橋梁設計論文：橋涵概念設計基本教材剖析范文

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作者：肖汝誠楊名冠 單位：同濟大學土木工程學院橋梁工程系

概念設計概論。概論當中，首先整合了橋梁工程的知識體系，介紹了橋梁的基本組成和分類；然后介紹國內外橋梁的最新發展動態。并從中國橋梁建設當中出現的問題的角度，說明概念設計的目的、意義和重要性。最后介紹了《橋梁概念設計》中安全、適用、經濟、美觀、耐久、環保的原則及其含義，并詳細闡述了如何建立創新理念。

橋梁美學設計。美學是人們對于美和丑的認識，雖然不同人擁有不同的看法，但是美學還是有其一般性的規律。在橋梁美學設計當中，首先介紹了東西方美學的哲學基礎，提出了橋梁美學的五個基本原則———“多樣與統一”“、比例與勻稱”“、平衡和和諧”以及“韻律與協調”。并針對橋梁，提出了概念設計中的美學考慮和處理方法。最后，介紹了橋梁美學設計的實例。

設計構思和總體布置。設計構思和總體布置是《橋梁概念設計》中最為關鍵的環節，是生成概念方案所必須有的過程。設計構思主要是分析橋位處的自然條件、技術條件、人文條件、社會條件，進而對橋梁總體設計進行設計。①自然條件。自然條件主要包括河勢、水文、氣象氣候、地形地貌、地質水質和地震這七個方面。在概念設計階段，這些資料的應用一般有兩個方面：一方面，在理解消化這些資料的基礎上，抓住核心要素和控制條件，形成構思和布局的雛形；另一方面，用于總體和關鍵構件的宏觀、控制性的計算和分析，來驗證和調整先前的構思和布置。②技術條件。經過近200年的發展，橋梁的上部結構和下部結構已發展形成了一些較為成熟的形式，在當今技術條件下，這些不同類型的上部結構和下部基礎都有著各自的適用范圍，在橋梁概念設計的初始階段，我們應當盡可能地根據橋梁所處的自然條件，選擇最為合適的上部結構和下部基礎。③人文條件。人文條件主要是指橋梁所處地區的歷史文化背景和該區域的橋梁使用者對于美的訴求。橋梁作為一種永久建筑物，除了跨越功能之外，其景觀功能也是其功能的一個重要方面，在某些情況下，尤其是城市橋梁當中，橋梁的景觀功能可能是其最為重要的一個方面。只有在這些準備工作做好之后，才能夠根據“變化與統一”、“比例與勻稱”、“平衡與和諧”，“韻律與協調”這些基本的美學基本原則，設計出滿足人們人文訴求和美學要求的美的橋梁。④社會條件。社會條件主要是指橋梁的使用功能、橋梁的經濟性。使用功能包括交通功能、航運功能。交通功能方面，對于公路橋梁、鐵路橋梁和城市橋梁，其荷載標準和建筑界限不同；不同的航道等級和通航標準對應的通航凈空也不相同。經濟性方面，不同的橋型、總體布置、基礎方案和施工方案對于橋梁的經濟性能均有影響。

4.結構安全驗證。在結構安全驗證中，介紹了橋梁的荷載，講解了結構分析的一般方法和結構的強度、剛度、穩定性、動力特性的驗算，然后介紹了橋梁耐久性設計的一般原則和耐久性驗算的方法。5.工程案例分析。通過分析《橋梁概念設計》的工程實例，來完整的介紹橋梁概念設計的流程，以及各個步驟當中應當注意的問題，使學生在掌握全局的同時不忽略細節。

概念設計教學特色

同濟大學橋梁系在國內土木工程專業首先開展了概念設計的課程，作為橋梁工程教學改革的一部分，這門課程嘗試了一些新的教學方法。具有以下幾個方面的特點。

1.強調橋梁創新和美學設計。通過概論，首先強調《橋梁概念設計》中創新的重要性，從總體布局、結構體系和局部構造三個層次引入創新理念。并分別配以工程實例，深入淺出，強化了創新和美學設計在橋梁設計中的重要性，引導學生在創新和美學方面進行思考。如在講解從總體布局的角度創新橋梁設計時，列舉了某高新區中央島的橋梁概念設計。由于該區域是交通道路上的重要視覺節點，連島的兩座橋梁需要表現出磅礴的氣勢和很好的視覺沖擊力，常規橋梁無法表現這一特征。雖然可以通過大跨度懸索橋、斜拉橋凸顯氣勢，但是橋位處沒有大跨度斜拉橋的要求，同時，大跨度橋梁經濟上也不合理。通過總體布局的創新，采用建筑學上借勢造景的技法，將一座常規大跨度橋梁一分為二，分別放在南北兩個河道處，中間道路形成虛擬的橋梁中跨，遠處觀看，如同一座十分宏偉的大跨度懸索橋，既凸顯了氣勢，又滿足了經濟合理的要求。

2.注重講解概念性的原理。傳統的橋梁工程注重從力學計算方面推導出一些公式，通過公式里的參數分析來講解橋梁工程中的基本力學原理。在《橋梁概念設計》的教學當中，復雜的力學計算不是重點，因為其與概念設計注重概念的理念背道而馳。相反，概念性的原理才是重中之重，一方面，概念性的原理便于理解性記憶；另一方面，如果概念設計不合理，將直接導致后續力學計算結果出現問題，進而需要返工或者通過額外措施解決出現的問題。例如，在講解橋梁結構體系對于橋梁受力性能的影響時，列舉了作者設計的昆山玉峰大橋的外部約束、內部鏈接和剛度分配處理方法的例子。%%昆山某區域需建立一座城市橋梁，通過概念分析，擬建立一座斜靠拱橋。由于該區域為軟土地基，無法承擔水平推力。因此，主拱圈采用無水平推力的系桿拱（外部連接），主拱圈承擔主要的恒載，主拱圈斜靠拱共同承擔活載（剛度分配），進而解決了軟土地基的問題。在講解主拱圈和主梁之間的內部連接方式時，同樣也采用了重視概念、簡化計算的教學思路。由于主梁為雙邊箱鋼箱梁主梁，在縱橫梁上搭設混凝土預制橋面板，橋面板之間通過現澆段和橫縱梁上的剪力釘連接，因此在拱梁交接處存在著負彎矩區段，會導致橋面板開裂。為了解決這個問題，主拱圈和主梁之間采用鉸接的連接方式，釋放了負彎矩；同時，等主梁支架拆除后再澆筑現澆段，通過讓混凝土橋面板和鋼主梁在不同的階段參與受力，也減小了拱梁連接處的橋面板拉應力，防止了橋面板開裂。由于一般的系桿拱橋主梁為混凝土箱梁，可以張拉預應力，因此拱梁交接處主梁拉應力不是設計的關鍵因素，但是在玉峰橋中，在混凝土橋面板中張拉預應力較為困難，因此采用了釋放拱梁之間彎矩的鉸接的連接方式。

3.教學結合工程實際。以上兩個例子，只是《橋梁概念設計》課程教學當中所舉的眾多例子的一個縮影。為了改變傳統橋梁工程教學時，學生只知其然，不知其所以然的狀況，在《橋梁概念設計》教學中加入了眾多的工程實例，講解出原因，讓學生加深理解，加深印象。例如，在介紹懸索橋抗風問題時，列舉了著名的“塔科馬大橋風毀”事故，并從懸索橋的計算理論發展的角度，解釋了塔科馬大橋發生風毀的背景。在線彈性理論當中，不考慮結構變形對于平衡的影響，因此主梁高度很大；隨著撓度理論的誕生，人們發現主梁的剛度對于懸索橋的整體剛度貢獻不大，最終，從曼哈頓橋到金門大橋，懸索橋主梁高度越來越小。到塔科馬大橋時，主梁高跨比只有1/350，主梁形式為抗扭性能差的雙邊主梁開口斷面，最終導致主梁發生風致顫振破壞。這種結合工程事故發生的理論發展背景的講解思路，讓學生的理解更為深入。

4.整合知識體系。通過一個完整的橋梁概念設計流程，學生明白了本科所學課程在橋梁概念設計中的作用以及各個課程之間的關系，進而達到了整合學生的知識體系的目的；同時，概念設計當中歷史文化、美學訴求方面的人文內涵需要學生提高綜合素質，耐久性、環保以及全壽命設計思想要求學生進一步學習相關知識，從這個角度來說，概念設計也起到了引導學生學習方向的目的。

5.注重學習與實踐相結合。讓學生更深入地理解《橋梁概念設計》，最好的方式是讓學生參與到真實的橋梁概念設計當中。在教師指導下，學生參加橋梁方案競賽是一個很好的方式。從同濟大學橋梁系開設《橋梁概念設計》課程以來，歷屆學生分別參加了廣東省虎門二橋、北京長安街西延永定河橋、北京通州運河區北運河橋和通惠河橋的國際方案競賽。在參與競賽的過程中，學生對橋梁概念設計的流程有了更深入地理解，同時也增強了實踐能力。下面介紹了長安街西延永定河橋梁的概念設計。橋位位于首鋼工業改造區，該區域規劃功能定位為北京西部綜合服務中心和后工業文化創業產業區。橋位北部為被譽為“燕都第一仙山”的石景山，西岸為門頭溝濱水商務區，功能以商業服務，文化娛樂為主。

大橋跨越永定河蓮石湖，該湖注水后，形成湖濱綠色生態走廊。概念設計當中，石景山、永定河和首鋼是不可或缺的三個元素，橋梁應當與這三個元素相互融合，構建出“一山、一水、一橋，一部鋼鐵史”的和諧篇章。①跨徑布置。橋位處控制橋梁跨徑的主要因素有：路線與河道及兩側道路斜交53度；東側跨越豐沙鐵路和東濱河路（紅線寬度40米）；西側跨越河堤路（紅線寬度30米）；河堤處不能設置橋墩。因此，采用東側一跨跨越豐沙鐵路、東濱河路和東河堤，西側采用一跨跨越西河堤及西河堤路，最小跨徑均為120米。河道中橋墩設置不受通航影響，但需要考慮排洪的作用，橋位處上下游橋梁跨徑均為40米左右。②橋型選擇。

橋型選擇考慮結構的外形與周邊環境相符，控制結構的高度，是的結構與石景山和山下的首鋼廠區高度協調，不遮擋永定河自南向北的視覺走廊。根據跨徑布置，梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋都是可行的。③橫斷面布置。橋位處道路規劃紅線寬度為80米，若采用單層橋面布置，橋面寬度約為60米；若采用雙幅橋面布置，橋型選擇限制較多，如采用橫向四片拱肋的拱橋，景觀效果不佳；如采用雙層橋邊，可以使橋寬變為30米左右，同時具有許多優點。非機動車道、人行道和車行道分離，為互通立交的實現提供了很好的條件；雙層橋面的下層人行道、非機動車道可以與東濱河路實現平交，方便了行人。④概念生成圖3創新總體布局的懸索橋效果

（a）效果圖

（b）結構簡圖

圖4玉峰橋與選擇。梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋都是可選橋型，根據上述分析，概念生成了十四個比選方案。從安全適用、結構布置的合理性與經濟性、與環境的協調和美觀、可設計性和可施工性、耐久環保五個方面進行綜合比選打分，最終概念選擇了五跨連續桁架拱橋方案、斜拉橋和梁橋組合方案、斜拉橋和拱橋組合方案，進行下一步的設計。以下為三個方案———錦繡河山（五跨連續桁架拱橋方案）、日月同輝（斜拉橋和梁橋組合方案）、龍鳳呈祥（斜拉橋和拱橋組合方案）的效果圖。⑤概念設計。下面簡略介紹錦繡河山方案極其概念設計。

美學處理方面，五跨連續桁架拱橋方案主梁和拱肋均采用鋼桁架形式，厚實的金屬質感讓人們感受到首鋼改造區曾經輝煌的鋼鐵文化。橋面以上主拱圈的高度近似按照黃金分割比設計，猶如連綿起伏的山巒，突出了錦繡河山的主題。橋頭堡外形也同樣進行了美學優化，參照石景山上寶塔的形象進行了處理。主橋為采用雙層橋面的梁拱組合體系，各跨拱腳均采用固定鉸支座約束。主梁寬度為32.6m，高度為6.5m。上下橋面每隔6m設置一道橫梁，梁高1.5m。采用正交異性鋼橋面板，主梁上吊桿間距為6m。除拱肋的風撐與弦桿，腹桿與弦桿采用高強螺栓連接外，其他鋼構件采用焊接連接。基礎采用鉆孔灌注樁。

永定河大橋概念設計是國際方案競賽，有六家國際知名設計單位的十八個方案參加競爭，最終有六個方案入圍。作者指導學生所完成的三個方案均得以入選。部分競爭者的方案因采用大跨、奇異的造型來標新立異而被淘汰，而學生們所完成的方案思路清晰、考慮的因素較為全面，創新性、經濟性均較好，設計方案外形也比較優美，因此得以入圍。在前面提到的另外兩個國際比賽中，學生們的方案也獲得了第二和第一名。參加比賽既提高了學生的學習積極性，也達到了《橋梁概念設計》的教學目的。

學生反應

本文第二作者作為《橋梁概念設計基礎》課程的學生，也切身體會到了《橋梁概念設計》不同于傳統的灌輸式教學。傳統的橋梁教學思路只重視結構計算，而《橋梁概念設計》重概念、重視原理、重視講解思路，重視用實例說明抽象的問題。這些教學思路對于學生的理解十分有益。同時，提高了創新和美學考慮在橋梁設計中地位，讓聽課的學生認識到，新的橋梁設計理念需要工程師從傳統的橋梁計算工程師轉變到橋梁創新設計工程師甚至是橋梁建筑師，讓其更為重視自身的人文修養和綜合素質發展。

《橋梁概念設計》的學習就是一個橋梁概念設計訓練的過程，本科學習的知識經過梳理后成為了一個體系。在進行本科畢業設計，學生拿到一個橋梁基本信息后，處理更為得心應手。最后，參與方案競賽的實踐幫助學生從理論性的知識當中走出來，進行實際的概念設計操作，加深了學生對概念設計本身的理解，對概念設計流程也更加熟悉。我們國家的橋梁在過去的三十年當中實現了跨越式的發展，但是，這種高速發展的背后也隱藏著很多問題，創新理念不足、橋梁不夠優美以及經濟性能不好是眾多問題中比較突出的幾個方面。

高校學生是未來青年工程師中的骨干力量，是未來橋梁設計的中堅。同濟大學橋梁系率先開展《橋梁概念設計》這一課程，希望能夠通過這門課程，加強學生對橋梁概念構思的重視，將創新思維和美學優化的理念貫穿橋梁設計始終。希望通過這種形式，在橋梁界中倡導一個重視概念設計、重視創新、重視美學優化的氛圍，為中國橋梁的進步貢獻出一份力量。