现代桥梁结构讲解Word下载.docx

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1斜拉-悬索协作体系桥梁的发展概况2

2悬索桥的美学设计3

2.1悬索桥的形态特征3

2.2悬索桥主构要素的美学设计3

3斜拉桥的美学设计6

3.1斜拉桥的形态特征6

3.2斜拉桥主构要素的美学设计6

4.1斜拉-悬索协作体系桥梁的形态特征8

4.2斜拉-悬索协作体系桥梁的美学设计10

参考文献12

引言

如同美学与艺术两者的关系一样，桥梁建筑艺术是桥梁美学的表现。

桥梁建筑艺术是通过桥梁建筑实体与空间的形态美及其相关因素的美学处理，形成一种实用与审美相结合的造型艺术，即创造桥梁美的技术。

随着交通工具的演变、现代桥梁技术的高度发展及造型艺术设计的出现，需要更系统地研究桥梁建筑美的规律，这必然导致一门专业实用美学的形成，即桥梁美学。

桥梁美学是研究以美学的普遍原理、结合桥梁的特殊性质、得出桥梁建筑在设计时应遵循的和在评价中应依据的理论和法则的科学。

这一科学的研究与发展，可以使桥梁建筑艺术更加灿烂辉煌。

1斜拉-悬索协作体系桥梁的发展概况

我国近年来交通建设迅猛发展，江河海域上大跨径斜拉桥和悬索桥不断涌现，桥梁工作者们早就注意到这种协作式的桥型，并对其开展了研究，交通部也将其列为八五科技攻关的课题。

（1）广东汕头海湾大桥

1991年，湖南省公路局和交通设计院曾对广东省的汕头海湾大桥提出主跨620m的斜拉-悬索协作体系桥方案示，与伊兹米特桥方案类似，基本属于迪辛格体系，其特点是索塔塔身和主梁皆采用薄壁高强的FNG（钢纤维，钢丝同，钢筋混凝土）材料（简称“三钢混凝土”）以适应软土地质的需要。

此方案未被采用。

（2）台湾高屏溪桥

1993年对台湾高屏溪桥研究方案时曾提出主跨920m的斜拉-悬索协作体系方案，属迪辛格体系。

此方案未被采用，实际实施为330m+180m的独塔斜拉桥。

（3）贵州省乌江桥

1993年，贵州省交通厅在重庆交通学院的协作下提出在南盘江上修建主跨240m全长420m的迪辛格体系斜拉-悬索协作桥，因“国内外都没有先例"

而未被采用。

1994年，在主跨288m的乌江大桥设计中设计者们又坚持了这个方案，并于1995年4月正式开工，1997年10月竣工。

（4）广东伶仃洋东航道桥

1997年，连接广东珠海与香港的伶仃洋大桥工程进行了设计方案竞赛，同济大学对主跨1400m的伶仃洋东航道桥提出了钢预应力组合梁斜拉-悬索协作体系的参赛方案。

（6）江苏常州龙城大桥

龙城大桥是江苏省常州市清凉路跨运河大桥，该桥于2003年底确定采用同济大学设计的巨龙造型。

龙城大桥主桥跨径为72+114+30m，主桥采取自锚式斜拉-悬索协作体系，塔向边跨倾斜，宽度与厚度沿高度方向变化，并且采用横桥向倾斜的主缆以及顺、横桥向倾斜的吊杆，主梁采用混合箱形结构。

2悬索桥的美学设计

2.1悬索桥的形态特征

悬索桥是利用桥塔将主缆凌空架起，并通过有序排列的吊杆把设有加劲梁或加劲桁梁的桥面悬挂起来的结构。

作为承载和传力的悬索系统构成了悬索桥的基本形态，桥面均布恒载使主缆形成优美的悬链线形，轻巧而纤柔的桥面凌空悬挂，潜藏着力的紧张感和力动感。

如图3.1a所示，悬索桥的基本心理引诱力线由加劲梁、桥塔和主缆构成；

垂直吊杆的心理诱导力线群与桥塔平行，有助于增进桥塔向高空伸展的动态（图3.1b）；

连续斜杆的心理诱导力线有减缓桥塔向上动态的倾向（图3.1c）。

悬索桥具有流畅、轻快的曲线主旋律和凌空气势磅礴的总体造型。

图3.1悬索桥心理诱导力图

2.2悬索桥主构要素的美学设计

（1）主构要素间的均衡和谐

悬索桥均衡美的关键是主构要素间比例与尺度的和谐。

垂跨比的不同，不仅改变了主缆、桥塔、加劲梁、锚碇等的受力情况，影响吊桥的刚度和造价，同时也使吊桥的形态发生变化。

悬索桥边跨跨径一般小于主跨跨径的一半，边跨越小，主跨就越突出，形成桥下空间的扁平形状可与宽阔的水域背景相协调。

但边跨太小，则可能会对桥梁主构要素的均衡和整体形态带来不好影响。

（2）加劲梁

悬索桥加劲梁以桁架式和扁平钢箱梁为主，但是无论哪种形式，都应尽可能达到轻巧纤细、简洁明了、连续流畅的视觉效果。

相对来说桁架式梁高度较大，有一种庞然的感觉，因而要特别注意梁缘的处理和杆件纤细度上的选择，尽可能体现悬索桥整体的轻、巧感。

扁平箱梁则梁高较小，一般在两侧均有尖嘴状的风嘴，不仅有利于抗风稳定，而且使加劲梁视觉形象更为纤细轻巧。

（3）桥塔

桥塔是景观中的主要对象，其高耸挺拔的风姿起着象征和标志的作用。

①桥塔形式

桥塔的正面形象决定桥塔的特征，是桥塔美学设计的着重点，常用的有门形、A形和钻石形。

桥塔的结构型式应根据斜拉索布置、桥面宽度以及主梁跨度等因素决定。

门形桥塔基本有桁架式、刚构式及混合式三种。

桁架式桥塔设计中应注意桥塔宽度，和塔高之比不要过大，否则会影响桥塔向上的动势；

刚构式桥塔形态简洁、稳重，孕育着力的紧张感，当塔柱较高时，可在塔顶或中间位置加设水平梁，以消除从路面到塔顶的空间过大而产生视觉的不安定感；

混合式桥塔上部简洁轻快，而下部显得繁杂，容易失去视觉平衡，所以应注意相互协调。

A形桥塔与门形桥塔相比，更具动感与方向感，其构图也更活泼、生动。

②桥塔断面

对桥塔结构影响较大的因素是塔柱的断面，塔柱较细时可用矩形、圆形断面；

断面较大时，为了避免塔柱表面单调井节省材料，或为了满足抗风动力稳定性要求，可选十字、丁字、H形等断面形式。

采用这些断面在塔柱表面产生了纵向线条，加上光阴效果，丰富了表面变化，增强了耸立感，同时也为搬运和安装提供了方便。

（4）主缆、吊杆

主缆是悬索桥主缆在自重作用下基本为悬链线线形，主缆根数的多少与桥塔形式相配合。

实际应用中，多采用双主缆体系与门形桥塔配台，也有双主缆体系与A形桥塔搭配的情形。

单主缆体系悬索桥在满足结构受力要求的条件下，避免了缆索交错的复杂感，视觉印象更加简洁明了。

吊杆悬挂于主缆上，呈现规则阵列和有规律的变化，是悬索桥形态美的重要因素。

吊杆面一般都在铅垂面内，但也可从桥塔顶部向桥面两侧倾斜，形成两个倾斜面。

吊杆的布置有两种，即竖直吊杆和斜吊杆。

斜吊杆的应用既可以减少加劲梁的变形、提高悬索桥的整体刚度，也丰富了造型的变化，只是其疲劳损伤问题有待解决。

3斜拉桥的美学设计

3.1斜拉桥的形态特征

斜拉桥是在墩上设置桥塔，通过锚固在桥塔上的斜拉索悬索住纵向主梁，以简单的直线形状构成强劲、挺拔的动势。

斜拉桥的心理诱导力线图由主梁、斜拉索和桥塔组成（图4.1），桥塔向上伸展的动势和斜拉索的力动感对水平延伸的主梁动势在视觉上起着平衡的作用，桥面具有极其纤柔的长细比和极细的斜拉索，主梁的纵向线条简洁、流畅，形成极强的跨越感。

与其他桥型相比，斜拉桥增加了塔和索的构造，设计自由度大大增加，有利于大胆构思与创新。

大跨度斜拉桥从整体感觉上，由于其巨大的规模与高耸的主塔起到了象征性标志作用，产生着震撼人心的魅力，具有强大的生命力。

图4.1斜拉桥心理诱导力图

3.2斜拉桥主构要素的美学设计

斜拉桥中高耸的主塔加上斜拉索明快的力线，加强了桥梁的稳定感，其均衡美的关键在于主构要素间比例与尺度的和谐。

斜拉桥的边跨与中跨均衡的跨度比为1：

2，但恒载大的混凝土斜拉桥边跨可以大一些，而由此引起的视觉构图比例不协调可以通过在边跨中间增设桥墩来改善。

斜拉桥的均衡美既存在于对称均衡构图中，也存在于非对称的动态均衡中，且后者更有创意、更新颖生动。

（2）主梁

斜拉桥主梁断面形态以抗扭刚度大且便于拉索与主梁连接的箱梁为多，不仅满足抗风稳定要求，而且在光影效果下更显纤细轻盈。

斜拉桥主梁纵断线型通常采用水平直线，简洁、明快、舒展，并且具有速度感和连续流畅感。

当桥跨较大或因桥下净空需要时，也采用纵向竖曲线，不仅避免了大跨径梁的下垂感，使侧面景观形态优美，而且形成极强的跨越感。

桥塔是表达斜拉桥个性和视觉效果的主要结构物，向上的动势感更加强烈，设计制约相对较小。

斜拉桥桥塔形式主要有独柱式、双柱式、门形、H形、A形、倒Y形等等，。

独柱式桥塔简洁单纯，只是存在一定的制约而加大了造型美学设计的难度。

将独柱式桥塔在下部分开便形成力感很强的倒Y形桥塔。

双柱式桥塔桥面空间通畅、无压抑感，但对大跨度桥梁，为了增强稳定性常用横梁把两根塔柱联系起来，根据横梁的位置不同形成了门形和H形塔。

梁下塔柱部分对于门形、H形、A形、倒Y形塔有向下延伸和向内收缩两种处理方法，延伸直线条给人以坚挺的力感与形象，向内收缩的钻石形形态优雅美观。

斜拉桥塔柱断面与悬索桥相同，当断面尺寸不大时，一般采用圆形、矩形等；

当断面尺寸较大时，应进行“切角”或“凹槽”处理，以改变视觉宽度。

（4）拉索

拉索不仅是斜拉桥的主要构造单元，也是决定桥梁景观的重要因素，对调整桥梁形态和构图比例都起着十分有效的作用。

拉索顺桥向常用的布置方式有放射形、平行形和扇形。

放射形拉索全部汇集到塔顶，增强了塔向上的动势，要求塔有较大的抗弯刚度，且塔顶构造处理困难，易形成体积较大且笨重的顶部，影响结构整体美学设计。

平行形拉索彼此平行，有利于索塔受力，索与塔的连结构造易于处理，拉索序列规则、整齐，但与放射形拉索相比却显呆板。

扇形拉索兼有前两者的优点，可灵活地布置与桥塔的各种造型相互配合，故在设计中获得广泛应用。

随着斜拉桥跨度的增加，拉索有时还根据美观、地形等特殊需要采用星形和其他各种混合型式不对称的布置方式。

拉索在横桥向布置上，大体可分为单面索、双面索和三面索三种。

单面索布置在中间分隔带上，拉索对抗扭不起作用，但桥面上视野开阔。

双面索一般都位于路面两侧，可平行布置、也可相向倾斜布置，倾斜的双面索具有良好的抗风稳定性。

三面索是一个索面在中垂线上，而其余两个索面各沿一个外线，适于公、铁两用桥和由双车道过渡到多车道的城市桥，只是视觉上索线交叉，易产生让人厌恶的繁杂感。

4斜拉-悬索协作体系桥梁的美学设计

4.1斜拉-悬索协作体系桥梁的形态特征

如前所述，斜拉—悬索协作体系分为罗勃林体系、迪辛格体系、斯坦因曼的倒置斜拉索协作体系、林同炎的双悬臂协作体系、ChristianMenn的带面外斜拉索塔协作体系和常州龙城大桥的斜拉悬索分隔布置协作体系6种。

（1）罗勃林体系

罗勃林体系中，用斜拉索来加固悬索桥的做法，加强了桥塔向上的动势，使原本形态柔美、抒情奔放的悬索桥中多了一分力量和强度，给人以柔中带刚的美感。

但斜拉索与竖直吊杆的重叠布置，导致视觉上力的传递路径不明确，特别在采用密索布置时，斜拉索与吊杆交叉处有繁杂感和厚重感，削弱了结构的跨越感。

图5.1罗勃林体系心理诱导力图

（2）迪辛格体系

迪辛格体系中，在斜拉桥中跨加入柔顺、弹性的悬索结构，使得原本强劲、挺拔、严肃的斜拉桥变得活泼生动，既体现刚中带柔的美感，也没有罗勃林体系中的繁杂感。

远离塔根与梁夹角较小的斜拉索被竖直吊杆索取代，更突出了塔向上的动势。

只是结构整体在受力和外观上均有明显的不连续性。

图5.2迪辛格体系心理诱导力图

（3）倒置斜拉索协作体系

倒置斜拉索协作体系中，斜拉索倒置锚固在塔根处，增加了主缆的紧张感。

但从局部看，倒置斜拉索会分散注意力，桥塔与梁的垂直关系不再明显，塔的力量感也被削弱。

从整体看，塔与倒置斜拉索调节了结构横向与纵向的比例，使其免于水平方向单位突出的视觉效果，只是结构整体外观具有不连续性。

图5.3倒置斜拉索协作体系心理诱导力图

（4）双悬臂协作体系

双悬臂协作体系中，桥塔明显高于其他协作体系，但对称刚性斜撑的加入使桥塔不再突兀，桥塔与斜撑间通过斜拉索相联系使其更具面的形态特征，与之相比高度较低的悬索结构具有扩大宽度、降低心理高度的作用。

双悬臂协作体系虽然没有悬索桥的气势磅礴和斜拉桥的刚劲挺拔，但更显活泼、生动和空间感，特别在多跨布置时更为明显。

图5.4双悬臂协作体系心理诱导力图

（5）带面外斜拉索塔协作体系

与前面几种协作体系不同，带面外斜拉索塔协作体系是空间协作体系，带面外斜拉索塔在横桥向形态（图b）与上述双悬臂索塔在顺桥方向的形态一样。

如果把一般桥梁水平方向单维突出的特征形态看成一维的，则双悬臂协作体系形态在顺桥方向是的二维，而带面外斜拉索塔协作体系形态是三维的。

视觉上面外斜拉索塔与主梁问的斜拉索组成倾斜面更具方向感和空间感，且拉索在斜拉索塔的一端因索塔的倾斜视觉上缩短了拉索在索塔上的间距，增强了主塔向上的动势。

斜索面与带面外斜拉索塔竖直面及跨中部位的铅垂面相组合，结构整体显示出生命感、充实感与存在感。

只是在有些角度观赏，线条交汇较多会出现繁杂感，且桥在顺桥方向有明显的不连续性。

图5.5带面外斜拉索塔协作体系心理诱导力图

（6）斜拉悬索分隔布置协作体系

斜拉悬索分隔布置协作体系，是由江苏常州龙城大桥引申而来，主跨为悬索体系而边跨为斜拉索体系，斜拉与悬索分隔布置于桥塔两侧，视觉上力的传递路径明确，但与前面所述5种协作体系最大的不同在于桥塔两侧呈现明显的不对称性，由于边跨斜拉索的配置，使两侧的主塔都有向桥中心靠拢的趋势。

这种协作体系与前面所述协作体系相比，受力与外观都较连续，但是，这种体系的诞生是源于对桥梁美学的追求，因此，与前面几种协作体系相比其跨越能力并无明显优势（如图5.6所示）。

图5.6斜拉悬索分隔布置协作体系心理诱导力图

4.2斜拉-悬索协作体系桥梁的美学设计

协作体系桥梁的主构要素间的均衡和谐比斜拉索与悬索桥更重要，除应注意垂跨比、跨径分割比、桥宽与跨径之比、梁高与中跨之比、塔高与中跨之比外，还应特别注意悬索区与拉索区的比例，因为这关系到整个结构的性能更偏于那种结构体系。

由于协作体系结构复杂，导致结构整体的均衡和谐也更为复杂。

倒置斜拉索协作体系中，倒置斜拉索区域不易过密、过长，否则会严重影响塔向上的动势。

双悬臂协作体系中，由于塔高较高，且与双悬臂及斜拉索的组合形态稳重，因此，要注意悬索结构在顺桥向长度范围内所占比例较大为宜。

带面外斜拉索塔协作体系为空间协作体系，因此，应注意各个空间面间的角度、位置，以保证在各个角度观看时不会有交错杂乱之感。

（2）梁

与斜拉桥和悬索桥一样，协作体系主梁截面形式也以桁架加劲梁和箱梁为主，现有的斜拉-悬索协作体系方案基本都选用箱梁截面。

在视觉上，箱梁截面与协作体系的组合比较理想，而桁架加劲梁与斜拉索及吊杆的组合视觉上容易产生繁杂感。

主梁纵断线型也采用简洁、明快的水平直线，来增加桥梁连续流畅感的美感。

（3）塔

与斜拉桥和悬索桥相比，协作体系中塔的形态更为新颖独特。

对于以悬索桥为主的罗勃林体系和以斜拉桥为主的迪辛格体系基本都采用门形桥塔，桥塔侧面形态以简洁的独柱式为宜。

对于倒置斜拉索协作体系，为加强由倒置斜拉索而减弱的塔向上动势，方便倒置斜拉索在塔根的锚固，建议采用侧面形态为A形的桥塔较好。

对于双悬臂协作体系和带面外斜拉索塔协作体系，双悬臂和面外斜拉索塔与主塔通过斜拉索连接，桥塔虽缺乏力量感和向上的动势，却与主梁结合协调，设计时应注意双悬臂索塔和面外斜拉索塔与主塔的角度及斜拉索的疏密程度。

（4）拉索与吊杆

协作体系多采用双面拉索与悬索组合，拉索与吊杆的比重、疏密程度及布置方式既影响结构的受力，也对整体结构的视觉效果起着美化或破坏的作用，悬索部分宜采用吊索或柔性吊杆，以提高其抗疲劳能力和变形协调能力。

为避免产生杂乱感，罗勃林体系宜采用直吊杆，且当拉索在主梁上以吊杆间距的整倍间距布置时，拉索与吊杆形成的网格具规律和韵律之美感。

迪辛格体系宜采用扇形拉索布置方式，既有利于桥梁美观也有利于拉索和主缆在塔顶的锚固及桥塔受力，另外，应注意悬索区与斜拉区接合处的协调，最靠近吊杆的拉索和吊杆不应有空隙，否则既影响美观也在内力上出现不连续。

双悬臂协作体系和带面外斜拉索协作体系中，悬臂和面外斜拉索塔与主塔间的斜拉索要疏密适当，拉索形式以平形索为宜。

双悬臂协作体系中，当平行拉索在悬臂上以竖直吊杆在悬臂上间距的整倍长度间距布置时，视觉上因拉索与吊杆在悬臂上相交形成连续的折线而产生美感。

带面外斜拉索塔协作体系中，由于跨径较大，面外斜拉索塔与主梁问的斜拉索宜采用扇形布置。

斜拉悬索分隔布置协作体系与前面几种协作体系有所不同，为了平衡边跨斜拉索给主塔带来的倾斜感，宜采用斜吊杆布置方式。

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