《桥梁建筑新论》-第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律.doc

《《桥梁建筑新论桥梁建筑新论》-》-第三章第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律桥梁结构合理形式所遵循的规律《桥梁建筑新论》-第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律.txt《桥梁建筑新论》－第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律 liwei9604,你好! 今天是 2002-1-13 星期日 [加入收藏夹] 咨询服务留言板 您现在的位置>>桥梁空间网>>专业文苑>>公路桥梁此文已被阅读 11 次《桥梁建筑新论》－第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律作者：张师定第三章 桥梁结构合理形式所遵循的规律3.1 引言在漫长的古代和中世纪，从事建筑营造活动的工匠，既是建筑师，又是结构工程师后来，随着房屋功能的大大增加及结构的复杂化，才出现了建筑师与结构工程师的分工但是，桥梁就有所不同， 直到现在，一位桥梁设计师既是建筑师，又是结构工程师依笔者之见，究其原因大概有三条：①桥梁的功能并不复杂，其建筑设计可由结构工程师代替②桥梁所受荷载较房屋建筑特别大，因而，其造型大多以结构受力合理为重心进行选择，也就是说，桥梁建筑设计与结构设计联系非常紧密③桥梁建筑设计与施工方法紧密相连，而施工方法与结构受力分析息息相关，这是桥梁工程的显著特点之一，详见 5.8节。

桥梁的受力特点等决定了桥梁建筑理性的特点3.2 桥式最优设计理论(optional design theory of bridge shapes)研究3.2.1 结构设计概念谈到桥梁建筑设计，就不得不提到结构设计概念，它是结构概念设计的重要组成部分（工程可行性研究从略） 它虽然不如数学公式那么严密，但其内涵却博大精深笔者以为，概念设计大师、预应力先生——林同炎正是对结构内在规律的洞察，才不拘一格，设计出诸如：美洲银行大厦——框筒结构；莫斯康会议中心——系杆拱结构、波多黎各的 Ponce 圆形剧场——双曲抛物线壳；亚利桑那市场大厅——双曲抛物面马鞍形悬索屋盖；Rio Colorado 桥——反吊桥；旧金山航空港高架桥——展翅梁；Ruck-A-Chucky 桥——曲线斜拉桥等传世佳作定义［3.1］工程结构(engineering structure) 由若干构件相互联结并支撑于大地上的几何不变体系基本构件受力状态有：拉(tension)、压(compression)、弯(bending)、剪(shear)、扭(torsion)及其组合(combination)等基本构件按其受力特点分为：梁(beam)、板(slab)、柱(column)、拱(arch)、壳(shell)与索(cable)（拉杆）(tension member)六大类。

工程结构中常用的基本类型有：梁、板、柱、桁架(truss)、拱、排架、框架、折板结构、壳体结构(shell structutre)、网架结构、悬索结构(suspension structure)、剪力墙、筒体结构、悬吊结构、板柱结构、墙板结构、充气结构等定义［3.2］工程结构设计(design of engineering structure) 处理工程结构的安全性、适用性、经济性及美观的过程分为结构构思与结构计算两阶段定义［3.3］结构构思(structural thought processes) 在满足结构功能要求的前提下，通过综合处理各种矛盾（功能、结构、技术、经济与美观之间） ，合理地组织各构件，以解决结构的传力系统及方式，使结构成为几何不变体系、均衡与稳定、传力路径短、应力均匀，有韵律感与节奏感，与周围环境协调等的过程结构构思的过程是从大量的未知领域或多种选择中确定需要的目标，如结构总体布置、外形尺寸、工程材料及施工方法等，它需要创造性地将知识（科学）与技巧（艺术）结合起来构思过程中应能注意到各种关系与联系，做到分析与综合的结合：①既要看到总体，又要注意到细部②既要注意到现在，又要考虑到未来。

③既要处理好核心问题，又要照顾到次要问题④既要理解结构的内部关系，又要妥善处理与周边的相互作用⑤既要考虑到设计的可行性，又要考虑到施工的可行性；既要考虑到运营，又要考虑到维修与改建⑥既要考虑到结构，又要考虑到功能⑦既要适用，又要耐久⑧既要经济，又要安全⑨既要讲技术，又要讲艺术⑩既要考虑到自身的美观，又要考虑到与周围环境的协调（景观设计） 结构构思是建筑师的主要工作内容由于其的复杂性与创造性，最优设计难以实现，但设计结果也应力求在合理的范围内目前，结构构思主要靠人工来完成，而计算机对此无能为力定义［3.4］结构计算(structural calculation processes) 分为结构分析及应力分析，以给出结构各构件之尺寸及连接设计，使结构安全可靠，即使结构强度，刚度及稳定性等均应满足要求的过程计算的过程主要是分析和评估结构在给定荷载作用下的响应，一方面确定结构的内力，应力和变形等，另一方面评估结构是否满足设计规范的要求由于计算的过程通常不含有未知的因素，计算遵循固定的程序与模式（如有限元法分析及内力／应力检算等）等，因此，与构思的过程相比，计算过程应更容易些目前，这一任务主要由计算机来完成。

准则［3.1］良好的结构方案是良好结构设计的重要前提Execellent structure plan is the important presupposition of execellent structure design.因为在结构设计中、无论多么完美的结构计算都无法弥补经结构构思而形成的结构方案中的不足相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足由此可见结构构思的重要性对于技术复杂或规模较大的桥梁，都要求进行桥式方案的比选，这是合乎科学的程序定义［3.5］桥梁 供铁路、道路、渠道、管线或行人等跨越河流、山谷或其它交通线路等障碍物时使用的工程结构物桥梁作为一工程结构，其功能可由其定义一目了然，即桥梁的功能是跨越河流、山谷或其它交通线路等尽管桥梁的功能归根到底总是“跨越” ，然而，桥梁的结构形式却丰富多彩，常把“桥梁的形式”简称为桥式桥梁中桥式的概念应该与建筑中体型的概念相对应定义［3.6］桥式 指桥的结构体系，横截面形式及特征性构造等，尤其以桥跨结构形式所占的比重最大可见，研究桥式就是要研究桥的结构体系、横截面形式及特征性构造这三者最能反映桥的形式3.2.2 最优桥式所遵循的一般规律桥梁结构合理形式并非有特定的单一的结构形式，因此，研究其特性应从总体上把握其规律，然后，以其为标准评价所要讨论桥式的优劣。

实际上，桥梁结构合理形式所遵循的一些规律已零散地存在于桥梁建设者的头脑中，并自觉地运用于实践挖掘其规律并使之系统化是非常有意义的［3.1］ 以下有关桥梁力学与美学的准则便是笔者在桥梁建筑设计中的体会与理解，而其中的一些规律不仅仅适用于桥梁，也适用于其它工程结构物准则［3.2］功能公理 结构应满足全部功能的要求A structure should fulfil its function .准则［3.2］给出了桥式最基本的要求——功能要求若笼统地讲，桥梁的功能是跨越但细致地分析，桥梁结构一般应满足下列功能要求：①能承受正常施工和正常使用过程中可能出现的各种作用（包括荷载、外加变形和约束变形以及温度的作用等） ②在正常使用过程中具有良好的工作性能，如不产生过大的变形和过宽的裂缝等③具有足够的耐久性，即在结构的设计寿命期内不发生严重的风化、腐蚀和老化④在偶然事件发生时及发生后，能保持必要的整体稳定性这里包含了结构的安全性、适用性和耐久性等，其统称为结构的可靠性为方便建筑设计，笔者将桥梁功能划分为跨越功能和交通功能由准则［3.2］可推出如下准则［3.3］：准则［3.3］功能决定结构Functions determines structure .修建桥梁，目的是让道路跨越障碍物而得以延续（交通功能） ，其跨越功能是桥梁最基本的功能之一。

桥梁的跨越功能决定了桥梁必须有桥跨结构，而为了支撑桥跨结构，必须有支撑结构桥梁要使其上的车辆或行人等安全、舒适地通过，因此，桥梁需能承受车辆、行人等荷载，且不产生过大的变形而影响使用正是桥梁功能的要求，才使得为满足桥梁功能要求所修建的结构被称为桥梁准则［3.4］结构几何不变性(geometrical invariability of structure)准则 一般工程结构都必须是几何不变体系In general , geometric patterns of engineering structure must be invariable .为了保证车辆、行人等安全、舒适地通过桥梁，桥梁结构在主要受力面内（竖向）应保证几何不变，在次要受力面内（横向）亦应保证足够的刚度 这是桥梁成为工程结构的基本条件判别一体系是否为几何不变体系的过程称为机动分析［3.7］ 定义［3.7］几何不变体系 受到任意荷载作用时，若不考虑材料的变形，则其几何形状与位置均能保持不变的体系几何不变的平面体系的组成规则有三条：①三刚片规则 三个刚片用不在同一直线上的三个单铰两两相联所组成的体系是几何不变的②二元体规则 在一个刚片上增加一个二元体所形成的体系是几何不变的。

③两刚片规则 两个刚片用一个铰和一根不通过此铰的链杆相联所组成的体系是几何不变的，或两个刚片用三根不全平行也不交于同一点的链杆相联所组成的体系是几何不变的上述规则中所提到的二名词——刚片及二元体见如下定义定义［3.8］刚体 在机动分析中，由于不考虑材料的变形，因此可以把一根构件或已知是几何不变的那部分看作一个刚体，在平面体系中又称为刚片大地便是一特殊刚体定义［3.9］二元体 两根不在一直线上的链杆联结一个新结点的构造准则［3.5］均衡与稳定公理 一般工程结构必须保持静力平衡，即结构稳定In general , engineering structure must keep itself balancy , i.e. structure stability . 处于地球重力场内的一切物体，只有当其重心最低且左右均衡时，才会给人稳定的感觉从力学与美学角度上讲，都要求结构均衡均衡分为静态均衡（对称均衡与不对称均衡）与动态均衡（如飞鸟式、螺旋形、具动感的曲线等） 保持静力平衡是桥梁结构安全与美观的前提条件准则［3.6］传力路径公理 合理的结构在荷载作用下，其传力路径较短As a reasonable structure , the way of loads transmission is shortter .定义［3.10］传力路径(the way of loads transmission) 笔者建议，将构件中主拉（压）应力迹线定义为传力路径，将结构在使用荷载（包括恒载）作用下，各主要受力构件传力路径之和定义为该结构的传力路径总长。

由于桥梁为一狭长结构，其主要传力面为竖向，而横向为次要传力方向因此，妥善处理好竖向传力途径是关键问题，同时，照顾到横向传力问题对于拉（压）杆，其主应力迹线均平行于杆件轴线，因此，传力路径等于杆件的长度而对于纯受弯杆件，任一横截面内均有拉应力及压应力，其主拉（压）应力迹线亦平行于件轴线，其传力路径等于杆件的长度但梁常为弯剪耦合构件，梁内任意一点均处于二向受为状态其主应力迹线呈曲线，可见，其传力路径复杂，此时可将梁比拟为“桁架” （拉——压结构） ，其各构件传力路每项之和可定义为梁的传力路径对于弯剪扭耦合构件，可将其比拟为“空间桁架” 可见，拉（压）杆件传力路径较受弯杆件短得多，它是传力最简捷的构件而力在普通梁中所走的是最坏的弯路，仅从力学上来看，梁不是理想的构件一个优越的结构，应当根据最短的传力路径来组织各构件，因为结构的传力路径越短、越直接，其工作效能就越高，所耗材料也就越少；尤其是结构承受的荷载越大，就越应当合理地组织各构件，使其传力路径简捷，这也是准则［3.19］的。