桥梁的结构形式和美学发展

　　摘要：从桥梁的结构体系及其受力特点总结了桥梁的主要结构形式；论述了桥梁美学的基本原则；结合具体桥梁结构形式，探讨了桥梁美学实现方法。
　　关键词：结构形式造型美基本原则实现方法
　　
　　随着科学技术的进步，工业水平的提高，桥梁建筑技术得以迅速发展。千里江面上的座座跨江大桥、现代高速公路迂回交叉的立交桥、高架桥和城市高架道路，以及更长的跨海湾、海峡大桥，城郊高速铁路桥与轻轨运输高架桥等，犹如一条条“彩虹”使得天堑变通途，涌现出多种桥梁结构形式。桥梁建成之后，与当地自然环境、人文环境共同构成一处景观，具有时代的特征。
　　
　　1桥梁的结构形式
　　从桥梁的结构体系及其受力特点来看，现代桥梁可划分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥。
　　1.1梁式桥
　　梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构。由于外力的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，故与同样跨径的其他结构体系相比，梁内产生的弯矩最大，通常需用抗弯能力强的材料（钢、木、钢筋混凝土）来建造。目前在公路上应用最广的是预制装配式的钢筋混凝土简支梁桥。这种梁桥的结构简单，施工方便，对地基承载能力的要求也不高，常用跨径在25m以下。当跨度较大时，需要采用预应力混凝土简支梁桥，跨度一般不超过50m。为了达到经济、省料的目的，可根据地质条件等修建悬臂式或连续式的梁桥，对于很大跨径，以及对于承受很大荷载的特大桥梁，除建造使用高强度材料的预应力混凝土梁桥外，可建造钢桥。
　　1.2拱式桥
　　拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。拱在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力，同时，此水平推力将显著抵消荷载所引起的拱圈或拱肋内的弯矩作用。因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩和变形要小得多。鉴于拱桥的承重结构以受压为主，通常就可用抗压能力强的圬工材料（如砖、石、混凝土）和钢筋混凝土等来建造。拱桥的跨越能力很大，在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。同时应当注意，为了确保拱桥能安全使用，下部结构和地基必须能经受住很大的水平推力的不利作用。
　　1.3刚架桥
　　刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构，梁和柱的连接处具有很大的刚性。在竖向荷载作用下，梁部主要受弯，而在柱脚处也具有水平反力，其受力状态介于梁桥与拱桥之间。当遇到线路立体交叉或需要跨越通航江河时，采用这种桥型能尽量降低线路高程，以改善纵坡并能减少路堤土方量。
　　1.4悬索桥
　　传统的悬索桥（又称吊桥）均用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构。在竖向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受很大的拉力，通常就需要在两岸桥台的后方修筑非常巨大的锚碇结构。悬索桥也是具有水平反力（拉力）的结构。现代的悬索桥上，广泛采用高强度的钢丝成股编制的钢缆，以充分发挥其优异的抗拉性能，因此结构自重较轻，能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无与伦比的特大跨度。悬索桥的另一特点是：成卷的钢缆易于运输，结构的组成构件较轻，便于无支架悬吊拼装。我国在西南山岭地区和在遭受山洪泥石冲击威胁的山区河流上，以及对于大跨径桥梁，当修建其他桥梁有困难的情况下，往往采用悬索桥。然而，相对于梁式桥和拱式桥而言，悬索桥的自重轻，结构的刚度差，在车辆动荷载和风荷载作用下，桥有较大的变形和振动。可以说，整个悬索桥的发展历史，是不断研究和克服其有害的变形与振动的历史，亦即是争取其结构刚度的历史。
　　1.5斜拉桥
　　斜拉桥由斜索、塔柱和主梁组成。用高强钢材制成的斜拉索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。这样，跨度较大的主梁就像一根多点弹性支承（吊起）的连续梁一样工作，从而可使主梁尺寸大大减小，结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又大幅度地增大桥梁的跨越能力。此外，与悬索桥相比，斜拉桥的结构刚度大，即在荷载作用下的结构变形小得多，且其抵抗风振的能力也比悬索桥好。
　　
　　2桥梁的美学原则
　　
　　对于桥梁而言，在结构造型设计方面，应符合造型美的基本原则：
　　2.1和谐统一
　　协调与统一，主要指两个方面：一是作为桥梁结构物，它和桥位处的自然景观和附近的人工建筑物一起，处在人们的生活的空间中，故要求桥梁建筑造型要达到与环境的协调；二是桥梁建筑本身，具有若干的组成部分，其各自的功能和造型不同，这种差别和变化，必须在和谐和秩序中得到有机的统一，否则不是呆板单调，便是杂乱无章，也就不能唤起人们的美感。
　　桥梁结构造型上，首先要注意各结构部分的协调统一，一般来说，要在结构体系、结构形态及体量上保持协调，如我国建造的许多优美的拱桥，其主拱与腹拱就是交替出现，互相呼应，给人留下和谐优美的感受。
　　2.2主从分明
　　在由若干要素组成的整体中，每一要素在整体中都占有一定的比重和地位，形成主次分明的内部关系。桥梁建筑也是一样，从功能特点来看，有主体和附属之分；从结构受力体系来看，有主要受力构件和次要受力构件。主桥与引桥、主体与附属存在的这种主从差异，正好构成了桥梁建筑的差异变化与对立统一。
　　2.3比例协调
　　和谐的比例与尺度是建筑形态美的必要条件，几乎所有的美学家和建筑学家都认为比例在建筑艺术中至关重要。桥梁的比例尺度应充分考虑桥体各部分之间的关系，建筑本身与用途的关系，建筑与周围环境的关系。如城市一般桥梁，应兼顾其整体与局部和人体的尺度关系，给人以真实、亲切、自然的感受。纪念性的桥梁建筑则可突出其力量与雄伟，给人以崇高感。大跨径桥梁的建筑空间宽广，桥梁应该选择长大高的尺度，以构成壮观磅礴的气势。园林中的桥梁处于特殊的环境，往往采用曲廊、低栏、小跨的布置，给人以曲径通幽、错落有致的美感。
　　
　　3桥梁的美学实现
　　
　　美的桥梁设计必须自然、简洁、新颖，与周围环境协调，相得益彰。
　　3.1梁桥
　　梁桥的形态特征是水平方向单维突出，具有很强的沿水平方向左右伸展的力动感与穿越感。但随着跨度的不断增加，梁体各个部分体量增大，因此比例选择、构件配置以及与周围环境的协调等在桥梁艺术表现方面都极为重要，也是梁桥设计美学处理上的难点。可从上部结构、下部墩台以及上下部之间的比例搭配等几方面进行美学设计。梁桥美学设计的重点是主梁形态的纤细、轻巧、连续流畅。对于等高度梁，纵向控制因素是跨高比；对于变高度梁，桥面竖曲线、梁底曲线、跨中与支座位置梁高比等因素影响桥梁立面效果。总之，可通过改变主梁的长细比来体现梁桥的形态。但实际长细比常常由于技术上或经济上的原因而受到限制，此时可设法改进主梁断面造型，以达到使桥梁形态看上去比实际更纤细轻巧的目的。如将箱梁外侧腹板做成倾斜形成倒梯形断面，将梁的侧面改变为曲面的流线型式，避免了梁底出现棱边，也意味着梁高渐渐隐去，不仅视觉柔和优美，增加了纤细轻巧感，而且增强了抗风性能。
　　3.2拱桥
　　拱桥以其气势恢宏，美如彩虹而历来受到人们的青睐。它的美在于优美的主拱曲线孕育着强大的力量，产生着一跃而过的力动感与跨越感，加上柔美拱曲线与直线形的梁柱、杆结合，呈现出刚柔并济、韵律优美的绰约丰姿。主拱形态是拱桥美的最重要因素。矢跨比与拱轴线方程决定了主拱形态。圆弧拱主要适用于小跨径拱桥，形态简洁柔美，宁静稳定；抛物线拱与悬链线拱是大中跨拱桥普遍采用的拱轴线型，抛物线拱力动感强，悬链线拱则更趋向自然和谐。
　　3.3缆索承重桥（斜拉桥与悬索桥）
　　斜拉桥与悬索桥同属缆索承重桥，在景观特征上有共同之处。与梁桥相比，结构上增加了塔和索的构造，在空间构图上对单维突出的水平大梁起到了协调比例的作用，主梁、桥塔、拉索等构件的形式和组合可有多种形态选择，设计自由度大大增加，有利于大胆构思与创新。大跨度斜拉桥从整体感觉上也和悬索桥一样，由于其巨大的规模与高耸的主塔起到了象征性标志作用，产生着震撼人心的魅力，具有强大的生命力。尽管如此，斜拉桥与悬索桥在视觉印象和美学感受上还有很大不同，悬索桥是以柔美的主缆曲线为基调的，而斜拉桥是以直线的刚性为基调的，它由直线塔、索、梁构成更为简洁、稳定的三角形几何形态，充分体现了高速度、高节奏的时代感，因此成为现代最为流行的桥型之一。而悬索桥是桥梁家族中当仁不让的最大跨径桥型，气势磅礴，无与伦比。其高耸的主塔、粗壮的主缆、强劲的大梁将很大的空间一跨而过，构成宏伟壮观的景观形象。美国的金门大桥被世界桥梁专家称为“桥梁工程的一颗璀璨明珠”。
　　
　　4．结语
　　未来的桥梁发展方向是：新型、大跨、轻质、灵敏和美观。因此，桥梁工程师除了深入学习结构计算理论，还需要更好的理解桥梁美学的知识，为建造出具有较强的生命力且能流传于世的桥梁而努力奋斗。