桥式最优设计理论研究

桥式最优设计理论研究


作者：张师定
【摘要】根据工程力学及建筑美学原理，提出了合理桥式所应遵循的20条准则。本文的分析结果是对桥式设计理论的贡献，可供桥式方案优化设计实践参考。
【关键词】最优设计理论 桥式 工程力学 建筑美学
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，随着建筑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。

当今世界桥梁飞速发展，越来越多的桥梁需要我们去建造，尤其是正在酝酿的跨海峡大桥，其迫切需要超大跨径，于是，人们开始不满足于现有的桥式，,而是正积极探索其它崭新的桥式,这就需要对桥梁建筑学进行研究。笔者根据多年桥梁设计的实践经验，结合工程力学原理及建筑美学法则，总结出合理桥式应遵循的若干条规律，初步形成了桥式最优设计理论。
2 合理桥式所遵循的规律[1][2][3]
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，桥梁结构合理型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，并自觉或不自觉地运用于实践。，这里只不过将其归纳总结，使之系统化、理论化、使其具有逻辑性，有层次感。这些规律难以定量化，而只能用语言描述的形式来表达。
【准则1】良好的结构方案是良好结构设计的重要前提。

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。
【准则2】功能准则 结构应满足全部功能的要求。
准则2给出了桥式最基本的要求——功能要求。
【准则3】功能决定结构。

由准则2不难得到准则3。桥梁的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，而为了支承桥跨结构，必须有支承结构。桥梁要使其上的车辆或行人等安全、舒适地通过，桥梁须能承受车辆、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而修建的结构被称为桥梁。
【准则4】几何不变准则 一般工程结构都必须是几何不变体系。

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-顺桥向铅垂面内应保证几何不变，在次要受力面-横桥向铅垂面及水平面内亦应保证足够的刚度。这是桥梁成为工程结构的基本条件。
判别一结构是否为几何不变的过程称为机动分析[3]。
【准则5】传力路径准则 合理的结构在荷载作用下，其传力路径较短。

传力路径——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（包括桓载）作用于，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。
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）应力迹线亦平行于杆


作者简介：张师定（1965-），男，桥梁工程师，陕西大荔人，1989年毕业于西南交通大学桥梁专业，获工学学士学位，主要负责设计了泰州引江河大桥等，发表学术论文11篇.
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力状态。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”（拉一压结构），其各构件传力路径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。

不论是桥跨结构还是支承结构，不论是横截面内（如受弯