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桥梁设计理论
导语： 桥梁，一般指架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的构筑物。为适应现代高速发展的交通行业，桥梁亦引申为跨越山涧、不良地质或满足其他交通需要而架设的使通行更加便捷的建筑物。 桥梁一般由上部构造、下部结构、支座和附属构造物组成，上部结构又称桥跨结构，是跨越障碍的主要结构;下部结构包括桥台、桥墩和基础;支座为桥跨结构与桥墩或桥台的支承处所设置的传力装置;附属构造物则指桥头搭板、锥形护坡、护岸、导流工程等。
1引言
桥梁设计工作中，因桥与建筑设计工作和施工方法及结构设计的紧密联系，使得桥梁设计师，即是建筑师，又是结构师。随着桥梁建筑的迅速发展，我国现在的桥梁建设越来越趋向超大跨径，这就需要桥式设计理论的同步发展。本文依据实际的桥梁设计经验及建筑美学，结合工程力学原理对桥梁设计中的最优设计理论加以探讨。
2桥梁设计的基本规律
桥梁结构设计的合理形式并非是特定的形式，也非单一的结构形式，但在总体上仍然具有其统一的基本规律，本文即以此为基本标准来讨论合理桥式设计的一些原则与规律。
一般来说，在实际的桥梁建筑中，桥梁设计师基于长期的工作实践，遵循桥梁结构合理形式的一般规律，并形成自己的基本套路和风格，只是把这些规律与经验系统理论的总结归纳做得比较少，因此可以说，我国桥式理论相对薄弱，需要广大桥梁设计师勇于把自己的经验系统化、理论化，使其具有逻辑性、层次感，把难以定量化的规律用语言的形式归纳出来。本人结合自己的工作实际，认为桥梁设计的基本规律有如下几点：
2.1良好的结构方案。良好的结构设计方案是完美的结构的重要前提和基础，在桥梁的实际设计过程中，方案构思与结构计算应交叉进行、相互协作。但无论多么完美的结构计算都无法弥补结构方案中结构构思的不足。相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足，甚至能够推动结构计算的进一步提高，由此可见结构构思的重要性。
良好的结构方案还要保证在设计寿命期内安全可靠，即结构强度、刚度、稳定性及耐久性均应满足要求。
2.2满足桥式最基本的要求—功能准则。桥梁必须能够承受车辆、行人等荷载，且不产生过大的变形而影响使用。这是桥梁功能的要求，因此桥梁的跨越功能是桥梁最基本的功能之一，即功能决定结构。
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，才使得为满足桥梁功能要求而修建的结构被称为桥梁。
另外由于桥梁要有一定的承载力，保证车辆、行人舒适并安全地通过桥梁，而且要使横桥向铅垂面及水平面内亦应保证足够的刚度，这就需要工程结构必须是几何不变体系，几何不变准则一般工程结构都必须是几何不变体系，保证桥梁结构在主要受力面-顺桥向铅垂面内应保证几何不变，这也是桥梁工程结构的基本条件，这一条件可通过机动分析来判别。
3桥式设计的力学准则
桥式力学原则是从力学角度衡量桥式优劣的重要准则。
3.1在荷载作用下合理的结构设计传力路径较短。
不管是桥跨结构还是支承结构，其横截面内、细部构造均以简捷明快的传力路径为佳，比如受弯箱梁在弯矩平面内的传力路径主要是沿腹板传递，主筋应配置在靠近腹板的范围内为好等，再如拱上立柱与箱拱连接处横隔板沿立柱竖向设置较径向设置传力简捷;带挂孔的悬臂梁桥采用受拉型铰较传统受压型铰施工吊装方便、牛腿的受力与梁的受力吻合，细部构造优越等。
一般说来，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件轴线，其传力路径等于杆件的长度。
拉(压)杆件传力路径较受弯杆件短，是传力最简捷的构件。因此梁如果是弯剪耦合构件，可比拟为“桁架”(拉一压结构)，把各构件传力路径之和定义为传力路径。这是因为弯剪耦合构件内任意一点均处于二向受力状态。其主应力迹线呈曲线，传力路径复杂;如果是弯剪扭耦合构件，可比拟为“空间桁架”。
因此，可以这样定义：传力路径为构件中主拉(压)应力迹线定义为传力路径，传力路径总长为荷载作用下的结构作用于各主要受力构件传力路径的总和
3.2结构应力应均匀流畅，构件体形变化要平顺。这样才能较好地发挥材料的强度。结构的结点处或边界处过渡平滑、结构整体性强是力流平顺的必要条件，同时，也可提高结构的承载能力和刚度。杆系结构应包括杆件横截面内应力均匀流畅，沿杆件长度方向内力均匀及结点、边界处应力均匀，总之，要求结构应力处处均匀流畅。
4桥梁设计的美学原则
4.1合理的设计要有形式感和量感。一般说来桥梁所采取的不同形式及线条会带给你不同的感受，比如斜线具力感、动感和方向感;平线条给人的感受是亲切、委婉，它使人联想到平静的水面、一望无际的平原;垂直线条给人的感受是庄严、高昂，它使人联想到向上生长的树木、挺立苍穹的高山。悬挑线条可以产生灵巧感、腾越感。这些形式因素会对人的精神所产生的某种感染力，即美学中的形式感。
4.2要具有桥式设计独有的美学特征。桥梁具有别于其它建筑结构的美学特征。由于桥梁的特殊形状和体量，因此完美的桥梁设计会展现出多种独特的美感，如直线桥梁的通达之美，具有连续通达、跨越结构由此及彼的凌空之美，具有动感和方向感;带状结构长大桥中竖曲线设置所体现的桥面的流畅之美，具有飘逸、流畅的美;以及斜索和大跨相结合所展现的刚柔之美，腾空而起的梁、索既有张力感，又有动感。
4.3与周围环境的协调美。桥梁结构的造型与体量都应与所处的周围环境，不管是城市的房屋建筑，道路，雕塑还是其它的山川河谷、旷野树林等，都要做到和谐统一。
环境与桥式设计要相互协调。一般来说，桥梁与周围环境相比会显得较小，在人们的视线里，就只看到其轮廓，因此，桥梁以其轮廓美为主。所以在山区地形比较适宜修建拱桥或吊桥，并与山区的特殊景观相适应，造成一种和谐之美。平原地形宜修建梁桥或斜拉桥。因平原地势平坦，可以突出桥梁的宏大气势之美。另外桥梁美应兼顾细部美，使近距离观赏也具有美感。
4.4均衡稳定的韵律感和节奏美感。一般工程结构必须保持静力平衡，即结构稳定。从工程建筑力学和建筑美学角度上讲，桥梁设计的结构要均衡和稳定，这是桥梁结构美观更是安全的前提条件，因此，工程结构必须静力平衡。而这种合理的结构能达到桥梁的功能要求并使其有机地结合起来，从而具有独特的韵律感和节奏感。有人说建筑是凝固的音乐，和谐的韵律与节奏使美丽的桥梁看上去就如无声而美妙的音乐。桥梁孔径的变化、墩高的变化、式样的变化、桥面的起伏、斜拉索的辐射、大缆优美的曲线及拱的弯曲等等都形成了韵律与节奏。
5把握好设计与施工的关系
桥梁设计在设计初期就应该充分考虑施工的难度，尽早确定好相应的施工方案，尤其是创造性的设计往往到了施工阶段才发现困难，导致桥梁设计好后发现施工难度比较大，工期难以保证和比较大的经济浪费。比如卢浦大桥主桥，临时的索塔就花了5000多吨的钢结构。桥造好了以后还得拆掉。因此如果在设计的早期就让施工单位的主要技术力量介入进来会更好的实现桥式的最优设计。
6结语
桥式最优设计理论是对桥梁各构件组成规律的研究，本文只是简要的做了其中几个方面的探讨，合理的桥式设计可以为桥式方案设计、乃至桥梁建筑学提供了理论基础，即提高各方面的效益，又能减少桥式设计中盲目探索的情况。深入的发展桥式最优设计理论的研究，会对我国大型桥梁建设带来更大的经济与社会效益。
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