桥梁美学课件 第5章 景观桥梁结构形态

第五章景观桥梁结构形态

5.1引言桥梁景观注重外形，桥梁结构注重受力，将形与力结合,便是桥梁结构形态的体现。

桥梁结构形态指的是桥梁在空间中所呈现的外形、构造以及各组成部分之间的相互关系和布局方式。

桥梁结构形态决定了桥梁的外观美学特征，不同的桥梁结构形态适应不同的地理环境、交通需求和设计要求。5.2力形结合原理5.2.1构件受力类型

构件从简单的受力特征来说分为承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等五种内力的元构件，其中受压构件会出现压杆稳定问题。a、弯曲受力类型b、剪切受力类型c、弯曲受力类型d、剪切受力类型e、扭转受力类型

受压构件的压杆稳定承载力在不同约束类型下的模型有以下几种形式：a、铰接+铰接b、固接+自由c、固接+铰接d、固接+固接结构外形分析是绘制结构弯矩图的重要步骤，结构内力由结构内部组成和结构外部约束共同决定。以单梁模型为例，根据外部约束的不同，主要有有四种结构类型。1）结构外形分析5.2.2受力定性分析a、单梁模型结构外形

a）铰接+铰接b)

固接＋自由c)

固接＋铰接d)

固接＋固接

b、两跨和三跨梁模型结构外形c、钢架和拱模型结构外形a)铰接＋半固接＋铰接b)

固接+半固接+自由c)

铰接+半固接+固接+铰接d)

固接+半固接+半固接+自由a)

单铰刚架b)

两铰刚架c)

三铰刚架d)

无铰刚架e)

单铰拱f)

两铰拱g)

三铰拱h)

无铰拱两跨梁和三跨梁的主要结构类型有以下四种连接形式；刚架和拱的主要结构类型居多，则有以下八种连接形式。5.2.2受力定性分析单梁结构模型结构变形分析分析结构在外力作用下的变形，需考虑线位移和角位移。​结构整体运动趋势视为刚体运动。​结构局部运动趋势依据刚体运动趋势和自由度约束判断。​以简支梁为例：跨中受向下集中力时，整体有向下运动趋势，左右端分别顺时针、逆时针转角，变形呈整体下凹，下侧受拉。单梁结构变形铰接+铰接悬臂梁：一端固接一端自由，自由端受向下集中力，整体下挠、上凸，结构上侧受拉固铰梁：一端固接一端铰接，跨中受向下集中力，固接处上凸下凹、铰接处下凸上凹，固接处上侧受拉、铰接处下侧受拉固接梁：两端固接，跨中受向下集中力，固接处上凸、跨中处下凹，固接处上侧受拉、跨中处下侧受拉固接+自由固接+铰接固接+固接单梁结构模型单梁结构模型单梁结构模型单梁结构变形单梁结构变形单梁结构变形两铰刚架与两铰拱：外力作用点附近变形类似两端固接，兼具简支梁受力特征，因约束介于铰接与固接之间单铰刚架与单铰拱：力作用点附近变形类似悬臂梁单铰刚架两铰刚架单铰结构模型单铰结构变形两铰结构模型两铰结构变形无铰刚架与无铰拱：水平构件在力作用点附近类似单梁刚接约束变形，竖向构件变形由水平梁刚节点旋转引发三铰刚架与三铰拱：两铰有相对靠近趋势，变形类似曲梁受向内平衡力三铰结构模型三铰刚架无铰刚架三铰结构变形无铰结构模型无铰结构变形拱与刚架变形趋势相似，其共同展现出来的规律为结构的整体变形特征是向下变形的同时出现了两边向外扩张的趋势：单铰拱两铰拱三铰拱无铰拱无铰拱结构模型无铰拱结构变形三铰拱结构模型两铰拱结构模型单铰拱结构模型三铰拱结构变形两铰拱结构变形单铰拱结构变形结构弯矩图两端铰接单跨梁：跨中受向下集中力，结构下侧受拉，弯矩图两端为零，集中力处弯矩绘于下侧一端固接一端自由单跨梁：自由端受向下集中力，结构上侧受拉，弯矩图自由端处为零，固接端弯矩绘于上侧结构模型结构变形结构弯矩铰接+铰接固接+自由

一端固接一端铰接单跨梁：跨中受向下集中力，固接处上侧受拉、铰接处下侧受拉，弯矩图铰接处为零，集中力处绘于下侧，固接端绘于上侧两端固接单跨梁：跨中受向下集中力，固接处上侧受拉、跨中处下侧受拉，弯矩图两端固接处绘于上侧，集中力作用点绘于下侧结构模型结构变形结构弯矩固接+铰接固接+固接对于单铰刚架和单铰拱，弯矩图可通过水平悬臂梁+竖向固接梁模型推演得到。对于两铰刚架和两铰拱，弯矩图可通过水平固接梁+竖向固铰梁模型推演得到。单铰刚架两铰刚架单铰结构模型单铰结构变形单铰弯矩图两铰结构模型两铰结构变形两铰弯矩图对于三铰刚架和三铰拱，弯矩图可通过水平悬臂梁+竖向悬臂梁模型推演得到。对于无铰刚架和无铰拱，弯矩图可通过水平固接梁+竖向固接梁模型推演得到。三铰刚架无铰刚架三铰结构模型三铰结构变形三铰弯矩图无铰结构模型无铰结构变形无铰弯矩图拱与刚架在变形以及弯矩图上具有相似性：单铰刚架两铰刚架三铰刚架无铰刚架5.2.3刚度定性分析

结构刚度是指结构抵抗变形的能力，其大小与外部约束、材料弹性模量、截面惯性矩成正比，与跨度成反比。因此，调整结构刚度可从外部约束、材料、截面惯性矩、跨度等因素入手优化设计方案。

简支梁在外部荷载作用下的受力情况悬臂梁在外部荷载作用下的受力情况5.3桥梁结构形态

桥梁结构形态核心规律：作形态学应用，探究景观桥梁外在造型与内在受力的协调性运用力形结合原理，实现结构造型与受力机理统一。桥梁结构主要有四种结构体系：梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥。形态元模型包括四种形态：梁式形态、拱式形态、斜拉形态、悬索形态。桥梁结构形态演化过程：通过遗传和变异形成四种基本桥梁结构类型各类型通过构件或体系数量组合，派生出多样的景观桥梁结构。5.3.1梁式形态

梁式形态体现了梁式结构外形与受力的有机统一

。

梁式形态主要有四种元模型：

简支梁、悬臂梁、桁架梁、张弦梁，其中桁架梁和张弦梁可由简支梁和悬臂梁派生而来。a、简支梁b.悬臂梁c.桁架梁d.张弦梁5.3.2拱式形态

拱式形态体现了拱式结构外形与受力的有机统一。拱式形态主要有四种元模型：上承拱、下承拱、中承拱Ⅰ(有外推力)、中承拱Ⅱ(无外推力)，其中中承拱Ⅰ和中承拱Ⅱ分别建筑由上承拱和下承拱派生而来。a.

上承拱b.

下承拱c.

中承拱Ⅰd.

中承拱Ⅱ5.3.3斜拉形态

斜拉形态体现了斜拉结构外形与受力的有机统一。斜拉形态主要有四种元模型：斜拉杆、斜拉梁、对称斜拉(有背索)、非对称斜拉(无背索)。a.

斜拉杆b.

斜拉梁c.

对称斜拉(有背索)d.

非对称斜拉(无背索)5.3.4悬索形态

悬索形态体现了悬索结构外形与受力的有机统一。

悬索形态主要有四种元模型:悬吊梁、悬索带、地锚缆、自锚缆，其中地锚缆指的是缆索锚固在地上，自锚缆指的是缆索锚固在梁上。a.悬吊梁b.悬索带c.地锚缆d.自锚缆景观形态概述

桥梁与建筑结构的根本区别在于功能，景观桥梁具备三大属性为科学属性，艺术属性和人文属性，各具特色。下图中均是“力-形-意”三位一体的典型桥梁，即科学、艺术与人文统一的桥梁。5.4桥梁景观形态a.南京眼步行街b.常州龙城大桥c.广州海心桥d.港珠澳大桥青州航道桥

景观桥梁在功能性基础上主要分为纯结构风格、纯装饰风格和半装饰半结构风格。

景观风格在设计立意上可分为“有形无力”“有力无形”“力形合一”三种类型。a.咸阳沣河人行桥（平沙落雁）b.南京文靖西路跨秦淮河桥（鱼纹）c.六安晓天河大桥（水波）d.咸阳沣河交通桥（朱鹮）传统桥梁依纯力学原理分类虽便于分析荷载内力，却难以体现景观桥梁与环境共生及视觉价值；而景观桥梁秉持

“力形结合”理念，采用

“形力桥”

分类，既重视外在形态的视觉呈现，又以内在受力为根基，二者相互依存，突破单一力学维度的局限，更全面地诠释景观桥梁的特性。5.5景观桥梁分类

形态类型受力形式梁式受力拱式受力斜拉受力悬索受力梁式形态

梁式桥

梁拱桥梁斜拉桥梁悬索桥拱式形态

拱梁桥

拱式桥拱斜拉桥拱悬索桥斜拉形态斜拉梁桥斜拉拱桥

斜拉桥斜拉悬索桥悬索形态悬索梁桥悬索拱桥悬索斜拉桥

悬索桥非跨越形态装饰梁桥装饰拱桥装饰斜拉桥装饰悬索桥

景观桥梁分类

跨越结构是桥梁主体，主要功能为跨越障碍物、承载交通流量。​非跨越结构不承担桥梁跨越主要荷载，以维持自身受力特性为主，结构形式多样，无需针对特定障碍专门设计。​以太原北中环桥为例，其圆弧造型主要起装饰作用，未主要参与跨越功能，代表城市景观桥梁发展新趋势。

太原北中环桥

景观桥梁是指具备良好视觉效果与审美价值，与桥位环境共同构成景观的桥梁。“结构形态”应包括两方面基本内容：首先是结构的“形”，其次是结构的“态”。结构的“形”是指涵盖结构几何外形、杆件布置方式、构件尺寸等外在特征。结构的“态”是指结构在外荷载作用下的内力分布状态，是结构的内在反映。景观桥梁结构形态则是景观桥梁外在艺术表现力下的内在科学合理性。基于此逻辑，景观桥梁应当是形与力的统一，力形结合基本原理是理解景观桥梁结构形态的核心。

5.6小结思考题1.桥梁结构形态的定义是什么?2.力形结合原理在景观桥梁结构形态设计中扮演什么角色?