兩百年來橋樑的進展和本世紀的展望(三)

3．拓撲變形法((橋型變化的三個拓撲方法（修訂）))

這種方法在斜拉橋和拱橋中廣為應用，表4中列舉了合併分櫱、折彎、傾斜幾種變形法。其中合併分櫱是物理變形，不是純粹的幾何變形，但是在變形中互為因果，所以都列在拓撲變形法之中，或稱為『物理——拓撲變形法』較為恰當。

表4 橋型變化之拓撲變形法

3.1．合併分櫱

3.1.1．無背索斜拉橋

圖15西班牙Seville橋是第一座無背索斜拉橋（1992年），跨徑200m。它可以由雙跨獨塔斜拉橋變化而來，當邊跨主梁和塔互相靠攏直至合併，就成了無背索斜拉橋。

圖15 Seville Allamillo橋

3.1.2．樹形塔斜拉橋

圖16瀋陽三好橋為，主橋跨徑270m，與前者相反，獨塔（此處獨塔兩枝用橫樑連成拱形）分櫱為二，再張開，斜拉索依然藕斷絲連的牽在兩塔之間，見圖16左和右上圖。2009年貴州荔灣仿建一座，兩個分離式拱形塔一高一矮，見圖16下圖。

圖16 瀋陽三好橋和貴州荔灣橋

3.2．折彎

表3中左側，鹿特丹的折塔斜拉橋；西班牙的跨徑155m的彎曲塔Valencia橋；1992年建成的成田機場的拱形塔斜拉橋，主跨76m，拱跨101.4m。

懸臂塔一般要求塔柱彎矩儘可能的小，恆載狀態折塔的上塔柱根部彎矩可以達到零，但是上塔柱中部有不平衡力產生的彎矩，見圖17左圖。下塔柱可以調整折角，使恆載狀態為壓桿，見圖17右圖。曲線懸臂塔同樣可以調整曲率和斜率，使塔在恆載狀態是壓桿，彎矩接近為零，見圖18。

圖17 折塔斜拉橋上下塔柱最小彎矩設計原理

圖18 曲塔斜拉橋塔柱設計原理

表3中右側西班牙Seville的Barqueta 橋,單索麵分叉肋拱也屬於這種類型，但是還含有合併分櫱的因子。台灣花蓮附近也有一座類似的拱橋。

3.3．傾斜

在世紀交接之際流行傾斜結構，特別是城市橋樑，為標新立異，流行歪斜結構。表3中末行依次是迪拜即將開工的一座主跨225m的伸臂式斜塔斜拉橋、傾斜矮塔斜拉橋、主跨300m的南寧邕江橋、2004年建成的長154m的天津大沽「日月拱」橋。

國外大量修建這種傾斜拱橋，最著名的是圖19的Millennium 橋，是一座開啟橋。有船舶通過時，拱和彎曲主梁繞著拱足的軸豎向旋轉，二者之間由拉索聯繫，拱向下壓、曲樑上翻，提高凈空讓船舶通過。全橋主跨126米，橋寬8米，鋼結構用料800噸。總耗資2200萬英鎊，建築師Wilkinson Eyre，結構師Gifford Graham & Partners，結構計算使用LUSAS完成。

Bedford（貝德福德）蝶形橋是建築師 C. Wilkinson 和 Partners 結構工程師Jan Bobrowski 和 Partners設計的，並且獲得了1995年英國國家設計競賽獎。評語是『在20世紀結束和21世紀開始之際，創造了一個值得記憶的地標符號』。因此，掀起了歪拱之風。

Millennium 開啟橋（2001年） Bedford蝶形橋(1995年)

圖19柔性吊杆斜拱橋

西班牙Valencia橋（1995年） 羅馬DellaMusica 橋（2000年）

圖20 剛性吊杆斜拱橋

柔性吊杆傾斜拱（圖19、21左）在拱平面與吊杆平面之間由有偏離距，以平衡拱的傾斜力，傾斜塔斜拉橋與柔性吊杆傾斜拱類似。剛性吊杆傾斜拱（圖20、21右）以吊杆抗彎來平衡，而且還可以平衡橫樑的正彎矩。

圖21 傾斜拱的柔性吊杆和剛性吊杆

4．拓撲承式法

在表1中Q33單純性拱橋一欄中注有『下中上承式』實際上還有一種『直承式』，就是荷載直接作用在基本構件元素上，列如下表。Q11欄中注『正反弔橋』說完整了就是『下中上直承式』懸索橋，不過後三種少見，拱橋的四種承式常見，懸索橋的後三種承式介紹如下。

表5橋型變化之拓撲承式法

4.1中承式懸索橋

在橋下凈空容許的情況下，為減少它的建築高度，可以採用中承式，跨中部分吊杆改為支撐桿，橋樑的整體剛度較大，空氣動力性能較好（圖22）。

圖22 都柏林空港Metro West Liffey Valley 橋（2009年）

4.2．上承式懸索橋

4.2.1．典型上承式懸索橋——上承式自錨懸索橋

上承式懸索橋可以採用兩排或多排懸索，懸索可以支承在於制板下或包裹在混凝土之中，比較剛勁，成一片懸帶，也稱懸帶橋。這種橋在施工階段需要設置臨時的錨碇，成橋以後橋面系可以作為受壓構件用來平衡懸帶的拉力，變成自錨魚腹梁式剛架。

圖23是1989年1月建成通車的湖南洞口淘金橋，是一座自錨上承式懸帶橋。橋長74m，設計跨徑70m，矢跨比1/9，橋面寬4.5m 。該橋上部結構由端錨梁、連續T梁、蓋梁排架和主索懸帶組成。用以錨固兩組由48根Φ5鋼絲組成的主索。在預製懸帶槽形底板安裝完成後，現澆主柱排架，然後安裝T梁和現澆橫隔板。在澆注懸帶槽內的混凝土後再放鬆外錨使整個結構形成自錨體系。圖23左上角是哥斯大黎加的科羅拉多橋（1972年）。

4.2.1．非典型上承式懸索橋——矮腿剛構橋[8]

2003年至2004年，在瑞士還出現一種稱為「矮腿剛構橋（Rigid frame bridge with underslung main span）」的上承式懸索結構，由於支撐桿件很少，也可以說是一種體外與應力梁，見表6和圖24、圖25。它的建築高度比一般的與應力簡支梁還小，普通鋼筋混凝土橋面板也不算太厚，是一種很經濟的橋型。

矮腿剛構橋（單位：m） 表6

圖23 湖南洞口淘金橋 圖24 Gravatscha橋（2003年）

圖25 Acla Chuoz橋（2004年）

4.3．直承式懸索橋

直承式懸索橋，可用鋼筋、鋼絞線、型鋼兩端錨定在基礎上，直接承受荷載，很少見，一般只作為人行或非機動車輛通行橋樑(圖26、圖27)。早在20世紀50~60年代有過T構+預應力砼懸帶的408m跨徑串聯式混合型橋樑設計（圖28）[6]，終因斜拉橋的異軍突起而胎死腹中。

圖26 德國懸帶橋 圖27 溫哥華Capilano River橋

圖28 德國Bosporus河懸帶橋方案

2008年建成的聖地亞哥Hodges人行懸帶橋，3×100.56m，中垂度1.41m，用兩根索支承預製橋面板，見圖29[7]。

廣義上上來說，剛拱柔梁的上、中、下承系桿拱，也可以採用懸索作為行（走）車系，藉以平衡拱的水平推力，例如：捷克Olomouc橋行走系下有兩根懸索（圖30）[7]、美波特蘭市麥克勞林橋行走系兩側吊杆下各有一根懸索（圖31）[7]。

圖29 Hodges橋 圖30 Olomouc橋 圖31 麥克勞林橋

參考資料

[1]劉效堯 蔡健 劉暉．橋樑損傷診斷．人民交通出版社．2002．

[2]周念先．預應力混凝土橋樑．上海科學技術編譯館．1962．

[3]吳巨軍 鄭江敏 劉小慶.連續梁-提籃拱組合體系橋應用.公路.2010.04

[4]lxyah.blog.sohu.com

[5]www.google.com；www.sohu.com；www.baidu.com

[6]邵旭東 程翔雲 李立峰．橋樑設計與計算．人民交通出版社．2007．

[7]Jiri Strasky.懸帶拱人行橋.橋樑總第37期.2010年.第5期.

[8] http://en.structurae.de/structures/stype/index.cfm