組合體系橋梁的美學設計分析

張天根

（同濟大學土木工程學院，浙江 義烏 322000）

0 引言

當前，橋梁體系包括梁式體系、拱式體系、斜拉橋體系、懸索橋體系以及組合體系五種，前四種基本體系已趨成熟。這些體系都有其相應的適用范圍，超出這一范圍，橋梁就會出現不經濟、不安全或不穩定等問題。橋梁體系的組合與協作，恰好是解決這類問題的創新之作。以多跨連續剛構橋為例，隨著橋長增加，會在外側橋墩及主梁內產生較大的溫度應力，為解決這一問題，可采用連續梁與連續剛構的組合形式，既能獲得連續剛構在剛度和節省支座方面的優勢，又可以解決溫度應力問題，從而具備較好的力學經濟性能。從美學角度來說，各種體系有效的結合也有助于打破對傳統橋型的審美疲勞，符合新世紀勇于創新的精神。但是需要避免不符合力學原理的胡亂組合，不能因為盲目追求結構的新奇而擯棄了結構的安全性與力學美。

1 組合結構的特點及設計要點

梁式體系、拱式體系、斜拉橋體系和懸索橋體系是四種基本橋梁結構體系，實際上他們并不是彼此孤立的，在某種程度上，它們可以相互轉化。將梁橋的墩和梁固結，可得到剛構橋；繼續將橋墩傾斜，梁的中部上拱，可得到拱橋；將拱橋反轉，所有的剛性支承變為纜索支承，則變成懸索橋；將懸索橋的垂直吊桿一端向橋塔集中，主纜索的中部向梁跨中錨固，可得到斜拉橋；將斜拉橋的橋塔逐漸降低到零，則變成梁橋。可以看到，這幾種體系之間既有聯系，又有區別。只有熟練掌握這些基本體系各自的性能，明確其受力特點，才能將其正確地應用到實際工程中去，并能根據實際情況將不同體系進行合理組合，而且這些組合體系橋梁在結構受力性能上會呈現出一些新特點，在結合兩種體系各自優點后，組合體系橋梁往往會優于單一結構體系，使橋梁受力更加合理，更加經濟可靠，也更美觀。下面介紹四種橋型間的組合與協作，以展示橋梁體系創新的思路。

1.1 斜拉-梁橋（剛構）組合體系

斜拉-梁橋（剛構）的組合體系中最常見的一種應用就是現在正在快速發展起來的部分斜拉橋。部分斜拉橋是介于連續梁與斜拉橋之間的一種新橋型，是以梁的受彎、受壓和索的受拉共同承受豎向荷載。部分斜拉橋由于梁的受力情況介于連續梁和斜拉橋之間，梁的截面形式多與連續梁類似，但梁高可以降低，另外由于斜拉索只提供部分梁的承載力和剛度，所以索的數量可以大大減少。同時為了充分發揮斜拉索的作用，使斜拉索在提供豎向力的同時，還能對梁體提供較大的軸向壓力，斜拉索的傾角宜較小，因此塔高應較小。

在造型上，與連續梁橋相比，結構上增加塔柱與拉索，在空間構圖上對單維突出的水平大梁起到了協調比例的作用，結構表現內容豐富得多，表現能力也大得多，有利于橋梁造型多樣化和與環境的協調。然而，它的塔柱較矮，跨徑較小，如果處理不好，則既沒有了梁式橋的簡潔流暢，又沒有了一般斜拉橋的高聳挺拔、雄偉壯觀。從結構造型設計上，應以橋塔造型為重點，通過墩塔連續和構造上的設計，來克服部分斜拉橋橋塔較矮的不利因素，使其呈現出向上的運動與力度。通過主梁的大懸臂，使其外觀顯得纖細。在與邊孔主梁的關系上，高度上的一致帶來了連續感，力求整體結構給人穩定、均衡、輕盈、向上挺拔的感覺。

通過精心設計，部分斜拉橋可以獲得極好的造型與美學效果。在20世紀評選的世界最美橋梁中，部分斜拉橋就占了兩座，分別為瑞士的Sunniberg橋和瑞士的Ganter橋（如圖1所示）。

此外，同濟大學肖汝城教授設計的昆山夏駕河橋，將傳統的無背索斜拉橋進行體系優化后變為無背索斜拉與梁橋的結合形式。傳統的無背索斜拉橋梁重完全由橋塔重量來抵抗，因此要求橋塔重且剛，看上去會有種頭重腳輕而且笨拙的感覺。夏駕河橋則通過在主梁中施加預應力，使橋梁荷載由主梁和斜拉索共同承擔，從而減小了主塔的重量與尺寸，使橋梁在外觀上看以來更加輕盈、勻稱，具有律動感，同時也降低了造價。

1.2 斜拉-拱組合體系

拱橋修建中，經常采用斜拉扣掛施工方式，臨時索塔和斜拉索僅為施工而設置，造成一定的浪費。因而，可以設想將施工用索塔和斜拉索作為永久構件保留，不僅可以充分利用各結構構件，而且省去臨時構件的拆除工序，節省施工周期。這一組合形式稱為斜拉拱橋。圖2所示分別為馬來西亞的Seri Saujana橋與我國的蓮城大橋。

圖1 瑞士的Sunniberg橋和Ganter橋

圖2 Seri Saujana 橋（左）與蓮城大橋（右）

但就受力而言，這兩種體系的結合并沒有充分發揮各自優勢，而且受力分配并不明確，造成拱軸線和斜拉索索力等參數的確定均較為困難，因此其合理性尚且存在爭議，并未在工程實踐中得到廣泛應用。

1.3 拱橋與梁橋、剛構橋的組合體系

隨著鐵路建設的高速發展，橋梁剛度往往成為結構設計中的控制因素，低高度連續梁無法提供足夠剛度，而梁高過高，不僅經濟性能較差，影響凈空，而且外形笨重，影響美觀。因此，利用拱梁組合體系，可以在不增加梁高的前提下，大大提高橋梁剛度。在造型上比普通梁式橋增加了拱肋（拱圈），在空間構圖上對單維突出的水平大梁起到了協調比例的作用，結構的表現內容豐富得多，表現能力也大得多。同時主梁、拱肋、吊桿等構件的形式和組合可有多種形態選擇，設計自由度大大增加，有利于橋梁造型的多樣化和與環境的協調。如鄧文中先生設計的三角形剛構和系桿拱橋組合的重慶菜園壩大橋。

1.4 斜拉-懸索協作體系

近年來，一些跨海大橋的修建進一步促進了橋梁工程師們對于超大跨度橋梁體系的研究。橋梁最大跨度紀錄不斷被刷新，纜索承重橋的體系演變和跨度突破是其中最引人注目的成就之一。斜拉橋與懸索橋都具有卓越的跨越能力和高聳的橋塔，宏偉壯觀。如果說懸索橋嫵媚纖巧，斜拉橋則是剛強有力。而斜拉-懸索協作體系橋將其合二為一，可以說是剛柔并濟。

斜拉-懸索體系橋梁結合了斜拉橋和懸索橋各自的優點，可以將橋梁的跨徑拓寬至一個更廣的范圍內。

T.Y.林構思的直布羅陀海峽橋渡方案（見圖3），超長橋跨和超深橋墩都是空前規模的。索式橋梁輕盈的橋面，通過強勁纜索傳至高聳索塔的特點，非常有利于跨度的延伸。斜拉橋剛勁的特征與橋塔結合成斜拉的斜撐結構達到1km的懸臂長度，在此基礎上布置超長的懸索橋。斜拉體系不僅加長了懸索橋的跨度，而且還加勁了懸索體系。

圖3 直布羅陀海峽橋方案構思

斜拉-懸索協作體系，除了需要解決許多技術和材料問題外，還要在造型上提煉以符合美學設計準則。其立面總體上以柔和為基調、柔中有剛，比例和序列均較好，而基臂拉索與吊桿的方向轉折有些生硬，若能采用扇形索，其效果會更好些。

2 組合橋梁體例——菜園壩大橋

重慶菜園壩長江大橋地處重慶市繁華地段，是目前國內最大的公共交通和城市輕軌兩用大跨徑拱-剛構組合體系橋梁。大橋主橋采用剛構與提籃式鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結構，主橋全長800m。其中系桿拱橋主跨420m，對稱布置的邊跨和側跨分別為102m及88m。主橋設六線行車道、雙線城市輕軌、雙側人行道。六車道及雙側人行道設在上弦平面，雙線輕軌設在主橋桁梁下弦平面的橫梁上，構成雙層特大公軌兩用橋（如圖4所示）。

圖4 菜園壩大橋

菜園壩長江大橋外形屬于常規中承式拱橋，但是她突出的特點是主體由三個子結構組成，即由一對預應力混凝土Y型剛構邊跨和一個320m的鋼箱提籃拱中跨組成的組合結構。主梁是桁架結構，使在輕軌列車中的乘客也能欣賞到長江的景色。上層六車道和下層兩車道雙向輕軌的布置，使倒梯形的橫截面成為最恰當的選擇。在外面兩側加上斜桿，除把吊桿的力傳遞到中間的桁架外，還可以大大地減低橫梁的彎矩。

由于大橋的梁的剛度很大，所以拱肋就可以做到很柔。重慶是一座美麗的山城，她的美麗就在于她的秀氣。所以，在鋼箱拱和鋼管拱之間，選擇了比較纖秀的，高4m和寬2m的鋼箱拱。為了美觀，撐桿也做得很纖秀，不致有凌亂和封閉之感。

整個結構線條清晰、明確，輕盈、苗條，而又不失“精神”，大橋的橋型屬于世界首創，完全是為重慶特有的兩江環抱、群山相擁的地貌量身定做。因為橋型一旦“臃腫”，就會出現“只見一座大橋而不見一座城”的尷尬。

3 結語

橋梁設計中，常常從橋型選擇、合理布局、材料和色彩運用，體、面、線的配合和環境協調等多方面來考慮橋梁的美學要求，但對于橋梁美學的體現最重要也是最根本的環節卻是橋梁選型。作為一個橋梁設計者，要設計出一座既能滿足使用功能，又能給人以無限美感的橋梁。在橋梁的設計中要注重橋梁的“力學美”、兼顧傳統與創新、與環境和諧統一、重視美學修養的培養等。

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