8国外桥梁设计理念和典型示例介绍(陈艾荣)
大桥寿命的理性与科学——全国大型桥梁工程耐久性技术发展研讨会侧记

养护。 但随 着科技 的发展 和观 念的更 新, 桥梁预 防性养 护的需 求将不 断增
加 , 此 同时 , 加 专业 化 的公 司 和 组 与 更
其 中, 耐久性 设计 是桥梁 性能 设 计 的一部分, 目的是确保桥梁在其寿命 周期 内能够 良好地发挥性能 。 然而, 现 行 的混 凝土 耐久性试 验方法并不能满 足实 际工程 的需要 , 一是试 验 设备 昂 贵, 二是试验 周期 较长 。 因此, 这其实 是一 个设 计问题 , 而不仅仅是 选择 哪
员。
一
桥 等, 还有许多正在建设的桥 梁, : 如 泰州长江大桥、 珠澳大桥 等, 港 刷新了
一
项项世界纪录。
同济大学桥 梁工程系教授 陈艾荣 提 出, 除了扩大桥梁 跨径以外, 我们还 需要思考更多的问题 , 比如 : 桥梁 的耐 久性、 持续性和安 全性等。 与此 同时, 将这 些 “ 理念” 过 “ 通 技术”的手段转 变为 “ 工具” 。 桥梁 的寿命周期 理论被讨 论了多 年, 该理论起源于欧美, 主要是针对桥 梁的维修与优化 , 周期的概念一般 只考 虑桥梁的管养阶段。 那么, 如果将设计 和施 工过 程包 含其中, 梁的寿 命周 桥 期理论将会变得更为复杂 , 而这正是我 们需要思考的问题 。
有 限 公 司承 办 , 引 了来 自全 国 各地 桥 吸
在 为期3 天的会 议中, 国际桥 梁 与 结 构工 程协 会主席 康 宝特 , 中国工程
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工 程 项 目, : 海 卢 浦 大 桥 、 庆 朝 如 上 重 天 门 大桥 、 州 黄 埔 大 桥 、 苏 苏 通 大 广 江
陈 艾 荣 教 授 认 为 , 命 周 期 的设 寿 计 不能 也 不 是单 纯 的数 字 , 工程 师才是
设计之美-桥

Bixby Creek大桥(大苏尔,加利福尼亚州,美国)
渴望之桥Bridge of Aspiration (Covent Garden, 英国伦敦) 这座位于柯芬园Covent Garden,连接皇家芭蕾舞学院Royal Ballet School与皇家歌剧院Royal Opera House的渴望 之桥Bridge of Aspiration,是建筑师Wilkinson Eyre Architects所设计的皇家芭蕾舞学院的一部分,也是一般民众在 大街上就欣赏得到的建筑小品。整个皇家芭蕾舞学院的设计,还曾经在2004年得到英国皇家建筑师协会RIBA的设 计大奖,灯光设计更是由英国赫赫有名的灯光设计团队Speirs and Major Association所操刀,利用内发光之二极体 制造出柔和优雅的夜间景致,但不会对行人造成压迫,而且可以由街道上看到芭蕾舞者掂着脚,优雅穿梭于「学院」 与「现实」间的剪影。这座桥梁连接了两栋建筑物不同的楼层,利用23个轻量的铝合金方框作为骨架,每一个相邻 的方框皆旋转4度,由这一端到另外一端,足足将整个骨架旋转了90度,而且逐渐增加高度以连接不同高差,非常 轻盈、巧妙、且低预算的设计。
美国创意桥梁设计方案

美国创意桥梁设计方案引言桥梁作为现代城市的重要基础设施之一,在人们出行和货物运输方面起着关键作用。
它们既是通行工具,也是城市建设的标志之一。
然而,在如今追求创新和可持续发展的背景下,传统的桥梁设计需要更多地注重创意和可持续性。
本文将探讨一种全新的创意桥梁设计方案,旨在为美国城市的交通和城市形象注入新的活力和美感。
设计理念本桥梁设计方案的核心理念是将创意与可持续性相结合。
桥梁不再仅仅是单调的交通工具,而是成为城市形象的设计元素和人们欣赏的艺术品。
设计师将桥梁打造成一种交通纽带的同时,也是城市中心的文化中心,使其在交通效率和艺术价值方面都能得到最大化的发挥。
结构设计创意桥梁的结构设计采用了全新的材料和工艺,以提高环境适应性和可持续性。
设计师可以选择使用可回收材料,如玻璃纤维增强塑料和轻型钢材,以减少对环境的影响。
另外,结构设计也应减少不必要的损耗,并提高桥梁的抗震性和耐久性。
桥梁美学创意桥梁设计方案将重点放在桥梁的美感上,并通过精心设计的灯光、雕塑和艺术装置等元素,为城市增添了独特的魅力和风景。
桥梁的设计应当体现城市的特色和文化,以吸引游客和市民前来欣赏和体验。
此外,利用可再生能源,如太阳能和风能,为桥梁提供照明和动力,实现可持续的电力供应。
桥梁功能创新在传统的桥梁设计中,功能仅限于交通运输,但在创意桥梁设计方案中,功能的创新将被强调。
设计师可以将桥梁与休闲娱乐设施结合,例如设置步行道、自行车道和观景台,以便市民和游客能够在享受美景的同时进行休闲活动。
此外,桥梁也可以作为公共空间的一部分,为公众提供举办活动和集会的场所。
环境友好创意桥梁设计方案将注重环境友好性。
设计师可以考虑在桥梁上种植植物,以提供清新的空气和美丽的绿色景观。
此外,设计师还可以设置雨水收集系统,将雨水用于灌溉和公共设施。
通过这些环保措施,创意桥梁不仅能够减少环境污染,还可以为城市提供更可持续的生态环境。
社会影响创意桥梁设计方案不仅能够提升城市的形象和美学价值,也对社会产生积极的影响。
桥梁结构艺术认识、创造与评价

桥梁结构艺术:认识、创造与评价陈艾荣盛勇同济大学桥梁工程系,上海 200092摘要:桥梁作为公共建筑物,以其实用性、巨大性、固定性、永久性和艺术性极大的影响并改变了人类的生活环境。
本文首先从美学的角度,讨论了如何认识桥梁的美,然后从技术层面阐述了桥梁的造型设计方法,以及如何进行桥梁造型的评价。
作者认为,桥梁作为结构艺术,其美是可以通过技术的手段来得到的。
1桥梁美的认识爱美是人的天性。
自古以来,人类在为生存而斗争的过程中,追求美,认识美,创造美,展现美。
桥梁作为公共建筑物,是人类根据生活和生产发展的需要,利用所掌握的物质技术手段,在科学规律和美学法则支配下,通过精心设计而创造出的人工构造物,是人文科学与工程技术相结合的产物。
桥梁以其实用性、巨大性、固定性、永久性和艺术性极大的影响并改变了人类的生活环境。
在桥梁美的认识中,应注意以下美的属性:美的客观性:美作为一个存在是客观的,其客观基础具体是指其形态,材料,结构,技术和功能等;美的主观性:美与丑的判断是与审美主体的主观意识紧密相联系的;美的相对性:美是主客观的统一,主观、客观因素的变化必然导致审美观念的变化。
也正是因为美的相对性,才有桥梁的千姿百态,才能有丰富的美的感受;美的社会性:美具有相对性,并非没有一定标准。
不能引导到绝对的相对主义,认为美没有一定的标准。
可以仁者见仁,智者见智,但不能否认美的社会性,即一定时期内,一定社会里,有较统一的,能为社会公众普遍接受的审美标准。
如文艺复兴时期,西方桥梁以繁琐的装饰为美,而20世纪末则普遍倾向于简洁明快、纤细流畅。
但无论如何,多样统一、比例和谐、均衡稳定、韵律优美等仍不失为各个时期美的基本原则。
1756年,英国艾萨科·瓦尔在其《建筑的整体》中就曾提出“审美要持全面合理的态度”,要综合考虑材料、结构、经济、功能、美观等因素。
十九世纪建筑师雷诺(Francois Leonce Reynard)主张建筑艺术是功能和美的结合,他所说的功能就包括了实用的含义,并且认为美可以适用于所有的实用的方面,二者并不矛盾。
世界著名桥梁赏析

世界著名桥梁赏析Appreciation of World Famous Bridges李伟东1目录/ CONTENTSForth Bridge Brooklyn Bridge 12London Tower Bridge 78Sydney Harbour Bridge San Francisco-Oakland Bay Bridge34Millau Bridge 910Rion-AntirionBridge Golden Gate Bridge 511Samuel Beckett Bridge Bixby Bridge6122“美就是感性认识的完善。
”鲍姆加登近代哲学家对美学的看法“一切绝妙的美都显示出奇异的均——美学的创立者鲍姆▪加登“美就是理性的感性显现,以最完善的方式表达最高尚的思想那就是美“衡关系。
”——弗朗西斯▪培根的标准式,表达最高尚的思想,那就是美。
——黑格尔“最动人的美好像是最完善地表达材料强最动人的美好像是最完善地表达材料强度与荷重之间的斗争所形成的。
”——叔本华“桥梁艺术”“功能合理就是美。
”——路易斯▪沙利文有其独特的美!301Forth Bridge —福斯桥WORK REPORT4Forth Bridge5Forth Bridge晚晴风云人物曾国藩两位著名弟子之一1896年出访俄、德、荷、比、8法、英、美、加国参观福斯桥6李鸿章Forth Bridge福斯桥地理位置Forth Bridge福斯桥位于苏格兰首府爱丁堡城北福斯湾。
7Forth Bridge 福斯桥地理位置Forth Rail Bridge(1890)Forth Road Bridge(1964)Queensferry Bridge(2017)8Forth Bridge9Forth Bridge早在1806年,人们就提出于福斯湾建立隧道,1818年,James Anderson (詹姆斯ꞏ安德森)第一个提出在福斯湾建立桥梁,但被铁路委员会驳回,直到半个多世纪后,这项决议才正福斯桥简介式被通过,并由Thomas Bouch(托马斯ꞏ布奇)主持修建。
《桥梁美学》

《桥梁美学》课程教学大纲课程编号:030212 学分:1.5 总学时:34大纲执笔人:陈艾荣大纲审核人:石雪飞一、课程性质与目的本课程是面向全校各专业同学开设的公共选修课。
桥梁作为结构艺术,其美可以通过造型的技术手段来实现。
造型的学习旨在培养设计人员形象思维的创造能力、审美能力和表现能力。
二、课程基本要求了解桥梁知识、欣赏桥梁的美、创造简单朴素的桥梁美。
三、课程基本内容第一章桥梁美的认识与创造第一节美学思想第二节桥梁美的认识第三节桥梁美的创造第二章桥梁造型基础第一节基本概念第二节形态要素及知觉感第三节色彩与材质第四节造型的构成论第五节造型的美学规则第六节视错觉与造型设计第三章桥梁造型的设计与构思方法第一节设计概念与造型设计第二节造型单元第三节桥梁造型的单元造型设计法与整体造型设计法第四节桥梁造型的线型设计法第五节桥梁造型的比例设计法第六节源于环境的造型构思法第七节桥梁造型的拓扑优化方法第四章桥梁主要功能单元的造型设计第一节桥梁造型的功能单元第二节梁的造型特点与设计方法第三节桥塔的造型特点与设计方法第四节墩的造型特点与设计方法第五节拱的造型特点与设计方法第六节台的造型特点与设计方法(桥台与锚碇)第五章桥梁造型的结构艺术第一节从结构艺术的角度看桥梁造型第二节桥梁造型设计中结构与力的构思第三节桥梁造型的拓扑优化第四节桥梁造型中的力感与动态美第五节 Kirchheim跨线桥力学性能在结构形式上的反映第六节 Maillart三铰拱和Eiffel月牙拱的比较第七节高墩大跨桥梁造型设计第六章桥梁景观第一节环境与环境调查第二节桥梁与环境的关系第三节视点与视点场第四节按视点场进行桥梁造型设计第五节案例分析第七章桥梁造型和景观设计的实践第一节城市立交的造型设计第二节中小跨径梁式桥造型设计第三节大跨径桥梁造型设计第四节高速公路跨线桥造型设计第五节群桥与双桥的造型设计第六节廊桥与空间索膜结构第七节弯梁桥造型设计第八节轻型缆索结构桥梁第九节宽桥的造型设计第八章桥梁美的评价第一节调查的方法和形式第二节评价的量化分析第三节评价案例第九章桥梁与结构造型设计的案例研究第一节一些不好的例子第二节 20世纪世界最美桥梁评选第三节介绍日本海洋架桥调查会的《桥与景观》第四节 Maillart系列三铰拱桥的造型研究第五节金门大桥造型研究第六节大海带桥造型研究第七节多多罗桥造型研究第八节 Sunniberg桥造型研究第九节埃菲尔铁塔造型研究第十节城市之桥-2010上海世博会人行过江“花”桥的结构概念设计第十一节黄河三桥方案造型设计第十二节惠州市下角东江大桥方案设计四、实验或上机内容无五、前修课程要求无六、学时分配七、教材与主要参考书《桥梁造型》,陈艾荣、盛勇、钱锋,人民交通出版社,2005.01。
15座欧洲经典桥梁让你见识什么叫桥梁的气质

15座欧洲经典桥梁让你见识什么叫桥梁的气质1 葡萄牙里斯本4月25日大桥 The 25th of April Bridge4月25日大桥横跨在特茹河上,将里斯本和对岸的阿尔马达连接起来,全长2277.64米。
这座桥1966年8月6日通车时名叫萨拉查大桥,石竹花革命后改为现在的名字,1999年增加了火车站台。
4月25日大桥和美国旧金山的金门大桥,它们颜色、外形十分类似,这是由于他们是由同一家公司承建,更巧合的是这两座桥都位于不同大陆的西海岸城市。
2 英国伦敦塔桥 Tower Bridge横跨在泰晤士河上伦敦塔桥是伦敦标志性建筑之一,建于1894年。
游客可参观塔内展览了解其历史和结构,在塔桥上层的人行通道欣赏伦敦美景,并继续旅程在维多利亚动力机房发掘桥梁的内部运作。
3 意大利佛罗伦萨老桥(维奇奥桥) Ponte Vecchio提起佛罗伦萨,位于阿诺河上的老桥总是被人津津乐道。
老桥建于1345年,是欧洲最早的大跨度圆弧拱桥,据说但丁在这里邂逅了少女比阿特丽丝,后来将思慕之情倾注到《神曲》之中。
几百年间,它经历过的水灾、社会动乱、战争而屹立不倒。
如今,桥上有着很多珠宝首饰和旅游纪念品商店。
4 意大利威尼斯里亚尔托桥 Rialto Bridge里亚尔托桥位于大运河中段,是威尼斯的著名景观。
它的前身是一座建于1181年的浮桥,名叫“钱币桥”,后来在1255年改造成了木桥。
现在的里亚尔托桥完工于1591年,设计者是安东尼奥·达·庞特(Antonio da Ponte),它采用了文艺复兴风格,下方保留一个拱门供船只通行。
5 匈牙利布达佩斯塞切尼链桥 Chain Bridge塞切尼链桥横跨在多瑙河上,它将布达和佩斯连在一起,是这座城市最古老、最著名、最美丽的桥梁。
它和周边的建筑共同组成了引人入胜的夜景。
6 葡萄牙波尔图路易斯一世大桥 Ponte D.Luis I路易斯一世大桥由工程师埃菲尔设计,于1881年开工并在1886年落成启用,意在纪念当时的葡萄牙国王路易一世。
世界著名桥梁设计案例分析

世界著名桥梁设计案例分析桥梁作为连接两岸的重要交通工程,承载着人们出行和物资运输的重任。
在世界各地,有许多著名的桥梁设计案例,它们不仅在工程上具有创新性和实用性,更在建筑美学上展现出独特魅力。
本文将对几个世界著名桥梁设计案例进行分析,探讨其设计理念和建造技术,以期能够更好地理解这些令人惊叹的建筑奇迹。
1. 《金门大桥》金门大桥是美国旧金山湾区的一座标志性桥梁,也是世界上最著名的悬索桥之一。
该桥横跨旧金山湾,连接旧金山市和加利福尼亚州的马林县,全长约2.7公里。
金门大桥的设计采用了悬索桥结构,主跨长达1280米,两座桥塔高达227米,整体设计风格简洁大气,被誉为“现代桥梁的杰作”。
金门大桥的设计理念体现在以下几个方面:首先,桥梁结构稳固耐用,能够承受强风和地震等自然灾害;其次,桥梁外观简洁大方,符合现代城市的建筑风格;最后,桥梁的建造采用了先进的工程技术,为当时世界上最长的悬索桥之一,展现了人类工程技术的高度。
2. 《伦敦塔桥》伦敦塔桥是英国伦敦泰晤士河上的一座双层活动桥,也是伦敦的标志性建筑之一。
该桥建于19世纪末,全长244米,主要由两座塔楼和可活动的中间吊桥组成。
伦敦塔桥的设计独特之处在于其可活动的吊桥结构,可以为高大的船只打开通道,是当时世界上最大的悬索桥之一。
伦敦塔桥的设计理念体现在以下几个方面:首先,桥梁结构灵活多变,能够适应不同高度的船只通行;其次,桥梁外观古典优雅,与伦敦城市的历史建筑风格相得益彰;最后,桥梁的建造考虑到了泰晤士河的水流和船舶通行情况,为城市交通提供了便利。
3. 《悉尼歌剧院大桥》悉尼歌剧院大桥是澳大利亚悉尼港的一座拱桥,也是世界上最著名的拱桥之一。
该桥横跨悉尼港,连接悉尼市中心和北岸,全长约1149米。
悉尼歌剧院大桥的设计采用了拱桥结构,主拱跨度达503米,整体设计风格现代简约,成为悉尼的地标建筑之一。
悉尼歌剧院大桥的设计理念体现在以下几个方面:首先,桥梁结构优美大方,与悉尼歌剧院的建筑风格相互呼应;其次,桥梁的拱形设计符合力学原理,能够有效分担桥梁荷载;最后,桥梁的建造考虑到了悉尼港的水流和船舶通行情况,为城市交通和旅游带来了便利。
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国外桥梁设计理念和典型示例介绍---全寿命经济分析、造型设计和组合结构桥梁陈艾荣同济大学桥梁工程系摘要:通过对日本多多罗斜拉桥和丹麦的大海带悬索桥等几座桥梁的造型特点的研究,介绍了使用造型单元设计法、整体造型设计法、拓扑分析等方法如何进行桥梁美的创造;通过对国外几座桥梁所进行的全寿命经济分析,阐述了在桥梁设计和规划阶段进行全寿命经济分析的必要性;通过对一座典型组合结构桥梁的介绍,说明组合结构桥梁的发展和应用。
一、概述桥梁作为公共建筑物,是人类根据生活和生产发展的需要,利用所掌握的物质技术手段,在科学规律和美学法则支配下,通过精心设计而创造出的人工构造物,是人文科学与工程技术相结合的产物。
桥梁以其实用性、巨大性、固定性、永久性和艺术性极大的影响并改变了人类的生活环境。
桥梁的美如何进行创造也是人们关心的问题。
和其他构造物有所不同,作为一种结构艺术,实际上桥梁的美是可以通过技术的方式来达到的。
目前我国在桥梁建设管理的一些惯例和办法在一定程度上加剧了桥梁工程的病害问题。
其中只注重建设初期的成本,而忽视桥梁从规划、建设到运营、破坏整个寿命周期的总体成本。
各国桥梁使用实践证明,如果片面追求较低的建造费用而忽视了对结构耐久性的改善,不仅影响运输交通的安全、减少结构使用寿命,同时投入的养护维修费用十分可观,甚至远远超过建造中节省的费用。
全寿命经济分析法的基本思想是,在设计施工阶段,不论是事先采取防护措施还是以后“坏了再修”,都要做出经济预算和比较,设计者和承建者要对工程的“全寿命”负责到底,目前,美国已强制实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”(简称LCCA,即Life Cycle Cost Analyze)。
组合结构桥梁今年来得到了飞速的发展。
法国工程界提出的波折腹板组合箱梁桥,是利用波折钢板抗剪强度大、纵向刚度小的特点,将其设置在腹板,达到减轻结构自重、减少腹板承担预应力的目的。
同时从抗弯、抗压的角度来看,使用波折腹板后,顶底板单独受力,减少了干燥收束、徐变、温差的影响,实现了主动控制设计。
本文将通过对日本多多罗斜拉桥和丹麦的大海带悬索桥等几座桥梁的造型特点的研究,介绍了使用造型单元设计法、整体造型设计法、拓扑分析等方法如何进行桥梁美的创造;然后通过对国外几座桥梁所进行的全寿命经济分析,阐述在桥梁设计和规划阶段进行全寿命经济分析的必要性和基本原理;最后通过对一座典型组合结构桥梁的介绍,来说明组合结构桥梁的发展和应用。
这几个方面的国外经验,无疑是值得我们参考借鉴的。
二、桥梁的造型设计示例2.1造型单元设计法急于基本造型元素的基础上,经过简单的加工(包括加法构成和减法构成)就形成了造型单元。
在桥梁造型设计中,以造型单元为基本构件进行组合,从而产生桥梁整体形态。
造型单元的选取应当符合结构的要求,并尽量与桥梁的基本构件相统一。
确定了几类基本的造型单元,桥梁结构的各个组成构件就可以以这些造型单元为模板,按具体的结构要求进行尺度和比例的变化,并最终构成桥梁结构整体。
比如,给桥墩选定一个基本的造型单元,各墩就可将其作为模板进行变化来适应变化了的平、纵线形,满足不同的承载能力和稳定性要求。
以造型单元为基本素材可以广泛地应用于各种体系和形式的桥梁造型设计,在强调各主要功能单元的同时更好地实现全桥的统一与协调,降低造型中的盲目性并简化造型设计。
图1 桥梁造型单元设计法大海带桥突出的是板的概念,可以将一个向上收的板看作是全桥造型设计中的一个重要造型单元,桥塔、边墩以及锚碇都可以看成是以这个板为基本造型单元,考虑各自的结构要求和受力特点进行演变而来的。
桥塔可以看作是板件裁切的结果,属减法构成,与扁箱梁形式协调。
另外,大海带桥在引桥墩和梁的造型上也突出了板的特点,全桥统一于一个“飘带”的概念:各个部分有相似的风格,又有不同的最终形式,有变化,有统一,从而有机组织在一起。
图2 大海带桥在多多罗大桥主塔造型确定之后,边跨的桥墩形状设计为了与主塔下塔柱形状相协调,设计成向下收拢的形状;同时中间设空,使其有开放感同时尽量不妨碍视野,即有横梁的V形墩的形式。
另外与多多罗大桥相接的高架桥的桥墩也采用相同的形状。
从总体上看,依线形和地势而高低各异的桥墩具有相似的性格,因而有机统一在一起。
图3 多多罗桥墩2.2整体造型设计法如果说造型单元设计法源于形的加法构成思想,那么桥梁的整体造型设计法即源于形的减法构成思想。
整体造型设计法更加强调的是桥梁形式的整体性。
在这里,各构件的功能性得到一定的弱化,相互之间没有明显的区分。
图4 桥梁整体造型设计法2.3利用拓扑分析优化桥梁结构造型拓扑优化的目的就是在单独荷载或多个荷载的作用下,寻求对材料的最佳使用方式,即造型的优化(shape optimization or layout optimization)。
对材料的最充分使用在拓扑优化中,代表的是最大刚度的设计。
从理论上讲,拓扑优化寻求的是最小挖空率下最小化结构变形能Uc(minimize the energy of structural compliance),并以此为目标函数。
最小化柔度等价于结构刚度的最大化,故实际上经常是以结构整体刚度和自振频率为目标函数。
下图是一个V=60的例子,其中图a表示载荷和边界条件,图b则以密度云图形式绘制的拓扑结果。
图5 体积减少60%的拓扑优化示例图6 大海带桥锚碇将拓扑优化的方法应用于桥梁造型的研究中,特别是对于桥塔,锚碇,墩台这些能够强烈的表现出力感,同时又对造型要求很高的构件来讲是非常有意义,也是非常必要的。
图7是初步设想的对桥塔进行拓扑优化的示意图,其中图a为塔顶两个荷载的情况,类似典型悬索桥(图c)的情况;图b为塔顶一个集中荷载的情况,类似斜拉桥倒Y型桥塔(图d)的情况。
拓扑优化中以不同的挖空率为约束条件,以最大刚度或最大基频为目标,按不同的荷载和约束情况进行分析。
需要指出的是,拓扑优化的结果不可能是最终的设计,它还必须经过设计师创造性的工作才有可能应用于成功的桥梁设计。
(a) (b) (c) (d)图7 桥塔拓扑优化示意3.4利用弯矩特点优化桥梁造型利用弯矩特点优化桥梁整体或主体构件也是桥梁造型设计中常用的方法,但这一方法不能偏激的理解为结构形式应该和弯矩图保持完全一致。
对于简支梁的受力特点,人们提出了鱼腹梁的形式。
但由于这种结构形式只是对弯矩图的简单模仿,并没有从造型和人性化的角度去加以升华,因而渐渐销声匿迹了。
图8是一个处理比较好的例子,即利用了梁的弯矩特点又使形式上亲切轻快。
图8 利用弯矩特点设计主梁造型三、进行全寿命周期经济性分析的桥梁示例3.1实桥示例之一——丹麦CFRP人行斜拉桥大跨桥梁在主体结构中经常使用缆索体系来跨越江河,包括各种系杆拱桥、斜拉桥和悬索桥。
缆索(拉索或吊杆)一般布置在梁体外部,且处于高应力状态,对锈蚀等外界侵害比较敏感。
因此,拉索状态直接关系到桥梁的使用寿命和使用性能,是缆索承重桥梁的生命线。
国内近年来先后有多座桥梁的拉索(或吊杆)因为耐久性不足而更换,经济损失巨大。
为保证拉索的耐久性,除了加强防护措施外,如能采用耐久性和疲劳性都很优秀的CFRP筋可望从根本上解决这一问题。
尽管CFRP桥梁在技术、安全和适用性上是可行的,并且较现有钢材具有一些独特的优势,但是CFRP桥梁要得到进一步发展还必须在经济上具有可行性。
需要注意的是科学的经济性评估应是基于桥梁全寿命周期的经济性(包括建设投资、后期运营维护投资等),而不仅限于初始建设费用。
图9 Herning 人行桥1999年9月丹麦建成总长80米的Herning人行斜拉桥(见图9),该桥宽3.5m,跨越铁路。
该桥使用了16根CFRP斜拉索,每根拉索由37根CFRP线组成,公称直径为40mm;一半的混凝土桥面板使用了直径7.5mm到12.5mm的CFRP筋,另一半采用不锈钢筋和普通钢筋。
表1是工程承建方对采用常规方法和应用CFRP筋的经济性比较结果。
计算时采用了净现值(NPV-Net Present Value)计算理论,公式如下:∑=+ ++++=...3,2,1)1()1(NNNirCLrTDCOMCniiiCCNPV(1)式中:NPV为净现值费用;OMC i为第i年的维护费用;TDC i为第i年的交通阻隔等引起的费用;CC为初始建设费用;CL为评估期结束时的资金损失;N1,N2,…为进行维护时的年份;γ为分析时的贴现率。
计算中考虑了以下因素:1)普通钢梁的沥青铺装层每25年更换一次,在预期75-100年使用期内更换3次;2)考虑了年贴现率的影响,假定为5%;3)初始建设费用中材料价格等按建设时的实际价格计算。
两种桥梁经济性估算比较表2从上述比较可见,CFRP斜拉桥的初始建设费用较常规斜拉桥高约25%,即使考虑了全寿命周期的经济性,也要较常规斜拉桥高出约10%(这主要是由于当时CFRP材料过于昂贵);表中第三栏是假定随着CFRP应用的日益广泛及材料制造工艺的进步,CFRP原材料的价格降低50%,这时CFRP桥梁就具有经济性。
但如果该桥桥面板不采用CFRP筋,而只将其用于仅承受拉力的斜拉索,那么总体经济性将会有不小的改善。
该桥的经济性分析只是一个例子,鉴于不同国家、不同地域桥梁造价的组成差别非常大,因此该结论不具有普遍性,但它从一个侧面揭示了目前制约CFRP桥梁推广应用的主要障碍之一,就是它的造价太高,经济指标较差,特别是只比较初始建设费用时,差别就更加明显。
这也是目前CFRP材料在主要用于旧桥加固的一个主要原因。
3.2实桥示例之二——美国某桥梁立柱图10是一则对位于海水中受到氯离子侵蚀的边长为60cm的方形柱实施全寿命经济性分析的结果。
可以看出,在氯盐环境中的常规混凝土(未采取防护措施),虽然初建费稍低,但约15年后便开始第一次修复工程,40年内要修复4次,修复费约为初建费的4倍;而采用加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的方法,40年内不用修复,虽初建费略有增加,但每年的总费用比未采取防护措施者至少节约7倍,这也正是近年来美国大力推行加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的原因所在。
图10 不同耐久性防护措施对应的成本分析3.3 实桥示例之三——美国某桥梁桥面表3给出了一则利用LACC法对美国华盛顿郡46号公路的一座混凝土桥梁的桥面进行75年寿命期总花费(Net Present Value)评定结果的相对比较值。
其中混凝土未采取防护措施者(空白)为100。
可以看出,采用防护措施后虽然初始成本会增加一些,但在寿命期内的后期花费(修复费等)可大大降低。
其中最好的防护措施是硅粉加钢筋阻锈剂。
采用该措施,在满足寿命期要求的前提下,与未采取防护措施者相比,总花费节约达67%。
从寿命的角度来看,如果该桥面以当时的普遍做法建造,13年后将发生钢筋锈蚀;如果使用环氧涂层钢筋,腐蚀则被推迟到25年时;如果采用高性能混凝土,腐蚀开始的时间则被延后到50年;如果这两种措施同时被采用,那么进行第一次较大维修的时间将延长至75年时,桥梁的寿命也得到明显的延长。