浅谈城市梁式桥的设计:梁式桥设计

　　摘要梁式桥因其在结构方面,受力性能卓越,总体设计符合建筑原理;外形方面,空间比例、节奏、明暗和稳定感良好,能反映时代风貌,良好契合城市规划的要求并与周围环境相协调;在施工及使用维护阶段,其施工工期短,养护维修方便等。鉴于以上各方面的诸多优点,梁式桥在城市桥梁的设计中被频繁选用。就梁式桥在建筑美学设计和结构设计两方面对梁式桥的设计进行粗略的探讨和浅显的分析。希望从而起到抛砖引玉的作用,促进城市桥梁设计事业的发展。
　　关键词城市桥梁;梁式桥;建筑美学;结构设计
　　中图分类号 U448.21 文献标识码A 文章编号1673-9671-(2010)032-0214-01
　　
　　传统的桥梁结构体系分为五大类:梁式桥、拱式桥、刚构桥、斜拉桥和悬索桥。桥梁结构的发展与理论研究、生产技术水平及结构材料的进步有非常密切的联系。因为其结构在竖向荷载作用下无水平反力、主梁以受弯为主的良好受力性能;预制结构构件简单、装配施工方便等高效的施工工艺以及其外形与城市规划要求的良好契合、与周围环境的协调性等诸多优点,梁式桥在目前国内已建成的桥梁中占有相当大的比例。国内早期应用最为广泛的是简支梁桥,因其对地基承载力的要求不高,历来都是中小跨径桥梁的首选桥型。但是简支梁桥因其结构不连续,接缝较多,跨越能力有限,容易出现纵向裂缝且各梁之间协同工作状态容易被破坏等缺点,目前城市多跨桥梁中简支梁已逐渐被现浇连续梁桥替代。现在国内对梁式桥的设计研究已经达到相当的水平,但还有待研究改进的许多问题。本文针对城市连续梁桥设计中存在的一些问题进行了浅显的归类和分析。希望对城市桥梁设计起到抛砖引玉的作用,促进城市桥梁建设的发展。
　　1城市梁式桥的设计要点
　　桥梁本身就具有物质和精神双重属性,它的精神属性体现在桥梁不仅是实际的工程结构物,并且是人类的审美对象,它体现了人类社会的历史发展过程,体现了桥梁建造年代的经济、科技、文化水平,并且反映了桥梁所在地区的历史、风俗、民情,体现了人类克服困难、改善生存生活环境的伟大精神。而桥梁的物质属性就是关乎桥梁的安全和结构受力的合理性。
　　城市桥梁位于城市,而城市的地貌特点通常表现为地面高差不一致,路况复杂多变,对于某些桥梁的选线还必须绕过受保护建筑。城市桥梁作为道路的延伸,所以兼具了城市城市道路平曲线多,平面半径小,纵坡多,挡墙多等特点且自身通常还表现为桥墩高,跨径大,墩台形式多种多样等等。
　　所以在城市桥梁的设计中必须协调解决好桥梁与周围环境的协调关系以及桥梁各细部构造与复杂地形之间的关系。
　　1.1梁式桥美学设计与周围环境的协调关系
　　梁式桥本身的外形整齐美观,结构开敞、外露,组成部分一目了然,功能关系明确,如桥梁的墩、a梁、台等等构件直接引入眼帘。所以城市中的梁式桥(也包括各类桥型)难免会让人们产生各种情感,从而被作为一个审美的对象。梁式桥基本上是由几何形态的线、面构成的空间形体,靠它的视觉形象,只能给人以庄严、雄伟、稳定挺拔或轻巧明快、柔美秀丽等感受,但很难以自身的形式表现更具体的内容,因此可以在桥上或其周边设计一些大型雕塑、绘画、匾额、书法、诗词等其他艺术形式去构成浑厚的艺术意境,诱导人们的思维产生联想、激发情感、抒发情怀。在特定的条件下还可以借助音乐、声音、光影、照明等来渲染气氛。
　　梁式桥在不同的城市环境中的设计也应该体现不同的人文内涵。例如:对于小城镇的梁式桥设计,因其普遍跨径小,施工工艺简单,所以较容易保留城市历史继承下来的风格,使新建的梁式桥和原来的环境保持一致,例如江南的某些小镇的简支梁桥。而对于大城市的梁式桥设计,由于城市发展是一个持续渐进的过程,可能会有城市发展的各个不同时期的历史痕迹遗留下来,就会有不同的风格表现。在这些不同风格的地区建造桥梁,就需要协调好桥梁与周边环境,保持城市视觉形象的连续性和舒适性,从而达到和谐,例如:在历史景观保护地段的桥梁,桥梁的材质和色彩应选用与周围环境相同或类似的,这样比较容易保持历史景观的完整性。而在新城区,周围的建筑物都是新型的结构,这样的环境中人们的生活节奏是快速的,人们的精神状态是一种积极奋发的状态。这样的地段的桥梁,应选取简洁优雅的桥型,新型的建筑材料和明快的色彩,从而更能表现出新城区朝气蓬勃、欣欣向荣的精神状态。很多城市在旧城之外另建新城,新旧城之间的过渡自然就需要格外注意,处于这些位置的桥梁,其造型和高度就会有格外的要求。对于新旧城共存的城市,桥梁的造型问题应该更深入地探讨。
　　1.2城市梁式桥上部结构设计要点
　　城市桥梁不但为了解决两岸交通,并且会成为一个城市甚至一个国家的科技发展水平的标志性建筑。因此跨径与墩高的设计除考虑受力性能和造价的前提外,还必须符合建筑美学原则,目前的连续梁桥跨径与墩高的比值一般选用为0.618―1之间,通过经济比较,其比值往往又是经济的。城市道路地形起伏变化频繁,通常应根据地形选择一种跨径,不宜根据墩高频繁变化跨径,墩柱高度变化很大时,可以采用20m与30m或者30m与40m的组合跨径。当一座梁式桥有几种跨径方案可选择时,应结合上下部结构做造价分析比较再做选择。
　　1.3城市梁式桥下部结构设计要点
　　1.3.1桥墩
　　桥梁的下部结构首先必须满足上部结构对支撑力的要求,同时从建筑美学的角度考虑其必须做到与上部结构相互协调、布置均匀。而城市连续梁桥主要采用两种桥墩形式:柱式墩和Y型薄壁墩。其中柱式墩因其自重轻,结构稳定性好,施工方便、快捷,外型美观等优点在城市桥梁建设中被广泛采用。对于城市连续梁桥,要注意把握上下部结构的刚度比。减小下部结构的刚度,可减小刚结点处的负弯矩,同时减小桥墩的弯矩,也可减小温度变化所产生的内力。但是桥墩刚度也不能太低,否则会使结构产生过大变形,影响其正常使用,且不利于结构的整体稳定性。对于高墩,除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外,还要着重进行稳定分析。对于连续梁桥的下部结构,各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响,应取全桥或至少一梁作为分析对象。稳定分析的中心问题就是确定构件在各种可能的荷载作用和边界条件约束下的临界荷载。
　　通常梁、墩之间通过板式橡胶支座相连,梁体上的水平力H(车辆制动力和温度影响力等)是通过支座与梁、墩接触面上摩阻力而传递给桥墩的。同时在水平力作用下上部结构的自身变形是由板式橡胶支座产生的剪切变形来实现的。当梁体完成水平力的传递以后,梁体暂时处于一种固定状态,但由于轴力及墩身自重的影响,墩顶还会继续产生附加变形,这就使得板式支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能,支座原来的剪切变形先恢复到零,逐渐达到反向的状态。
　　Y型墩薄壁是独柱双支座的一种墩型,在墩高较高的情况下美观性较好,但施工稍显复杂。墩高较矮时,因其审美效果不佳而很少采用。但Y型薄壁墩施工只需一套模板,搭设一副支架,对于地面横坡较陡,搭支架困难,模板需求量大的城市桥梁,Y型薄壁墩的施工具有显著的优势。从造价方面比较:同高度的柱式墩与Y型薄壁墩相比,Y型薄壁墩的造价较低。另外采用双柱墩时,由于地面横坡较陡,两个墩柱高度经常相差较大,由于线刚度EI/L差距大,导致一个墩两个墩柱受力差异较大,采用Y型薄壁墩,因其只有一个墩柱,则可以有效避免上述缺陷。因此墩高较高时,采用独柱双支座的Y型的薄壁墩为较优化选择。
　　1.3.2桥台基础等其它下部结构
　　城市道路的路基分为整体式路基和分离式路基。目前路线选线越来越强调减少占地,利于环保、景观协调等先进理念。而城市桥梁的设计更要贯穿这些理念。整体式路基的双幅城市连续梁桥,其下部结构一般按分幅单独设计,即双幅四柱。对于高桥墩高跨度的桥梁,为了减小土方开挖,增强边坡稳定性,节约材料,降低造价,选用整体式下部结构是一种较优化的方案。与双幅四柱相比,在桥墩截面积及横向宽度相当的情况下,整体式下部结构横向和纵向刚度是分幅设置的两倍以上,除了可以减少开挖,节约材料、减小施工面外,还能降低在桥梁竣工使用过程中的墩顶位移。但整体式下部结构帽梁跨度较大,须考虑车辆双向行驶时扭矩影响,帽梁的设计需考虑选用标号较大的混凝土。总体来说一座桥采用整体式下部结构还是分幅下部结构,需结合桥位处地形、地质、水文、墩高等多方面因素综合考虑。
　　城市梁式桥的桥台通常采用重力式U型台、肋板台和桩柱式桥台。其中以重力式U台最常用,根据《墩台与基础》规定,U台适应的填土范围为4―10m,所以U台的高度最好以10m控制。为了适应地形,减小开挖,节约圬工方量T,U台设计时必须根据地形合理分台阶。桩柱式桥台,台后填土高度应控制在5m以下,联长宜控制在150米以内。埋置式肋板台适应范围较广,但也不宜太高,不宜超过12m。当地质情况较差时,常常会出现U台下设置桩基的情况。城市桥梁最常用的基础为扩大基础与桩基础。城市一般地质情况较好,采用扩大基础的情况相对较多,且宜采用分离式扩基础。因为分离式扩基础适应地形横坡,承载力亦能满足要求。斜坡上的扩大基础与桩基础必须考虑基础扩散角和覆盖层厚度以及施工时的相互影响。桩基础多为嵌岩桩和柱桩,地质情况较差地段采用摩擦桩。桩基础不管受力形式如何,施工方法上多是挖孔桩和钻孔桩。挖孔桩造价较节省,但设计中能否采用挖孔桩,应结合地质情况具体分析,当桩长较长;遇到流沙、软弱夹层多,卵石、漂石等容易造成塌孔的地质情况;地下水位较高、地层含有煤气、瓦斯等有害气体时不宜设计为挖孔桩。
　　2结语
　　作为一种实体的工程结构,城市桥梁的其实际功能性肯定首要的,所以其结构的设计必须首先满足其实际功能性。不能满足人们使用需求的桥梁,即使结构很精巧,也只能算作艺术品,而不能称其为桥梁。然而,满足其使用功能仅仅是桥梁结构设计最基本的要求,要想达到美,还需要桥梁兼具自身结构的合理,各组成部分及构件之间达到统一和谐、均衡稳定、比例协调、节奏韵律优美等特点。
　　如果一座桥梁仅满足通行能力,而自身没有体现出时代的技术能力,自身造型平庸呆板,甚至令人不快,只能有实际的跨越功能,它是不能作为一件艺术品供人们欣赏的。本文就城市梁式桥的美学和结构功能性的设计展开了浅显的论述,当然,梁式桥,也包括城市的各类桥梁在设计方面还有很多需要深入分析和探讨的方面,希望本文能够为今后城市桥梁的设计尽一份绵薄之力。
　　
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　　作者简介
　　颜俊(1982-),男,助理工程师,毕业于重庆交通大学,工学学士。