形式服从功能：论桥梁的诚实性与景观设计[转载]

nidouqia · 发表于 2019-4-22 16:42:41

编者按：该文为转载，作者Niels J. Gimsing 教授、王应良博士从力学原理出发，讨论如何将结构设计的高效性、经济性与景观性结合，强调了形式服从功能的桥梁美学原理，对读者提高桥梁结构设计水平与鉴赏水平颇有帮助。

作者：Niels J. Gimsing 荣誉教授，丹麦技术大学，哥本哈根

王应良工学博士，职业桥梁工程师，中铁二院工程集团有限责任公司，成都

本文正文共计图27张。其中图1，2，3，4，5，6，8，25，26和27相关的内容由第一作者写作，其余图及相关内容由第二作者写作。

摘要：桥梁如果要成为高效的结构，则必须根据荷载传递来选择整体形式。因此桥梁设计必须由经验丰富的工程师来管理，也需要经常和美学顾问合作，以便桥梁能够与周围的环境融合并有愉悦的外形。本文介绍了选择梁、框架、桁架、拱和缆索承重体系正确结构形式的基本方法，并给出了根据结构高效性和非结构高效性设计的桥梁。

桥梁的设计应按照结构功能和高效地表达外形的方法进行，现代材料的应用使桥梁更加轻盈和优雅，而不是不考虑其结构功能来塑造结构外形。形式服从功能，这是桥梁设计的基本原则。真正的环境保护方式是用最有限的材料来设计和建造一个在其设计寿命内经久耐用的工程。让我们铭记并遵守这些桥梁设计最基本的工程价值观！

1 概述

桥梁可以简单地理解为道路和铁路线路的一部分。如果它们和相接的公路或铁路采用相同的技术标准，例如：相同的宽度，车道数或轨道数，坡度，竖曲线和平曲线的半径等如果采用相同的标准，它将实现其功能。

桥梁也可视为一个纪念碑，视觉环境中的一个物体，甚至是一个雕塑，但是最重要的是桥梁是一个设计用来高效承载的结构，不能有过大的变形或振动。如果达到这个目标，同时桥梁在景观上也能愉悦地融入环境，一个优秀的方案就达到了。

和建筑和屋顶的结构不同的是，这些结构都或多或少地被墙，地板，屋顶和其它非结构构件覆盖，但桥梁的构件通常全部可见。

桥梁是最真诚的结构，桥梁设计中的错误将清楚地展示出来。这对任何设计师来说都是公平的，而且是一种警示和威慑！任何装饰几乎都不能掩盖或挽救一个平庸或拙劣的设计。

2 结构形状的选择

多个世纪以前，桥梁建造者不得不使用低强度的材料，例如粘接天然石头，钉子连接的木构件。在这些限制下，设计者不得不采用将荷载高效传入地基的结构形式。通常导致采用构件基本承受压力的结构体系。

随着承受拉力和压力的现代高强度材料的发展，设计者的自由度变得很大，即使忽视了结构的高效性，构件的尺寸也没有让人觉得非常的笨拙。但是，忽略了结构需求无疑将导致高造价。许多情况下，导致比一个高效结构形式增加很多的造价。

今天桥梁的总体布置通常是采用设计竞赛得到的，在一些情况下这将导致桥梁结构的形状远离最优的形状。现在特别危险的是如果评审团由外行主导，例如:***委员会，建筑师和雕塑家等。这样的一个委员会不可避免地会被令人激动的、外形有吸引力的桥梁方案所吸引。这将被参赛者知道，他们将寻找外形新颖和不同为特征的桥梁以迎合评审团的这种需求，而不是采用结构高效为特征的桥梁方案。

当然，也有一些位置选择了结构不合理的雕塑形式，桥梁既没有融入环境或城市景观，也没有丰富视觉环境。

3 结构效率

一个展示“形式服从功能的”的例子如图1所示，这是承受均布荷载的悬臂梁三种不同外形。有基本静力学概念的人都知道梁中的弯矩从自由端到固定端按照二次抛物线增加。这可以采用最上面的变高度梁来强调。

图1 悬臂梁和不同的截面高度变化

一个等高度的梁，如图1的中间所示，没有显示出需要的强度变化，但从另外一个方面看，这个形状没有直接与结构要求相矛盾。除此之外，等高梁在一些情况下便于制造和施工。强度变化可以采用调整翼缘厚度，或在需要增加强度的位置采用高强钢。

如果梁高是变化的，最小的梁高出现在固定端，如图1下方所示。这个形状明显与结构要求相矛盾。但是如果比较最上面的和最下面的悬臂梁必须认识到采用今天的材料都能实现。因此如果正确形状的梁采用中碳钢建造，那么虚假形式的梁或许也可以用高强钢或采用增加板厚来实现，但这些均或导致造价的增加。

对图1所示的例子简单地引入“正确”，“中立”和“虚假”以对应于结构构件的形状。很显然，任何人都不会采用图1最下面的悬臂梁的形状。但是如果把图1旋转90度，悬臂梁将成为支承上部结构的桥墩，如图2所示。

图2 桥墩的形式

　　在对称活载作用下，桥墩将承受的一个巨大竖向力和一个侧向力作用下的中等偏心弯矩，例如：作用在上部结构的风力。作用在主梁上的侧向荷载将在桥墩上产生一个从上到下逐渐增大的弯矩，其分布和桥墩自重产生的轴力相似。因此采用图2最上面的图所示的增加桥墩的宽度是正确的。通常在高桥墩中能看到正确的桥墩，特别是墩身采用天然石料时。图3给出了福斯铁路引桥的桥墩，这个形状不仅结构形式正确而且优雅。

图3 福斯铁路桥引桥的桥墩

图2下部所示的虚假桥墩也许是因为墩顶横向需要设置两个支座而确定的，但是两个支座只需要把墩顶局部加宽即可，如果采用图4右侧的结构形式就可以形成一个更加苗条的桥墩。图4右侧所示的桥墩最近已经变得比较流行，例如在曼谷天上火车的项目中的应用。

图4 有相同墩顶和墩底尺寸的两个桥墩

对于一个简支梁，正确、中立和虚假的结构形式如图5所示。对于基本的简支梁，在静力设计时任何人都不会设计成为跨中梁高最小的情况。

中跨梁高最小的优雅方案在一些情况下是可以采用的。如果该跨与其它结构构件在支承附近刚接，其结构形状也是非常高效的。

在这种情况下，梁端不仅有竖向支反力，而且还有一个负弯矩。如果实际的梁是一个连续梁的中间跨，一个刚性框架的水平梁或者与桥台相连的固端梁（如图6所示），都有一个固端弯矩。

图5 不同梁高的简支梁

图6 有端部负弯矩的梁

图7给出了一座留尼旺岛上的公路桥，它是一个有固端弯矩的梁，梁直接与桥台刚接。此处桥台被进一步地掩埋在地基中，所以整个桥梁显得简洁，苗条而优雅。

图7 留尼旺岛上的一座公路固端梁桥

图8下图所示的形状在双悬臂梁+悬挂孔简支梁的桥梁中经常看到，这种带悬挂孔的悬臂梁在19世纪末和20世纪初被大量建造。

图8 带挂孔的悬臂梁形状

3种梁高的变化均可在实桥中找到，图9所示的福斯铁路桥的悬挂孔的结构形式是正确的，图10所示的Tappan zee桥的悬挂孔是虚假的结构形式（但其视觉效应好）。

图9带中间挂孔的福斯铁路桥

图10 老Tappan Zee 桥

Tappan Zee桥令人愉悦的外形是毋庸置疑的。悬挂孔上弦向下凹和悬索桥的主缆类似，但是悬臂桁梁悬挂孔的上弦和悬索桥主缆由外力引起的外形有明显的不同。悬索桥的主缆是受拉的，而悬臂桁梁悬挂孔的上弦是受压的，而且跨中弯矩最大。

4 真实和虚假的拱

多个世纪以来，拱是人们喜爱的结构形式并用于许多重要桥梁。这不仅是建立在美学基础上，更重要的是拱是一种更高效的结构形式。采用的材料能更好地传递压力，例如：石头、铸铁和素混凝土。

当采用有足够抗拉强度的材料后，拱圈的截面型式可以采用钢桁架，钢板梁和钢箱梁等。最近拱变的再次流行了，但是选择它仅仅是因为其美学价值而没有考虑其结构形式和效率的关系，结果是导致没有足够结构能力的人设计的虚伪拱桥。

在实际中选择拱轴形式的原则是非常简单的，如图11所示。在少数的集中力作用下，合理拱轴是折线；在变化的竖向均布荷载作用下，合理拱轴是悬链线；在径向均布力作用下，合理拱轴是圆弧线。图12是承受1个，2个，3个和7个集中力的拱轴形式。最上面的截面形式普通人很难称之为拱，但是它确实是正确的结构形式。随着集中荷载个数的增加，拱轴线将达到一个连续的曲线，当有7个或更多集中力时，如最下面的图所示。一个抛物线将接近于正确的多边形。随后选择有一定弯曲和连续曲线的拱轴则没有任何严重的后果。但是在只有少数几个点承受集中力时并不是这样的情况。从结构的观点来看图13所示的一座西班牙的铁路拱桥，其拱轴的形式是正确的。当从侧面有一定角度看时，多边形的拱轴更易于理解。

图11 不同荷载下的合理拱轴形式（忽略了拱自身的重量）

图12 合理的拱轴形式

图13 采用折线形拱轴的铁路拱桥

对于跨中只承受一个集中力的钢拱来说，其正确的结构外形是由两根直杆构成的。图14给出了正确的拱轴和虚假拱轴的对比，可以看出由于曲线拱轴引起的不必要的弯矩导致相当大的横截面，钢板厚度达到60mm，而正确的结构形式可以采用更纤细的杆件构成，钢板厚度仅18mm。如果选择不正确的曲线拱轴，不同的结构尺寸将导致3倍的用钢量。

图14 一个真实拱轴和虚伪拱轴的对比

尽管选择曲线拱轴的缺点非常明显，但是近年来采用有疑问造型的拱桥的数量依然不断增加，如图15所示。中跨只受一个集中力的Yrra河曲线拱桥，不仅拱的外形和结构功能矛盾，而且采用相同外形尺寸的三个构件形成的三角形支撑框架也与其受力不相符，实际可以采用钢丝。

图15 墨尔本的Yrra河桥

另外我们再看看两座类似的铁路拱桥，都是跨中承受一个集中力，正确的拱桥结构是图16所示的拱轴，虚假的拱轴是图17所示的拱桥。

图16a 仅跨中承受集中力的正确的拱轴形式（拱为钢结构）

图 16 b) 仅跨中承受集中力的正确的拱轴形式（拱为混凝土结构，自重不能忽略，所以本应为直线的拱肋，微拱以克服拱自重引起的弯矩）

图17 仅跨中承受集中力的虚假的拱轴形式

在径向均布力作用下，合理的拱轴是圆弧，如图18所示的德国某铁路索网拱桥，采用割圆拱是真实的。

图18 德国某铁路索网拱桥

一个拱桥要达到创新和令人激动的外形，不一定要采用低效的结构形式。例如图19所示的西班牙的巴尔盖塔桥，其拱轴的形式在结构上是完全正确的。对于靠近跨中区域其荷载基本是均匀分布的，拱轴采用曲线。对靠近支座的区域，没有直接的竖向荷载，采用两个直线的压杆直接跨过桥面和支座处的撑杆相连。

图19 巴尔盖塔桥

另一个跨中承载的，正确的拱形结构人行桥如图20所示。桥面（主梁）以上的所有荷载均由拉索传递到了顶部，从顶部到支撑点直接采用直杆。这在给定荷载下，其拱的形式是正确的。

图20 意大利帕多瓦附近的人行桥

5 桥塔外形

悬索桥桥塔的传统外形可用博士布鲁士海峡一桥的桥塔来展示，如图21所示。桥塔由两个直立的柱子组成。它们把以竖向为主的力从塔顶传到基础。为了使桥塔能更有效地承受侧向力，例如：风力和地震力，需要在两个立柱之间增加横梁。

悬索桥桥塔的功能性是很强的，因为它把竖向为主的力直接从主缆系统传递给基础并支撑索鞍，以便使主缆有两个竖直的索面，这对施工期间的双主缆悬索桥是非常有利的。

图21 博一桥桥塔

在斜拉桥中桥塔是最重要的视觉构件，所以这些部分的构件经常要进行特殊的美学处理。一个特殊的斜拉桥例子是汉堡早期的Norderelbe桥，如图22所示。此桥的桥塔高度是结构需要高度的2倍。同时两束斜拉索在桥塔上竖向分开锚固而在主梁上集中锚固。这就给人一个虚假的印象，斜拉索是用来稳定桥塔的而不是支撑主梁的。此桥在1985年左右进行了根本性的改造，改建后的桥塔和斜拉索如图23所示。桥塔的高度降低了，两根斜拉索平行了，以便使主梁在中跨有4个支撑点。桥塔的高度依然超过结构上需要的高度，但是更接近于可以接受的程度。和图2所示的桥墩的结构行为类似，桥塔承受的竖向力和弯矩从上到下逐渐增加。因此图24所示的斜拉桥的桥塔在结构上是虚伪的。

图22 早期的Norderelbe桥

图23 近期的Norderelbe 桥

图24 德国某斜拉桥

当代斜拉桥最常见的桥塔类型是桥面以上两个斜腿直接跨过主梁。从结构的观点看这种结构类型是合理的，因为塔顶要承受斜拉索的竖向力和水平力。在桥面处，桥塔要受到主梁传递过来的横向力，这个水平力比桥面以上的水平力要大得多，整个桥塔结构承受的弯矩从塔顶到桥面逐渐增加，但在桥面以下到基础这部分增加的更为明显，正确的结构形式如图25左侧所示。但是形式越来越虚伪，因为桥塔的横向宽度偏离了弯矩曲线。

如果对最少的总投资来说，最清楚地表达结构功能的造型不一定是高效的。图25左侧所示的形状将导致每个塔柱基础承受较大的水平力。于是在许多情况下，图25中2，3所示的桥塔形状更经济，尽管桥面以下的横向弯矩很大。图25所示的桥塔外形次序只有在桥塔底部的横向宽度没有约束时才合理，例如：桥塔位于陆地上或者水很浅的位置。当桥塔位于通航的深水区域时要受到船舶撞击或冰压力，经常需要把桥塔设置在在水位处外形尺寸小而且更强壮的桥墩上。

在这种情况下如图26所示，称为“钻石型”，也许变成最有效的结构形式。但是桥塔以下的塔柱向“错误”的方向倾斜将导致水平力引起的弯矩相当大，如图26左侧所示。为了抵抗这个弯矩，桥塔塔柱的宽度从桥面到基础应该逐渐增加，如图26右侧所示。一个结构上真实的钻石型桥塔的例子是日本的多多罗大桥，如图27所示。多多罗桥的桥塔下部的外形是钻石型，但是上部的塔柱是竖直的而且在斜拉索锚固区域相连。多多罗大桥的桥塔经常也称为型，这种类型也在当代的许多斜拉桥中见到。

图25 顶部采用三角形的桥塔