对一种新型拱桥结构的美学分析及内力特性研究

2003年6月四川建筑科学研究

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对一种新型拱桥结构的美学分析及内力特性研究

李　丽,李　乔

(西南交通大学土木工程学院,四川成都　610031)

摘　要:针对近年出现的一种新型的拱结构———异型拱桥,从美学观点探讨了其造型特点,论述了其用于城市桥梁的可行性,结合有限元数值计算分析了其受力特性,研究了其在吊杆斜率、矢跨比变化时引起的内力变化规律,得出一些有益的结论。综合美学特征讨论了其用于桥梁结构的工程实践,对推动结构学与建筑学的结合有一定的推广作用。

关键词:异型拱桥;系杆拱;桥梁美学;结构分析

中图分类号:TU026　　　文献标识码:A　　　文章编号:1008-1933(2003)02-0107-03

1　前言

横梁传给吊杆,再由吊杆传至主拱结构,最后经由系梁支座传力至下部结构;主拱的水平推力则由系梁承担,并不传给下部结构。其次,系梁和拱圈均有一定的刚度,共同承受荷载,亦即都承受轴向力和弯矩。系梁和拱肋端部刚性连接,结构为外部静定、内部超静定结构。就异型拱桥本身而言,由于斜吊杆的水平分力作用,使得不仅在拱圈,而且在系梁与斜吊杆相接的部位,都将产生轴力的突变现象。系梁轴力将“节节变大”,其中拱头(较陡侧)处系梁轴力值较小,拱尾

(较缓侧)处系梁轴力较大。当拱顶倾出桥跨以外时,系梁拱

随着社会的进步和生产力的迅速发展,桥梁结构已不单单是为了满足实现其跨越沟壑和障碍这一最基本的功能要求,人们对于桥梁美学给予了空前的重视,对造型的美观效果提出了越来越高的要求。近年来,新材料、新工艺的应用和普及,更为桥梁造型的日益丰富多彩和桥梁美学要求的实现提供了便利的条件。本文介绍了一种新型的异型拱桥,它不同于通常吊杆竖直的系杆拱桥,而是将全部吊杆按照一个斜率布置,其拱轴线为一种偏态曲线的系杆拱桥,这种异型拱桥不仅具有通常的系杆拱桥所具备的受力合理、构造简洁、易于施工的特点,还有自己独特的美学造型优势。虽然国内已经建造了数座异型拱桥,文献[2]仅定性地给出了异型拱的概念及实桥设计,文献[4]则对其力学特性以及各几何参数的变化对其内力的影响规律作了更深一步的研究。本文试图从美学的观点讨论其适用于城市桥梁的可行性,并对其内力特点做了理论分析,最后结合数值计算算例验证了理论分析的结果,可为今后的研究和设计工作提供参考依据。

2　异型拱桥的结构特性及受力特点211　异型拱桥构思特点

头处还将出现压力,这是异型拱桥受力的独特之处。

3　工程实例介绍和美学效果讨论311　工程实例简介

根据作者所掌握的资料,目前国内已建的异型拱桥共有

5座,全部为城市桥梁,对美观效果的要求较高。实践证明,

建造于城市中的异型拱桥,在保证结构经济合理的条件下,造型美观,能够取得较好的美学效果。

这5座桥的概况如下:

(1)安阳市东风桥[5]　采用双跨异型拱桥整体布置成对

称形式,计算跨径2×55m,矢跨比1/4,吊杆斜率1125∶1(高∶水平投影长度,下同),吊杆间距4m。建成后的照片如图2所示。

(2)哈尔滨宽城桥　跨径36m,由3片独立拱架组成的

异型拱桥将普通下承式拱桥竖向布置的吊杆斜向布置,推导出在拱圈自重和斜向吊杆力作用下的合理拱轴线方程。由于斜向力的作用,拱轴线线型自然偏向一边,形成偏态不对称的曲线,这就是异型拱称呼的由来。在吊杆力作用下分析拱的压力线形状,可把拱形反转过来成索形,竖直力作用下为对称曲线,根据荷载的分布

图　1

异型拱结构拱矢高中拱为10m,两边拱为7m,如图3所示。

(3)哈尔滨动物园1#桥　计算跨径30m,宽517m,拱

矢高815m,吊杆斜率0167∶1,拱顶倾出拱跨之外,拱肋系梁均为钢筋混凝土结构,如图4所示。

(4)沈阳新开河异型拱桥　该桥造型类似于安阳东风

桥,主跨双孔对称,跨径2×20m,拱矢高511m,桥宽18m,吊杆斜度75度。

(5)北海市北海大道西路立交桥　跨径为2×36m,矢收稿日期:2002207212

),女,安徽砀山人,博士研究生,主要从事作者简介:李　丽(1975—

桥梁结构行为及大跨度桥梁抗风研究。

情况,可推导出抛物线或

悬链线索形;斜吊杆传力作用下,索形自然偏向一边,形成偏态曲线,即异型拱压力线或合理拱轴线,如图1所示。212　结构的受力特性分析异型拱桥采用无推力的梁拱组合体系,大类上仍属于系杆拱结构,保留有系杆拱的结构特点。首先,桥面荷载通过

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跨比采用1∶4,桥宽36m。

四川建筑科学研究

具有强烈的功能美。

31213　技术美之第三要素———与环境的协调

第29卷　

桥梁与周围的环境存在于空间之内,并被组合在风景的总体图像之中,不仅需要桥梁具有本身的技术美,还要求与周围景观或整个环境协调。异型拱桥的造型独特、突出,适

312　美学效果讨论

合在建桥地点平坦开阔时作强调处理,让桥梁成为周围环境的主景,也比较容易取得视觉上的平衡。几座实桥采用强调法处理,均取得了较好的效果。哈尔滨动物园1#桥(如图4所示)采用异型拱桥造型,形成“巨鲸”的形象,又象一只大鸟浮卧于河上,为动物园再添一处胜景。

4　结构体系力学特性数值计算

从桥梁建筑的基本规律出发,人们提出“实用、安全、经济、美观”的原则。这实质上体现了:(1)在保证安全使用条件下的功能;(2)精神和美感方面的美学造型;(3)以必要的物质技术手段来达到前述两个条件的经济性。因而,桥梁美学与桥梁技术是紧密联系、不可分割的,这就形成了除艺术美、自然美之外的技术美。“所谓技术美,是基于从非美动机出发所造成的技术产物,通过功能造型转化为美而形成的,

[6]其根本则在于具备满足工程条件的形态。”而构成桥梁技

异型拱桥属外部静定、内部超静定的结构,单跨呈不对称状态。为确切了解结构的内力特征,本文应用西南交通大学编制的桥梁结构分析系统软件BSAS程序,对一20m跨径、7吊杆,吊杆间距为215m的异型拱结构的各种工况进行数值计算,分别得出了异型拱桥受吊杆斜率和矢跨比变化的影响。通过对计算结果的分析,归纳出定性的结论。

图6所示为一异型拱结构的恒载内力图,由此可看出异型拱既具备通常系杆拱拱脚承受负弯矩、拱顶承受正弯矩的规律,又有自己的特点,即由于斜吊杆的水平分力作用,各节段间有轴力突变现象,系梁轴力呈现“节节变大”的趋势。

术美的3个基本要素,即是形式美、功能美以及与环境的协调。

31211　技术美之第一要素———形式美

拱桥本身能给人一种强劲的力度感,作为世界桥梁史上应用最广泛的一种桥梁体系,以其明显合适的外形使人们觉得美。异型拱保持了一般拱桥的美学特点,既能打破对称的限制,在整体比例上产生独特的动感效果,又能以多跨的组合形成沿河中心线对称的结构,为人们提供了更大的选择余地。为提高形式美,结构各部分相互之间的尺寸取得平衡是非常重要的。异型拱桥为桥跨造型组合提供了较大的选择空间,图5所示为多孔桥跨组合的造型比较。异型拱的组合使画面富有动态变化,改善了通常吊杆竖直的正型拱组合重心离散的缺陷,并可根据美的比例协调法则进行结构重心的调整。因此,异型拱具备了形式美特点,同时,其强烈的动势效果使其在形态上产生了栩栩如生的生命感。

图5　正型拱和异型拱桥多孔桥跨组合造型比较

31212　技术美之第二要素———功能美

图6　i=1.25,f/L=1/4异型拱结构恒载内力

桥梁不仅需要空间构成的形式美,而且需要能明显看出其功能。形式美着眼于空间构成的形式,而功能美则重在研究组成空间结构的各个构件断面的相互关系,以及构件在抵抗外力时所体现的力的紧张感等表现手法。凡经济合理的桥梁,即便在外观上是静态的,其内部也遵循着力学原理,各部分均紧张地发挥着抵抗外力的作用。异型拱的结构是合理的,它保持了一般系杆拱的基本力学结构特征,拱轴线为荷载的压力线,充分发挥拱圈材料的抗压特性,受拉的斜吊杆可采用高强钢筋。汽车荷载由桥面系梁传给斜吊杆,再由斜吊杆传给拱肋,拱肋产生的推力由系梁承担,整个上部结构的荷载由桥墩和桥台传给基础,因而其结构是经济合理的。一跃而过的拱肋蕴藏着明快的力的紧张感,使异型拱桥

不同吊杆斜率同样会引起结构内力的变化。通过计算矢跨比f/L=1/4,吊杆斜率分别为110∶1,1125∶1,115∶1时的异型拱桥结构内力,表1给出了异型拱的恒载内力以及以吊杆斜率为1125∶1时的结构内力为基数的内力比值。

由表1数据可看出,随着斜率的增大,拱肋和系梁弯矩有所减小,且全梁弯矩值呈减小的趋势。拱肋弯矩有所减小,分布趋于均匀。轴力的变化有大有小,表现为最大值减小,最小值增大,差别趋于减小。

对拱结构受力有重要影响的另一个重要的参数是拱结构的矢跨比,表2给出了吊杆斜率i=1125,在其余条件不变的情况下,矢跨比分别为f/L=1/3,1/4和1/5时的系梁、拱肋恒载内力比值,同时给出了以矢跨比1/4时的结构

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内力为基数的内力比值。

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弯矩略增大,其中以拱肋部分弯矩变化幅度较大;轴力随矢跨比的减小而增大,幅度更大,拱肋部位可达20%以上,系梁轴力增幅可达50%以上。

1.25∶1

1.5∶1

由表2数据比较可看出:矢跨比对恒载引起的结构内力影响很大,矢跨比减小时,拱肋的弯矩有所减小,系梁拱头端

1.0∶1

表1　恒载作用下结构内力的比值

斜率i系梁　M　　　N拱肋　M　　　N

数值

343/158941/157-343/285-1133/-485

比值

1.05/1.021.1/0.651.18/1.21.07/0.94

数值

326/155859/243-291/232-1058/-514

比值

1/11/11/11/1

数值

280/189831/303-281/206-1047/-532

比值

0.86/1.20.97/1.250.96/0.890.99/1.03

注:数值栏斜杠两端为结构内力的最大值/最小值,比值栏斜杠两端值分别是以i=1125为基数的相应最大值之比和最小值之比。表中轴力以拉为正、压为负。

表2　恒载作用下结构内力数值及以f/L=1/4为基数的比值

矢跨比f/L系梁　M　　　N拱肋　M　　　N

1/3

1/4

1/5

数值

331/122740/90-380/303-978/-402

比值

1.02/0.780.86/0.371.22/1.310.92/0.78

数值

326/155859/244-311/232-1058/-514

比值

1/11/11/11/1

数值

293/194993/382-282/206-1172/-639

比值

0.9/1.251.15/1.560.91/0.891.11/1.24

注:数值栏斜杠两端为结构内力的最大值/最小值,比值栏斜杠两端值分别是以f/L=1/4为基数的相应最大值之比与最小值之比。表中轴力以拉为正、压为负。

5　结语

小,内力分布呈逐渐均匀的趋势。参考文献:

[1]　中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计规范(合订本)[S].

通过实桥建造效果以及对各种情况下的结构内力的计算和分析,可得到下述结论:

(1)异型拱桥完全具备桥梁建筑审美之技术美的诸要素,造型美观,构造简洁,可结合环境进行组合变化,非常适合于城市桥梁对于美学的要求。对于进一步推动结构工程与建筑美学的结合具有较好的效果,同时实桥的建设实践也表明了其为城市桥梁的选型扩大了选择空间。

(2)异型拱桥系梁轴力由于斜吊杆的水平分力作用,各节段轴力不等,有“节节变大”的现象,这是异型拱桥的独特之处。这种受力特点有利于采用单端张拉的预应力系梁,使预应力损失的递减方向与系杆轴力之递减方向吻合,可使结构更为经济合理。

(3)异型拱桥对矢跨比的改变比较敏感,矢跨比减小时,结构的弯矩有所减小,轴力值有所增大;随着吊杆斜率的增大,异型拱结构内力最大值减小、最小值增大,差别逐渐减

北京:人民交通出版社,1989.

[2]　王玮瑶,李生智,等.异型系杆拱桥[J].中国公路学报,1996,9

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比较[J].华东公路,1999,(4).

Aestheticanalysisandmechaniccharacterstudy

ofanewtypearchbridgestructures

LILi,LIQiao

(CivilEngineeringSchool,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu　610031,China)

Abstract:Fromthepointofaesthetic,thecharactersofaspecial2shapearchbridgeandit’sfeasibility

usinginthecitybridgesarediscussed.Itsmechanicscharactershasbeenstudiedthroughnumberingtheexampleswithfiniteelementprogram.Also,thevarietylawofspecial2shapearchbridge’sinternalforceisanalyzedwhenthesuspendersslopeandtherise2spanratioarechanged.Inthelightofanalysis,someconclusionsareobtained.Thebridgeconstructionconsideredtheaestheticspurposeisvaluableinthecombinationofstructureengineeringandarchitectonics.

Keywords:special2shapearchbridge;tiedarchbridge;bridgeaesthetics;structureanalysis

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