国外桥梁设计理念和典型示例

                        

    摘 要：通过对日本多多罗斜拉桥和丹麦的大海带悬索桥等几座桥梁的造型特点的研究，介绍了使用造型单元设计法、整体造型设计法、拓扑分析等方法如何进行桥梁美的创造；通过对国外几座桥梁所进行的全寿命经济分析，阐述了在桥梁设计和规划阶段进行全寿命经济分析的必要性；通过对一座典型组合结构桥梁的介绍，说明组合结构桥梁的发展和应用。

一、概 述

桥梁作为公共建筑物，是人类根据生活和生产发展的需要，利用所掌握的物质技术手段，在科学规律和美学法则支配下，通过精心设计而创造出的人工构造物，是人文科学与工程技术相结合的产物。桥梁以其实用性、巨大性、固定性、永久性和艺术性极大的影响并改变了人类的生活环境。桥梁的美如何进行创造也是人们关心的问题。和其他构造物有所不同，作为一种结构艺术，实际上桥梁的美是可以通过技术的方式来达到的。

    目前我国在桥梁建设管理的一些惯例和办法在一定程度上加剧了桥梁工程的病害问题。其中只注重建设初期的成本，而忽视桥梁从规划、建设到运营、破坏整个寿命周期的总体成本。各国桥梁使用实践证明，如果片面追求较低的建造费用而忽视了对结构耐久性的改善，不仅影响运输交通的安全、减少结构使用寿命，同时投入的养护维修费用十分可观，甚至远远超过建造中节省的费用。

    全寿命经济分析法的基本思想是，在设计施工阶段，不论是事先采取防护措施还是以后“坏了再修”，都要做出经济预算和比较，设计者和承建者要对工程的“全寿命”负责到底，目前，美国已强制实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”（简称LCCA，即Life Cycle Cost Analyze）。

    组合结构桥梁今年来得到了飞速的发展。法国工程界提出的波折腹板组合箱梁桥，是利用波折钢板抗剪强度大、纵向刚度小的特点，将其设置在腹板，达到减轻结构自重、减少腹板承担预应力的目的。同时从抗弯、抗压的角度来看，使用波折腹板后，顶底板单独受力，减少了干燥收束、徐变、温差的影响，实现了主动控制设计。

    本文将通过对日本多多罗斜拉桥和丹麦的大海带悬索桥等几座桥梁的造型特点的研究，介绍了使用造型单元设计法、整体造型设计法、拓扑分析等方法如何进行桥梁美的创造；然后通过对国外几座桥梁所进行的全寿命经济分析，阐述在桥梁设计和规划阶段进行全寿命经济分析的必要性和基本原理；最后通过对一座典型组合结构桥梁的介绍，来说明组合结构桥梁的发展和应用。这几个方面的国外经验，无疑是值得我们参考借鉴的。

二、 桥梁的造型设计示例

2.1造型单元设计法

急于基本造型元素的基础上，经过简单的加工（包括加法构成和减法构成）就形成了造型单元。在桥梁造型设计中，以造型单元为基本构件进行组合，从而产生桥梁整体形态。造型单元的选取应当符合结构的要求，并尽量与桥梁的基本构件相统一。确定了几类基本的造型单元，桥梁结构的各个组成构件就可以以这些造型单元为模板，按具体的结构要求进行尺度和比例的变化，并最终构成桥梁结构整体。比如，给桥墩选定一个基本的造型单元，各墩就可将其作为模板进行变化来适应变化了的平、纵线形，满足不同的承载能力和稳定性要求。以造型单元为基本素材可以广泛地应用于各种体系和形式的桥梁造型设计，在强调各主要功能单元的同时更好地实现全桥的统一与协调，降低造型中的盲目性并简化造型设计。

图1  桥梁造型单元设计法

大海带桥突出的是板的概念，可以将一个向上收的板看作是全桥造型设计中的一个重要造型单元，桥塔、边墩以及锚碇都可以看成是以这个板为基本造型单元，考虑各自的结构要求和受力特点进行演变而来的。桥塔可以看作是板件裁切的结果，属减法构成，与扁箱梁形式协调。另外，大海带桥在引桥墩和梁的造型上也突出了板的特点，全桥统一于一个“飘带”的概念:各个部分有相似的风格，又有不同的最终形式，有变化，有统一，从而有机组织在一起。

图2  大海桥带

在多多罗大桥主塔造型确定之后，边跨的桥墩形状设计为了与主塔下塔柱形状相协调，设计成向下收拢的形状；同时中间设空，使其有开放感同时尽量不妨碍视野，即有横梁的V形墩的形式。另外与多多罗大桥相接的高架桥的桥墩也采用相同的形状。从总体上看，依线形和地势而高低各异的桥墩具有相似的性格，因而有机统一在一起。

图3  多多罗桥墩

2.2整体造型设计法

如果说造型单元设计法源于形的加法构成思想，那么桥梁的整体造型设计法即源于形的减法构成思想。整体造型设计法更加强调的是桥梁形式的整体性。在这里，各构件的功能性得到一定的弱化，相互之间没有明显的区分。

图4  桥梁整体造型设计法

2.3利用拓扑分析优化桥梁结构造型

    拓扑优化的目的就是在单独荷载或多个荷载的作用下，寻求对材料的最佳使用方式，即造型的优化（shape optimization or layout optimization）。对材料的最充分使用在拓扑优化中，代表的是最大刚度的设计。

    从理论上讲，拓扑优化寻求的是最小挖空率下最小化结构变形能Uc（minimize the energy of structural compliance），并以此为目标函数。最小化柔度等价于结构刚度的最大化，故实际上经常是以结构整体刚度和自振频率为目标函数。下图是一个V＝60的例子，其中图a表示载荷和边界条件，图b则以密度云图形式绘制的拓扑结果。

图5  体积减少60%的拓扑优化示例

     将拓扑优化的方法应用于桥梁造型的研究中，特别是对于桥塔，锚碇，墩台这些能够强烈的表现出力感，同时又对造型要求很高的构件来讲是非常有意义，也是非常必要的。

      图7是初步设想的对桥塔进行拓扑优化的示意图，其中图a为塔顶两个荷载的情况，类似典型悬索桥（图c）的情况；图b为塔顶一个集中荷载的情况，类似斜拉桥倒Y型桥塔（图d）的情况。拓扑优化中以不同的挖空率为约束条件，以最大刚度或最大基频为目标，按不同的荷载和约束情况进行分析。需要指出的是，拓扑优化的结果不可能是最终的设计，它还必须经过设计师创造性的工作才有可能应用于成功的桥梁设计。

图7 桥塔拓扑优化示意

3.4利用弯矩特点优化桥梁造型

    利用弯矩特点优化桥梁整体或主体构件也是桥梁造型设计中常用的方法，但这一方法不能偏激的理解为结构形式应该和弯矩图保持完全一致。对于简支梁的受力特点，人们提出了鱼腹梁的形式。但由于这种结构形式只是对弯矩图的简单模仿，并没有从造型和人性化的角度去加以升华，因而渐渐销声匿迹了。

图8是一个处理比较好的例子，即利用了梁的弯矩特点又使形式上亲切轻快。

图8 利用弯矩特点设计主梁造型

                    

桥梁设计采用拓扑学优化，国内还没形成概念。早在80年代初期听过讲座，还没来得及消化，后来就被市场设计最大效益化所淹没了。现在应当重提这个概念。