浅谈桥梁结构体系的变化与创新

王宗伟 李志雷

（1重庆交通大学 400074 2南昌工程学院 330099）

浅谈桥梁结构体系的变化与创新

王宗伟1李志雷2

（1重庆交通大学 400074 2南昌工程学院 330099）

本文总结了桥梁结构体系层次划分，包括桥梁结构功能、桥梁结构形式以及桥梁结构受力特性，并举例说明了桥梁结构形式与主要构件的变化与创新，包括主梁、主拱、塔墩、缆索等。

桥梁；结构体系；变化；创新

0 引言

近年来，人们对于桥梁实用性、力学性能、景观造型等多方面的要求促使桥梁对传统结构体系进行变化、组合。从而促进现代桥梁结构体系的发展、变化与创新，造就了今天丰富的桥梁结构形式。

1 桥梁结构体系层次划分

1.1 第一层次：结构功能

桥梁功能及实用性是最基本的条件，同时也是修建一座桥梁主要目的。桥梁主要功能是供人和物体跨越障碍物如河流、山谷等，是交通网络的咽喉。

1.2 第二层次：结构形式

根据结构形式桥梁结构体系可以分为：梁式体系、拱式体系、斜拉桥体系、悬索桥体系以及组合体系等桥型体系。

1.3 第三层次：受力特性

受力特性包括结构平衡时的内力形态以及结构内部荷载的传递路径。相同桥型体系仍有着千差万别的受力形态。影响结构受力形态的主要因素为结构体系所受的外界约束、内部主要受力构件间的连接方式、主要构件间的受力分配三个方面。

2 结构体系变化与创新

2.1 结构体系创新方式

随着我国经济不断发展，桥梁数量快速增长，建设经验不断丰富，设计和施工也不断成熟，桥梁建设正作为产业在发展。当建设发展到一定程度后，桥梁美学的追求随之兴起，桥梁美学观念和景观需求在桥梁设计中逐渐凸显，各种奇异美观的桥型出现。美学设计竞争越发激烈，我国桥梁设计企业不断创新设计桥型，千姿百态的桥型出现在中国大地之上，城市景观也因各类奇异美观的桥型得到极大丰富。

材料创新与体系创新是现代桥梁创新的主要方面。为满足特定建桥环境条件而对基本桥梁结构体系进行改变、组合而做的创新工作就是桥梁结构体系创新。由于桥梁结构体系的不断创新，各种各样的桥梁结构体系诞生出来。创新包括技术创新、理论创新，两者是相辅相成的。就目前的桥梁发展阶段来看，工程师们所面临的问题就是如何创造出新型桥梁。通常桥梁结构体系的创新思路主要有三种：直观方式创新、间接方式创新、分解或重组创新。

直观方式创新是通过对现有结构形式直接做一些比较直观的改变，以改进结构体系，同时使结构外观呈现美感，并且结构的受力更加合理；间接方式创新是一种更加开阔的思路：一种是传统的渐变革新，由一种最初的形式渐变成现在的或是将来的形式；第二种是借鉴革新方式，创新的很多思路都来源于生活，生活中许多事物和技术是值得人们去研究借鉴的，将他们运用到设计中也可以完成一种创新。分解或重组创新就如同化学中仅发生物理变化而没有发生化学变化的分解、合成作用一样。在桥梁设计中，传统结构体系是有限的，新型的、实用的结构体系也较难以开发。然而，仍然可以在这些基本体系的基础上加以分解或组合设计，产生许多创新的设计，这种方法研究结构体系的基本组成并将他们重新组合，从而产生一个新的结构。

2.2 结构体系分解与重组实例

广东省虎门二桥，是融合斜拉桥和悬索桥于一体的超长跨径桥梁。与单一的悬索桥或斜拉桥相比具有优势：相比斜拉桥，可减小锚碇规模，大大减少修建锚碇的造价与风险；斜拉桥部分选用混凝土梁，进一步减少桥梁造价；静力方面可以提高桥梁刚度；动力方面则可以提高抗风能力。与斜拉桥相比，可以减小索塔高度，从而降低造价；静力方面减小主梁轴力；动力方面减小施工最大悬臂，增加其抗风稳定能力。

广东省肇庆金马大桥，是斜拉桥与刚构桥、梁桥的组合协作的创新结构体系形式。斜拉桥外索与主梁的夹角是设计的控制参数，夹角过小，将影响索的支撑效率。因而当塔高受到限制时斜拉桥的跨径就被限制。但是，如果能将引桥端伸出的悬臂梁桥或刚构桥与之相连就能避免斜拉索的倾角过小并增大桥梁跨径，从而形成斜拉桥与悬臂梁桥或刚构桥的组合体系。

瑞士Sunniberg桥为部分斜拉桥。当连续梁跨径增大，主梁抗弯不足不能承担全部荷载时，增加梁高不仅会使材料用量增加，还会使主梁梁高增大，外形笨重，还有可能阻碍航运。用辅助的索塔与主梁在墩顶固结，用斜拉索承担部分荷载可以起到良好效果。这样可使主梁轻薄，景观良好；部分斜拉桥与传统斜拉桥相比主塔矮，称为矮塔斜拉桥；具有较长中边跨无索区，塔墩固结弥补刚度上的不足；斜拉索恒载作用下应力变化幅度较小，可采用较低的设计安全系数。

湘西四桥是斜拉飞燕式系杆钢管混凝土拱桥，是斜拉桥与拱桥的完美组合。由于拱桥的施工常需要临时索塔和斜拉索对拱圈提供支撑，省去临时构件的拆除工序能缩短施工周期，并能充分利用各构件，可以将施工用的索塔和斜拉索作为永久构件保留下来。该桥型集拱梁索于一体，这种桥梁在一定程度上使得拱桥和斜拉桥两种桥型相互补充，斜拉索协助受力，可起到调节拱肋轴线、改善结构刚度、减少拱肋推力的作用。

重庆菜园坝长江大桥为拱桥、刚构桥和梁桥的组合协作。若采用全钢结构的大跨度中承式拱桥造价昂贵，且拱角靠近水面，易于发生腐蚀，影响结构耐久性。菜园坝长江大桥采用组合式的系杆拱和三角刚构体系，三角形的刚构混凝土拱脚充分利用混凝土材料的抗压性能；结构从复杂的形式分为简单的三个独立子结构，受力、设计和施工都得到很好的优化。

3 主要受力构件的变化与创新

桥梁的创新不仅仅体现在结构体系上，也体现在受力构件上。

3.1 主梁的变化与创新

为提高侧向刚度和气动性等结构特性，对主梁的截面进行创新和改进。如西堠门大桥的横截面采用分离式的钢箱梁来增加桥梁的侧向刚度和气动性。

3.2 主拱的变化与创新

主拱的创新可美化结构、改善拱桥稳定性与动静力特性等。化整为零可以减轻桥梁自重并方便结构施工；斜靠提篮式主拱可以提高结构的整体刚度与稳定性，同时也对桥梁的美观做出很大的改善。

3.3 塔墩的变化与创新

最简单的是独塔形式，之后为达到适应双索面、提高侧向刚度、减小承台体量和尺寸等目的，桥塔经过了H形桥塔、门式框架桥塔、倒V形桥塔、A形桥塔、花瓶式桥塔等的优化创新，这是对于结构合理受力形式的追求，近年来桥塔在美学方面的追求也是越发高涨，各种倾斜式桥塔、异形桥塔也丰富了桥塔的形式外观。

3.4 缆索的变化与创新

缆索的变化与创新也是对结构受力体系和外观美学追求的结果，拉索的变化与创新与索塔的关系较大，可以协调两者整体考虑。追求结构受力优化，进而产生部分地锚斜拉桥；对于多塔斜拉桥，为保证中间桥塔刚度，而设置塔顶水平拉锁、从塔顶到相邻塔底部拉锁、相邻索塔的拉锁在主梁跨中处交叉；独塔斜拉桥也可以通过不同的拉锁的空间体系布置来增大其抗风稳定性。

构件尺寸与约束连接同样也有着不同程度的变化与创新。当主要受力构件的尺寸从量变达到质变时，还可以形成新的结构体系，与原结构相比形态呈现较大的差别。

4 总结

梁索组合、以梁为主的组合结构桥型有着很强的竞争力，是新桥型的重要发展方向。新材料性能的提升是桥梁技术的重要原动力，轻质、高强是桥梁复合材料技术革新的重要方向。计算机技术的进步、仿真数值模拟和虚拟现实技术等，使桥梁设计精细化。桥梁创新有其发展过程，不必一味求大求奇，应从量变到质变。桥梁创新的重要性不言而喻，但是要使桥梁创新产业化，则需要一个推动创新的体制制度，在这个制度体系进行可持续创新。

[1]王美,李盼到,邱文亮,王新山.跨座式单轨交通桥梁结构体系研究[J].世界桥梁,2016,(03):63-68.

[2]赵秋,陈宝春,郭智勇,陈美忠.新月形拱-连续梁组合桥梁结构体系试验研究[J].土木工程学报,2015,(S1):8-14.

[3]肖汝诚,陈红,魏乐永.桥梁结构体系的研究、优化与创新[J].土木工程学报,2008,(06):69-74.

[4]高玉洁,张义.重庆新建组合结构体系桥梁的特点和创新[J].黑龙江科技信息,2010,(06):214.

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1007-6344（2017）10-0014-01

第一作者：王宗伟(1994—)男，汉族，湖北省襄阳市人，在读硕士研究生，单位：重庆交通大学，研究方向：桥梁养护。

第二作者：李志雷(1996—)男，汉族，江西省景德镇市人，在读本科生，单位：南昌工程学院，研究方向：土木工程。