比擬為“空間桁架” ?？梢?，拉（壓）桿件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡 捷的構(gòu)件。而力在普通梁中所走的是最壞的彎路，僅從力學(xué)上來看，梁不是理

18、想的構(gòu)件。一個(gè)優(yōu)越的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)最短的傳力路徑來組織各構(gòu)件，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的傳力路 徑越短、越直接，其工作效能就越高，所耗材料也就越少；尤其是結(jié)構(gòu)承受的荷載越大，就 越應(yīng)當(dāng)合理地組織各構(gòu)件，使其傳力路徑簡捷，這也是準(zhǔn)則 3.19 的依據(jù)。不論是橋跨結(jié)構(gòu)（荷載要在橋跨范圍內(nèi)以最短路徑傳到支撐結(jié)構(gòu)）還是支撐結(jié) 構(gòu)（上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載要以最短路徑通過支撐結(jié)構(gòu)傳至大地） ；不論是橫截面內(nèi) （如受彎箱 梁在彎矩平面內(nèi)的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應(yīng)配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為 好等）還是細(xì)部構(gòu)造 （如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設(shè)置較徑向設(shè)置傳力簡捷； 帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統(tǒng)受壓型

19、鉸施工吊裝時(shí)方便，牛腿的受力與梁的受力吻 合，細(xì)部構(gòu)造優(yōu)越等） ，傳力路徑簡捷，明快者為較好的形式。若單從“傳力路徑最短”這一準(zhǔn)則出發(fā)，則不難發(fā)現(xiàn)：懸?guī)蚴莻髁β窂阶疃?的橋式。常見橋式豎向傳力路徑如圖 3.1 所示。圖 3.1 常見橋式豎向傳力路徑（實(shí)線為受壓，虛線為受拉）準(zhǔn)則 3.7 應(yīng)力均勻準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)均勻流暢。As a reasonable structure , its stress should be uniform .對于桿系結(jié)構(gòu)，應(yīng)力均勻流暢包括桿件橫截面內(nèi)應(yīng)力均勻、沿桿件長度方向內(nèi) 力均勻及結(jié)點(diǎn)、邊界處應(yīng)力均勻。只有結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻，才能較好地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，取得經(jīng)濟(jì)效益。另

20、外，結(jié)構(gòu) 應(yīng)力均勻也是優(yōu)越結(jié)構(gòu)必備的條件之一。一般情況下，超靜定結(jié)構(gòu)要比相應(yīng)的靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻些，而超靜定次數(shù) 高的結(jié)構(gòu)要比超靜定次數(shù)低的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻些。借助于彎矩概念或彎矩圖 （bending moment diagram） ，可幫助我們了解結(jié)構(gòu)的傳力路徑及各構(gòu)件的應(yīng)力均勻性，比較不同 橋式的工作原理，深入了解和掌握各種橋式的發(fā)展演變及相互聯(lián)系，從而探求盡可能減小結(jié) 構(gòu)中彎矩大小及彎曲應(yīng)力大小的各種途徑，尋求滿足功能要求、適應(yīng)橋址地形、地貌、地質(zhì) 及水文等條件的合理橋式。準(zhǔn)則 3.6 與準(zhǔn)則 3.7 是從力學(xué)角度衡量橋式優(yōu)劣的重要優(yōu)化準(zhǔn)則。 然而，早在 20 世紀(jì) 40 年代，就曾提

21、出以下幾條優(yōu)化準(zhǔn)則： 同步極限準(zhǔn)則 最優(yōu)設(shè)計(jì)的構(gòu)件在受力后各部分應(yīng)同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)。 滿應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 最優(yōu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其每一構(gòu)件應(yīng)在至少一種工況下達(dá)到它 的容許應(yīng)力限值。 最輕設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 一般的滿應(yīng)力設(shè)計(jì)可能相當(dāng)接近于、甚至就等于最輕設(shè)計(jì)。 最輕設(shè)計(jì)必須滿足的條件是：當(dāng)任何一個(gè)自由設(shè)計(jì)變量作單位變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度收益和重 量支出的比值應(yīng)彼此相等，即都等于某一常數(shù)。也可以說，在最輕結(jié)構(gòu)中，自由設(shè)計(jì)變量都 被調(diào)整到具有相等的優(yōu)化效率。這意味著對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)大的設(shè)計(jì)變量，應(yīng)該多負(fù)點(diǎn)重量。筆者以為：體系優(yōu)化才是第一位的，構(gòu)件截面優(yōu)化是第二位的；體系優(yōu)化遠(yuǎn)比 個(gè)別構(gòu)件優(yōu)化效益大。另外，對工程造價(jià)（或建筑安

22、裝費(fèi)）追求最省，也是建筑師或結(jié)構(gòu)工程師期望 的目標(biāo)之一。 換句話說， 建筑師或結(jié)構(gòu)工程師也希望自己的產(chǎn)品 / 作品有良好的性價(jià)比 （性能 / 價(jià)格）。由準(zhǔn)則 3.6 與準(zhǔn)則 3.7 可推出準(zhǔn)則 3.8 ，準(zhǔn)則 3.9 與準(zhǔn)則 3.10 ， 它為尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)指明了方向。準(zhǔn) 則 3.8 承 受 軸 向 拉 力 或 壓 力 的 結(jié) 構(gòu) ， 簡 稱 為 “ 拉 壓 結(jié) 構(gòu) ”“ tension/compressionstructure ”可能是合理結(jié)構(gòu)。The structure which consists of pull- bars or push-bars , i.e.“ tension/com

23、pression structure” may be a reasonable structure .由于拉壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻流暢、傳力簡捷、材料強(qiáng)度能夠得到較好地發(fā)揮，因 此，“拉壓結(jié)構(gòu)”可能是合理結(jié)構(gòu)。諸如桁架、拱（殼） 、柱（筒）、懸索結(jié)構(gòu)、鋼管網(wǎng)架、密索式斜拉橋、整體張 拉式結(jié)構(gòu)（由壓桿群和拉索系組成的空間結(jié)構(gòu)體系）等均為拉壓結(jié)構(gòu)，而最后者整體 張拉式結(jié)構(gòu) （tensegritysystem） 正是人們理性探索的結(jié)果。 北京工業(yè)大學(xué)陸賜麟教授在尋求最佳預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式的研究與探索中曾對理 想的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)作過預(yù)測和描述 3.6 ：“這種新型結(jié)構(gòu)既不是建立在普通結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更不是普通結(jié)構(gòu)中

24、個(gè)別桿件 的改善，而是重新建立完全區(qū)別于普通結(jié)構(gòu)圖形的新式結(jié)構(gòu)體系?？梢栽O(shè)想，在這種結(jié)構(gòu)體 系中具有最多數(shù)量的柔性拉桿， 這些拉桿由于預(yù)應(yīng)力的作用， 既可承受拉力， 又可承受壓力。 基本為軸心受壓的構(gòu)件代替了受彎構(gòu)件，軸心受壓的桿件又都受預(yù)應(yīng)力的作用而在受載前產(chǎn) 生內(nèi)部預(yù)拉應(yīng)力。只有這種新型體系的建立，才能徹底地、大量地節(jié)約鋼材，充分地利用材料 強(qiáng)度?！惫P者不禁為陸賜麟教授敏銳的眼光及無限的暢想所折服。準(zhǔn)則3.9 承受軸向拉力的跨越結(jié)構(gòu)可能是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)，即索結(jié)構(gòu)可能是大跨優(yōu)越結(jié)構(gòu)。Striding structure that supports pull forces may be a re

25、asonable structure with large spans , in other words , cable-structure may be a reasonable structure with large spans . 目前，用于橋梁的索結(jié)構(gòu)包括懸索橋、斜拉橋及拱橋（吊桿采用柔索者）等。 橋跨結(jié)構(gòu)可以是受拉、受壓或受彎?，F(xiàn)分別概論其優(yōu)、缺點(diǎn)： 受彎的橋跨結(jié)構(gòu)不方便施工，應(yīng)力不夠均勻，材料強(qiáng)度不能很好地發(fā)揮，傳 力路徑長，現(xiàn)有的受彎材料比強(qiáng)度不高。因此，受彎的橋跨結(jié)構(gòu)不適宜于大跨。 受壓的橋跨結(jié)構(gòu)雖應(yīng)力較均勻，材料強(qiáng)度能較好地發(fā)揮，傳力路徑較短，但 存在失穩(wěn)問題，不方便施工，

26、且受壓材料比強(qiáng)度不高，對于大跨橋梁，幾何非線性的影響使 其所受內(nèi)力聚增，因而不經(jīng)濟(jì)，可見，受壓的橋跨結(jié)構(gòu)還算不上較好的結(jié)構(gòu)體系。 受拉的橋跨結(jié)構(gòu)，雖存在振動(dòng)、疲勞等問題，但其應(yīng)力均勻，架設(shè)方便，材 料強(qiáng)度能得到很好地發(fā)揮， 傳力路徑較短， 受拉的材料比強(qiáng)度高， 當(dāng)考慮幾何非線性影響時(shí)， 其內(nèi)力大大減小，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此，索結(jié)構(gòu)適宜于大跨。準(zhǔn)則 3.10 預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)可能是大跨理想結(jié)構(gòu)。Pre-stressed cable structure may be a perfect structure with large spans .在預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力使索系處于張緊與穩(wěn)固狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)

27、體系具有承載 能力及剛度 （而不是降低或調(diào)整內(nèi)力） 。這種不以增加自重為代價(jià)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度及承載能力 的特點(diǎn)正是預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的優(yōu)越所在。如雙曲懸索結(jié)構(gòu)及筆者提出的全索橋新橋式 （見第八章） 便屬于預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)。 可見，優(yōu)越結(jié)構(gòu)排序如下： 第一位：受拉結(jié)構(gòu)；第二位：拉壓結(jié)構(gòu)；第三位：受壓結(jié)構(gòu)；第四位：受彎結(jié)構(gòu)。值得一提的是： 香港汀九斜拉橋 3.7 是一座預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)， 其孔跨布置為三 塔四跨連續(xù)斜拉橋（127m+ 448m+ 475m+ 127m）,其特點(diǎn)主要有： 本橋?yàn)樗乃髅骟w系； 為控制中塔的位移，采用中塔兩側(cè)各設(shè)一對錨索，由中塔塔頂斜拉至過塔靠近主梁處，并提高中塔的高度； 橋塔選用獨(dú)柱型

28、，傳力簡捷，而塔身在橫向采用鋼橫梁、鋼斜撐和橫向拉索 進(jìn)行加寬，以承擔(dān)主梁。準(zhǔn)則3.11 結(jié)構(gòu)連續(xù)公理合理的結(jié)構(gòu)整體性好 （超靜定結(jié)構(gòu)尤其如此） ，構(gòu)件體形變化平順，結(jié)點(diǎn)處或邊界處過渡平滑。A reasonable structure is an entirety with the shapes of memberschanging smoothly .這不僅是美觀的要求， 更是準(zhǔn)則 3.7 應(yīng)力均勻的要求， 因?yàn)闃?gòu)件體形變化 平順，結(jié)點(diǎn)處或邊界處過渡平滑、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)是力流平順的必要條件，同時(shí)，也可提高結(jié) 構(gòu)的承載能力和剛度，這也是當(dāng)今橋梁普遍不設(shè)鉸的原因所在吧！準(zhǔn)則3.12 合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡

29、量使其各構(gòu)件承受均布荷載，如受彎構(gòu)件承受橫 向均布（滿跨）荷載，而避免集中荷載等。A reasonable structure should make its members loaded with evendistributing forces .在橋梁設(shè)計(jì)中， 為減小集中輪載的集中作用， 常于橋面上鋪一定厚度的橋面層， 以擴(kuò)散輪載的集中作用，使主要受力構(gòu)件承受較為均勻的荷載；為擴(kuò)散支座對梁產(chǎn)生的支承 力的集中作用，常于支座處設(shè)置橫隔梁或橫隔板等，同時(shí)，這也是“傳力轉(zhuǎn)向”的要求。另 外，拱橋中采用較密的立柱或吊桿、吊橋中采用較密的吊索、斜拉橋采用較密的斜拉索等， 均是使主要受力構(gòu)件承受較為均

30、勻荷載的典型范例。這是應(yīng)力均勻，傳力簡捷之要求。準(zhǔn)則 3.13 韻律感與節(jié)奏感準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)有韻律感和節(jié)奏感。A reasonable structure is rhythmic .自然界或人工建筑物中的許多事物或現(xiàn)象，由于有秩序地變化或有規(guī)律地重復(fù) 出現(xiàn)，往往激起人們的美感，這種美通常稱為韻律美。由準(zhǔn)則3.3 可知， 功能決定了結(jié)構(gòu)。 因此， 結(jié)構(gòu)并非由雜亂的構(gòu)件拼湊而成，而是按功能要求有機(jī)地結(jié)合起來，這樣形成的巨大的、永久的、固定的、可視的合理結(jié)構(gòu)必然不能令人漠視其在人類生活環(huán)境中的精神作用與美學(xué)價(jià)值，其韻律感和節(jié)奏感油然而生。橋梁孔徑的變化；墩高的變化；式樣的變化；橋面的彎曲與起伏；

31、斜拉索的輻射；大纜優(yōu)美的曲線；拱的彎曲等等都形成了韻律與節(jié)奏 （連續(xù)韻律、 漸變韻律、 起伏韻律及交錯(cuò)韻律） 。合諧的韻律與節(jié)奏（見圖 3.2 所示）使美麗的橋梁看上去如無聲而美妙的音樂。圖 3.2 曲線布置、形似蜈蚣、流暢優(yōu)美的多跨長橋準(zhǔn)則 3.13 是衡量橋式美觀的重要準(zhǔn)則。 有關(guān)橋梁輪廓尺寸的協(xié)調(diào)比例關(guān)系見如下準(zhǔn)則 3.14 。 準(zhǔn)則 3.14 橋梁輪廓協(xié)調(diào)準(zhǔn)則 梁橋或拱橋相鄰跨度的比值（小跨比大跨）宜在 0.4 , 1 內(nèi)，接近 0.618 時(shí)，橋跨變化會(huì)顯得平順、流暢、有韻律感與節(jié)奏感。 梁橋墩高與跨度之比宜在0.25 , 0.85 內(nèi)，接近0.618時(shí)，橋高與跨度的 比例最為和諧。

32、 拱橋之矢跨比宜在1/8 , 1/4 內(nèi)。 斜拉橋索塔高度（自橋面算起）與中跨之比宜在 1/7 , 1/4 內(nèi)，邊跨與中 跨之比宜在 1/3， 1/2 內(nèi)。 懸索橋大纜矢跨比宜在1/11 ,1/7 內(nèi)，邊跨與中跨之比宜在1/4 , 1/2 : 內(nèi)。 帶單懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.41左右。 帶雙懸臂的簡支梁，懸臂長與簡支跨長之比宜取0.35左右。 帶雙懸臂的兩跨（跨度相同）連續(xù)梁，其懸臂長與跨度之比宜取0.33左右。 三跨連續(xù)梁，其邊跨長與中跨之比取0.8左右時(shí)較好。 中間跨為等跨的多跨連續(xù)梁,其邊跨與中跨跨度的比值宜在 0.65, 0.7內(nèi)。注：第條均只適用于建造過程中未發(fā)生

33、體系轉(zhuǎn)換之情形。 To a beam bridge or an arch bridge , the ratio （smaller span/larger span） of neighboring spans should be in0.4 , 1,if it 'sclose to 0.618 , changing of neighboring spans looks easy ,smoothand rhythmic . To a beam bridge , pier length / neighboring span should be in 0.25 , 0.85, if it

34、9;s close to 0.618 , the bridge looks pretty . To an arch bridge , depth-to-span ratio should be in 1/8 , 1/4 . To a cable-stayed bridge , the ratio of tower length（above thedeck）to midspan should be in 1/7 , 1/4 ,the ratio of side span tomidspan should be in 1/3 , 1/2 . To a suspension bridge , dep

35、th-to-span ratio should be in 1/11 , 1/7 , the ratio of side span to midspan should be in1/4, 1/2 . To a simple supported beam with a single cantilever , the ratio of cantilever length to simple supported span should be about 0.41 . To a simple supported beam with double cantilevers , the ratio of c

36、antilever length to simple supported span should be about 0.35 . To two same spans continuous beam with double cantilevers , the ratio of cantilever length to one span should be about 0.33 . To a continuous beam with three spans , the ratio of side span to midspan should be about 0.8 . To a continuo

37、us beam with same more midspans , the ratio of side span to midspan should be in0.65 , 0.7 .準(zhǔn)則3.14 中條可由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識較容易地得到，其條件是，梁的EI 相同，所受荷載為滿布均布荷載，并讓支點(diǎn)處負(fù)彎矩與跨(中跨)中之正彎矩絕對相等，對 于三跨連續(xù)梁，讓邊跨跨中彎矩與中跨跨中彎矩相等。準(zhǔn)則3.14 中的條對蓋梁的分跨及墩柱的布置有參考價(jià)值。準(zhǔn)則 3.14 是結(jié)構(gòu)美觀、經(jīng)濟(jì)、受力合理三者統(tǒng)一協(xié)調(diào)的典型表現(xiàn)。準(zhǔn)則 3.15 形式感與量感準(zhǔn)則 合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)有形式感和量感。 A reasonable str

38、ucture should give us shape feeling and dimension feeling .定義 3.11 形式感是指藝術(shù)領(lǐng)域中形式因素本身對于人的精神所產(chǎn)生的某種 感染力。如： 水平線條給人的感受是親切、委婉； 垂直線條給人的感受是莊嚴(yán)、高昂； 斜線具力感、動(dòng)感和方向感； 波形線條可以產(chǎn)生流動(dòng)感、跳躍感； 懸挑線條可以產(chǎn)生靈巧感、騰飛感； 水平線條使人聯(lián)想到平靜的水面，一望無際的平原； 垂直線條使人聯(lián)想到向上生長的樹木、挺立蒼穹的高山； 半圓曲線會(huì)使人聯(lián)想到掛在空中的彩虹； 兩個(gè)半圓曲線的組合會(huì)使人聯(lián)想到展翅飛翔的海鷗。 正放的三角形給人以穩(wěn)定、安全的感覺，而倒放的

39、三角形會(huì)使人感到危險(xiǎn)與 不安；圓形給人以純性情、圓潤、光滑、完美的感受，而圓球或橢圓球補(bǔ)認(rèn)為是完美的物體； 矩形給人以理性、中規(guī)中矩的感受。橋梁外在的墩、塔、梁、拱、索、大纜、甚至欄桿等均給人產(chǎn)生強(qiáng)烈的感染力。例如， 美麗的金門大橋 (見圖 3.3 )、美國人心中的偶像、 精神的依托， 它給人以強(qiáng)烈的美感。圖 3.3 美麗的金門大橋準(zhǔn)則 3.16橋梁特有的美學(xué)特征 (special aesthetic feeling)準(zhǔn)則橋梁除了具有其他建筑的美感，如征服改造大自然之感、成就感、使用價(jià)值 帶來的美感等外，其尚有有別于其它建筑結(jié)構(gòu)的美學(xué)特征，如：通達(dá)之美(go through beauty)凌空

40、之美(fly beauty)流暢之美(smooth beauty)剛?cè)嶂?hard and soft beauty)暴露之美(clear beauty) 橋梁由此岸到達(dá)彼岸，使道路通達(dá)。其實(shí)，這就是其功能美一一通達(dá)之美。 橋梁為一跨越結(jié)構(gòu)，其騰空飛架的梁索讓人感受到了凌空之美。橋梁較路基 有通透感，對自然的影響較小。 橋梁為一帶狀結(jié)構(gòu)，長大橋中的豎曲線設(shè)置使橋面看上去連續(xù)流暢，纖細(xì)輕 快。 橋梁結(jié)構(gòu)兼顧了剛?cè)嶂?。梁、拱之纖細(xì)、親切、委婉；墩、塔之雄壯、莊嚴(yán)、高昂；斜索之力感、動(dòng)感、方向感；大纜之起伏飄動(dòng)、流暢、張力感。 橋梁結(jié)構(gòu)的外露性使人們?nèi)菀子善渫庥^而看到其力的傳遞，從而獲得安全、 和

41、諧、力線明確的心理誘惑力，給人以信賴、快慰和滿足，這便是造型美、安全美及成就美。如圖 3.4 所示那樣設(shè)豎曲線、具動(dòng)感的梁橋。圖 3.4 設(shè)豎曲線、具動(dòng)感的跨河梁橋準(zhǔn)則 3.17 橋梁與環(huán)境的協(xié)調(diào)準(zhǔn)則 橋梁結(jié)構(gòu)的造型、體量與色彩等應(yīng)與周圍環(huán)境，如河流、海洋、湖泊、峽谷、 房屋建筑、道路、雕塑、園林、農(nóng)田、曠野或天空等協(xié)調(diào)。Shape ,outline dimension and colour of bridge structure must coordinate with round environment , such as , rivers , seas , lakes , valleys

42、 , buildings ,roads , statue , garden , farmland , wilderness or sky .橋梁造型及體量與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的類型有以下幾種： 當(dāng)橋梁規(guī)模較大、氣勢宏偉時(shí)，突出橋梁之美； 當(dāng)橋梁較小或影響其他重要物體之美時(shí)，橋梁順從他物之美； 當(dāng)橋梁與周圍景觀相當(dāng)協(xié)調(diào)時(shí)，選擇橋梁與他物爭奇斗妍。如圖3.5所示的悉尼桁架拱橋與悉尼歌劇院之間的協(xié)調(diào)；圖 3.6 所示的橫臥的延河橋與聳立的寶塔之間的協(xié) 調(diào)。圖 3.5 美麗的澳大利亞悉尼港橋及悉尼歌劇院圖 3.6 中國延河橋與寶塔準(zhǔn)則 3.17 是景觀建筑學(xué)在橋梁建筑中的應(yīng)用。準(zhǔn)則 3.18 橋式與地形協(xié)調(diào)

43、準(zhǔn)則 橋址形一般可分為山區(qū)、平原及城區(qū)三種類型： 山區(qū)常以連綿不斷的山脈為背景，其體量與橋梁相比可謂相當(dāng)大，其向上天 際輪廓線造型對人的視覺誘導(dǎo)力及動(dòng)態(tài)感很強(qiáng)，此時(shí)，宜修建拱橋或吊橋。Arch bridge and suspension bridge are suitable for mountain district 平原區(qū)地形平坦，通視良好，宜修建梁橋或斜拉橋。Beam bridge and cable-stayed bridge are suitable for plain district 城區(qū)有大量的房屋建筑及公共設(shè)施，背景輪廓線有疏有密，有高有低，人流 擁擠，車流多變，環(huán)境較為煩雜

44、，因此，宜修建簡潔流暢的梁橋。Simple beam bridge is suitable for city district . 鮮艷、醒目、具跳動(dòng)感的臺(tái)灣關(guān)渡橋，見圖 3.7 ，與周圍山區(qū)地形相當(dāng)協(xié)調(diào)， 并成為橋址區(qū)域景觀中的主角。圖 3.7 臺(tái)灣關(guān)渡橋準(zhǔn)則 3.19 造型與受力的關(guān)系準(zhǔn)則 筆者以為，當(dāng)跨度不大時(shí)，由于橋梁受力不大，其造型發(fā)揮的余地就大，能夠 很好地供人觀賞；而當(dāng)跨度較大時(shí)，由于橋梁受力較大，其造型當(dāng)以結(jié)構(gòu)受力合理為重心進(jìn) 行選擇， 而這種造型并不是不美， 這是技術(shù)與藝術(shù)的統(tǒng)一。 換句話來說， 力學(xué)是選型的依據(jù)， 幾何形態(tài)是自然科學(xué)規(guī)律的藝術(shù)表現(xiàn)。Selection of

45、bridge shapes must be based on reasonableload-transmission .準(zhǔn)則 3.20 可靠性準(zhǔn)則合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)安全可靠，即結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性 及耐久性均應(yīng)滿足要求。A reasonable structure must have enough strengh,enough stiffness,enough stability and enough durability during the service .結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命期 （service lifeexpectancy） 是指在正常設(shè)計(jì)、 正常施工、 正常使用和正常養(yǎng)護(hù)及維修的條件下 所規(guī)定的結(jié)構(gòu)使用時(shí)間。眾所周知，在外荷載和其他因素作用下，結(jié)構(gòu)的每一構(gòu)件均會(huì)受到不同水平和不同種類應(yīng)力的作用，把這種應(yīng)力與根據(jù)材料試驗(yàn)所得出的材料強(qiáng)度進(jìn)行比較，使前者乘以 一定的安全系數(shù)仍小于后者，這就是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)是把荷載因素與材料強(qiáng)度因素進(jìn)行比 較。而穩(wěn)定問題與強(qiáng)度問題不同，所謂結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)是指荷載因素在構(gòu)件中所產(chǎn)生的內(nèi)力并不很大，但在與荷載正交的某一個(gè)方向卻會(huì)因偶然的擾動(dòng)、偏心加載、構(gòu)件缺陷 等原因產(chǎn)生很大的位移，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失去正常工作的能力，這就叫結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)，其實(shí) 質(zhì)是研究與荷載正交方向的位移問題?，F(xiàn)代輕質(zhì)高強(qiáng)建筑