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桥梁结构选型综述杜闯大连理工大学建设工程学部摘要:通过对桥梁结构选型发展历史和现状的分析,探究其发展趋势;根据桥梁结构选型中安全、适用、经济、美观的基本原则,对桥梁工程方案的比选以及桥梁结构选型考虑要素进行分析; 结合工程实例, 对工程中常见的设计思路以及普遍适用于工程实际的设计、评价方法进行论述.关键词:桥梁设计 发展历史 结构选型 方案评价0引言桥梁结构选型是指选用一种简单的结构力学体系(如梁 拱 索结构) 或由两种简单体系组合而成的结构体系(如系杆拱 斜拉悬吊结构 斜拉拱桥等),初步形成满足功能要求、符合结构设计原理的桥梁空间结构形式. 选型：是一种对空间几何形式和物体空间位置的理解和应用，优秀的结构设计方案在几何造型上是符合自然规律和审美观点的。因为自然界的物体均是以三维形式存在的，因此对结构形式的理解也是按三维方式展开的。人们对普通结构的认识是建立在假定空间中的自然坐标系（GCS）上的，一般根据结构形式和种类的不同根据实际需要选用笛卡尔坐标、柱面坐标和球面坐标，基于以上坐标可以描述出任何结构在假象空间中的位置。但是建筑物可能存在成千上万种构件，对每个构件均采用统一的空间位置来定位，对描述细部构造带来了很多问题同时也比较复杂不便于使用，因此人们假定构件中的一点为原点，构件中的其它点用距原点的相对位置来表示，统一构件和简化表示方法（UCS）这样空间位置中的构件和自然坐标系中存在一定的变化规律，但表示方法和处理方法变的相对简单。国际上通常将建筑造型划分为膜结构、索结构、网架网壳结构、框架结构（含刚架、排架）、桁架结构、板壳结构（含剪力墙）、实体结构（基础和坝体结构），对此我们要根据实际需要来进行选择。1 1桥梁结构选型发展历史我国桥梁的桥型发展经历了古代、近代、现代,具有强烈的时代特征, 历史和现状上看，绝大多数桥梁均架设在水面上，只有阁道桥和现代城市的行人天桥和行车天桥，是架设于高楼崇阁之间或通衢大道之上。从对天生桥的利用到人工造桥，这是一个历史的飞跃过程。从简单的独木桥到今天的钢铁大桥；从单一的梁桥到浮桥、索桥、拱桥、园林桥、栈道桥、纤道桥等；建桥的材料从以木料为主，到以石料为主，再到以钢铁和钢筋混凝土为主，这是一个非常漫长的发展过程。然而，中国桥梁建筑都取得了惊人的成就。著名的科学技术史学家、英国剑桥大学李约瑟博士（ J. Needham ）在中国科学技术史中说，中国桥梁“在宋代有一个惊人的发展，造了一系列巨大的板梁桥”。到了当代中国，所建造的武汉、南京长江大桥等，更受到世人称赞。可见，中国的桥梁，经过了一个从童年、少年、青年到壮年的发展过程，愈趋成熟。中国在发展桥梁方面于 14 世纪以前处于领先地位，今天，她依然是世界上举足轻重的桥梁大国。20世纪50 年代的木桥, 60 70 年代的拱桥, 80 年代的梁桥, 90 年代的斜拉桥, 20 世纪末的悬索桥、立交桥, 每个时代桥型的发展均是桥梁结构技术进步的结果。2桥梁结构选型发展现状近年来, 我国桥梁上部结构, 特别是大、中跨径的桥梁发展很快, 并且基本趋于成熟 2 。目前在建的一批公路桥梁, 无论是工程规模、建设条件, 还是技术难度、科技含量, 都代表着当今世界的先进水平, 例如: 位于长江中游的阳逻长江大桥, 主跨1 280 m; 长江下游的南京长江三桥, 主跨648 m; 润扬长江公路大桥、苏通长江公路大桥, 主跨1 088 m 等。总的来看, 目前国内外桥梁有向跨径不断增大、桥型不断丰富、结构不断轻型化方向发展的趋势 3 。3桥梁结构选型考虑因素桥梁结构形式的选择应充分考虑桥址环境、地质条件、公路线型、通航要求、桥梁的使用功能要求、施工条件等各种实际情况, 提出若干可行的桥型方案进行比选, 本着安全、适用、经济、美观的原则, 结合各桥型特点, 分析各备选方案的优缺点, 选择出安全可靠、经济适用、与环境协调统一的桥型, 作为工程建设最终的桥梁方案。连续梁方案虽然造价最低, 但存在多个桥墩基础处于深水中, 对通航、排凌和防撞均不利, 施工难度也大, 且由于连续梁跨径较大, 大吨位支座设计和制造有难度, 桥型也缺乏美观性;系杆拱方案虽然主跨跨径较大, 对通航影响较小,但本项目区域地质条件较差, 不太适宜建设拱桥,且该方案施工工序多、技术复杂, 工期长, 造价高。斜拉桥方案对通航和排凌有利, 其中独塔斜拉桥方案造价与双塔混合梁斜拉桥方案相比较低, 且全部为钢筋混凝土结构, 结构安全性及耐久性强。另外, 根据湖南省越江通道一桥一景的总体设想,本项目应优先考虑独塔混凝土斜拉桥方案, 因此,独塔混凝土斜拉桥无论在使用功能、景观设计、施工条件、施工工期以及工程造价等方面, 均有一定优势. 44桥梁结构选型设计思路与方法结构设计包括三个方面：选型、选材和建筑模型简化分析计算简化模型、利用力学基本概念对国家法规要求进行符合性验算、采取构造措施保证节点和细部构造画出详细的施工图。 1、选型选材和建筑模型简化：通过运用几何图形的这种手段将作用于建筑上的各种荷载（和作用）疏通和传导到基础来体现自然而和谐的结构之美。上文已详细讨论,此处不再赘述.选材：建筑结构中使用的材料种类繁多，但主要是混凝土、钢材、铝材、木材和砌体材料。对于钢材和铝材，由于材料性质简单，只要直接套用材料力学、结构力学和弹塑性力学的公式就可以解决，但是其它材料由于材料性质复杂并且在目前的条件下还没有研究得很清楚，只能按照规范中的经验公式来设计。 建筑模型简化：实际建筑模型与设计分析模型是不同的，事无具细的对建筑实际模型进行分析是目前无法办到的也是不明智的，事物的存在本身就是矛盾的，要将所有的矛盾全部解决是无法办到的，只有分析清楚主要矛盾并着手解决才能设计出合理的结构形式。对结构形式的简化主要分为：构件形式简化、约束形式简化、作用方式和荷载作用方式的简化三方面。构件形式简化：根据受力形式不同常见建筑结构构件单元分为：梁单元（含柱）、桁架单元（含索单元）、膜单元、板单元（薄板和厚板）、壳单元等。 梁单元：在空间有6个自由度包括3个平动自由度和3个转动自由度，受一个轴力、一个方向扭矩、两个方向弯矩和两个方向剪力作用，需要构件的物理常数为弹性膜量E、泊松比、剪切膜量G、面积A、两个方向的惯性矩和两个方向的剪切面积等。桁架单元：在空间有6个自由度包括3个平动自由度和3个转动自由度，受一个轴力作用，需要构件的物理常数为弹性膜量E、泊松比、面积A等，利用设置只拉单元属性和垂度设置可以模拟出索结构的受力性能。约束形式简化：约束产生美没有约束就不会有任何结构形式的存在。建筑机构约束形式的简化主要有：固接、铰接、固接约束释放、弹性连接（模拟支座沉降、半刚接和弹性地基梁或土壤的压缩性能等）、主从单元连接、滑动支座等。作用方式和荷载作用方式的简化：荷载主要分直接作用力和间接作用力。直接作用力如自重、活动荷载、风荷载、吊车荷载、积灰荷载、雪荷载和移动荷载等，间接作用如地震作用、温度作用、爆破作用、撞击作用、火灾作用和核辐射作用等。荷载作用有标准值和设计值，设计状态有正常使用极限状态和承载力极限状态，组合系数的选用随恒荷载或活荷载控制值的不同而变化。设计采用的荷载组合方式是根据基本工况构件在线弹性范围内分别计算的内力乘以分项系数后，构件包络图的最大值。2、分析计算简化模型利用力学基本概念对国家法规要求进行符合性验算：分析模型分为：平面分析模型、三维分析模型和四维分析模型，分析模型是人类探索未知领域的方法和手段。平面分析模型：力学书和设计教材和设计手册上经典的分析模型，如刚架、排架、框架、屋架、楼梯、雨棚、楼板、梁、柱、支撑结构、平面应力结构、平面应变结构等所有常用建筑形式，通过100多年的实践经验证明，对常规建筑平面分析模型简单实用基本概念清晰准确不失为一种优秀的分析模型。三维分析模型：三维分析模型平面分析模型的发展和扩充对于向高层超高层结构、膜结构、索结构、空间体型复杂和不规则结构（如凉水塔或煤气柜）、网架和网壳结构等采用三维分析模型是最佳的选择，该分析模型可以模拟出结构各构件在三维空间种的相互作用和影响，可以准确提供各种构件指定截面上的内力位移和应力。可以为设计提供准确的资料和信息，确保各种空间结构设计的合理性。四维分析模型：四维分析模型是三维分析模型在时间空间维度上的拓展，可以分析在地震波作用下结构的反映、可以模拟施工荷载、可以模拟风洞、可以模拟水化热、混凝土的收缩和徐变、焊接过程应力变化和残余应力、可以分析结构在流体力场和固体力场中的耦合作用，该种分析方法还有待发展目前还未完全成熟，但这是结构设计的发展方向。设计分析方法主要有：静力分析、动力分析、材料非线性分析、几何非线性分析、模态分析和屈曲分析以及静力和动力弹塑性分析（PUSHOVER）等。6桥梁结构选型评价方法层次分析法(AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上把定性分析与定量分析相结合的一种层次权重决策方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上,利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化,从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。对于兼有定性因素和定量因素的系统问题,能较简便地进行综合评价和最佳方案决策,且其概念简明、使用方便、计算简便,它特别适用于那些难于完全定量分析,决策结果难于直接准确计量的场合 5 。现行的桥梁选型方法大多是根据调查分析与估算,列出待选方案的技术、经济等指标,然后凭借设计人员的经验取舍。这种方法受主观因素的影响较大,评价过程繁琐,优选结果公认度差。综合以上分析,层次分析法适用于桥梁结构型式选择的过程中。文献 6 应用层次分析法对桥梁的安全性进行了评价,文献 7 将层次分析法应用于桥梁加固方案的选择中,武汉理工大学袁海庆应用层次法对桥梁的综合性能进行了分析 8 ,同济大学博士乐云祥在自己的博士论文中也应用了该方法对缆索支承体系桥梁效率进行评价 9 。桥梁结构选型发展展望桥梁结构分析技术最初主要是用于新建桥梁的设计，现在正逐步转向旧桥加固过程的力学分析和桥梁垮塌反演过程的力学分析，这是对桥梁结构分析技术研究面临的新的挑战。今后桥梁结构分析技术的研究方向是加强计算数据和CAD绘图软件的联系，使得计算绘图能够一体化，进一步提高设计效率。另外，要加强基于空间梁格单元、板壳单元及实体单元，能够考虑结构非线性和动力特性计算的桥梁空间结构分析软件的研究，形成具有国际竞争力的桥梁空间结构分析软件产品。10将我们的桥梁空间结构分析软件与国际接轨，加入国际竞争的行列。最近我院刚通过交通部鉴定的“桥梁三维预应力分析专用系统BridgeKF”，在桥梁结构实体单元空间专业分析上迈出可喜的一步。目前箱梁桥很多裂缝产生的原因都与空间分析不够有关系，空间分析是未来的趋势。11中国目前是桥梁大国，正在向桥梁强国迈进。桥梁结构分析是桥梁技术的关键，如果我们不能掌握这一核心技术，国内大桥设计都要依赖于国外桥梁结构分析软件，何谈桥梁强国。127结语桥型方案的选择应结合各桥型方案的特点,充分考虑桥梁结构的安全耐久、满足使用的要求,同时兼顾造价较低、施工及维修养护方便, 与周围景观相协调等原则, 综合比较各桥型方案在满足桥梁安全、适用、经济、美观等方面的优缺点, 从而选择出各方面具有均衡优势的桥型。参考文献1 林同炎结构概念和体系 2 范立础. 桥梁工程M . 上册 北京: 人民交通出版社, 2001.3樊洪涛, 杨文韬. 桥梁设计中的自然、生态倾向与人文化4 城市道桥与防洪, 2005(4) : 36- 385 陈述云,张崇甫. 多指标综合评价方法及其优化选择研究 J . 数理统计与管理, 1994, 6 张永清, 冯忠居. 用层次分析法评价桥梁的安全性 J. 西安公路交通大学学报, 20017