李燕峰　袁萬城

摘要：異型橋是當前城市橋梁建設的熱門選擇之一，并且是橋梁結構理論課程中的重要章節(jié)，因此為了對異型橋課程教學提供些許參考，文章從異型橋的分類、施工、設計等角度對其知識點進行了較細致的梳理，將異型橋和普通橋進行了簡單的對比。最后分別立足于教、學兩個角度對如何教好和學好本章知識進行了探討。

關鍵詞：異型橋；橋梁美學；教學

中圖分類號：TU997；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）02-0082-07

經過20世紀以來的大規(guī)?；A設施建設，橋梁建設獲得了長足的發(fā)展，傳統橋型從造型設計和施工工藝上都已經日趨完善。但是與此同時，不少設計方案出現了雷同的情況，甚至給人千篇一律的感覺，這不僅無法滿足當今社會群眾的審美需求，而且對技術創(chuàng)新而言更是一種退步。因此，對于橋梁設計者而言，如何進一步創(chuàng)新以滿足大眾日益挑剔的審美眼光是必須面對的問題。此外，隨著計算機有限元計算方法的進步和新型施工技術與高強材料的應用，無論多復雜的橋梁結構形式都可能實現。正因如此，異型橋成了滿足創(chuàng)新要求的不二選擇。變化萬千的異型橋結構形式，使橋梁結構再次迸發(fā)出新的活力。為了給異型橋教學工作的展開提供一定的參考和幫助，文章對異型橋的分類、結構特點等進行了較為詳細的概括，希冀讀者對異型橋產生系統性的認識。

一、異型橋教學內容

（一）異型橋的分類

異型橋之名是相對于常規(guī)橋而言的，凡是主梁或者主塔以斜、彎設計代替直線設計，就可以認為是異型橋。異型橋的分類與普通橋型的分類是一致的，可以分為異型梁橋、異型拱橋、異型斜拉橋、異型懸索橋、異型組合橋等（圖1）。其中，異型梁橋主要包括斜橋和彎橋，但是由于梁橋里面對這兩種橋型多是單獨研究，所以異型橋的研究對象也主要集中在其余橋型上（最主要的是異型拱橋和異型斜拉橋）。此外，還可以根據拱的形狀、梁與塔的相對位置、支撐條件等將異型橋進一步細分為斜支撐拱橋、蝴蝶拱橋、無背索斜拉橋等[1]（圖2）。

表1統計了自20世紀末以來國內外異型橋梁的部分建設成果，從中可以發(fā)現：1）絕大多數的異型橋梁跨徑在300 m以下。2）建成年份多在20世紀90年代到21世紀初。這說明了當前異型橋的建設主要是以中小跨徑為主，并且正處在建設的熱門階段。

（二）異型橋的結構形式與受力特點

異型橋在視覺感官上有兩大特點，其一是“反重力”，在造型上會給人一種受力不穩(wěn)的錯覺，在拱肋和索塔傾斜時尤為明顯。其二是“不規(guī)則”，結構的形式變化無端，或變寬，或變折，或變斜等奇形異狀，由于打破了常規(guī)的對稱、規(guī)則、齊整的布局方案，在視覺上形成新穎、獨特的美感，消除了視覺審美疲勞。

但是，由于結構設計一改傳統普通橋型的經典思路，以非對稱、變寬、彎曲、傾斜、復雜支撐、形狀奇異為宗旨，造成了結構受力的復雜化。在受力上，異型橋不再與普通橋型相同，構件可能將承受非常復雜的彎、剪、扭耦合作用，因此，構件截面的設計多以抗扭能力最好的箱型截面為主。以索塔和拱肋為例，當他們傾斜或彎曲之后，受力的空間性將使以承壓為主的塔柱和拱圈的承載能力和穩(wěn)定性大大降低，反過來還需要纜索和主梁或者配預應力筋來幫助塔柱和拱圈保持穩(wěn)定[2-4]。從這點上來看，傳統的力學分析方法不再適用于異型橋，只能憑借強大的有限元模擬來獲得構件的受力情況。根據各類異型橋的結構形式與受力特點，為保證結構的穩(wěn)定性和平衡，設計時采取了很多復雜的構造措施（表2）。

（三）異型橋施工方法選擇

異型橋結構特點主要是彎、斜，所以在未成橋的時候，結構承載能力往往并不能達到要求，故施工方法多采用滿堂支架施工。此外，為了減少現場施工的不可控因素，也為了減少造價，當全橋跨徑較低的時候，有些異型橋也可以采用整體預制吊裝的方法，如倫敦Gateshead Millennium Bridge。當跨徑過大又有通航需要的時候，有些拱橋采用臨時塔加扣索的施工方法，如南寧大橋，當然還需要進一步增加橫向系桿連接拱肋以保證結構的穩(wěn)定，而斜拉-懸索體系的施工往往也采用先梁后塔方式，京杭運河龍城大橋即采用主梁支架現澆，鋼主塔整體預制豎轉的方案[5]。因此，具體的施工方案需要結合實際情況分析。

（四）異型橋的設計流程

異型拱橋、異型斜拉橋的吊索面一般是傾斜的，不僅給拱肋和塔柱帶來了橫向的水平力，同時也給主梁帶來了水平力和橫向彎矩，這是異型橋與普通橋型最大的區(qū)別。如何降低拱、塔等的橫向彎矩是這類橋梁設計時的重點關注對象。因此，在異型橋幾何規(guī)劃上需要進一步優(yōu)化設計。

在確定了主梁和拱肋的截面形式和自重集度的情況下，理論上是可以找到無數個異型橋設計方案的，但在主梁、主拱或者索塔的彎矩最小控制條件下，往往設計方案選擇范圍就會縮小。一般的控制設計先從縱斷面入手，然后根據彎矩為零條件修改水平面內的布置形式[6]，其流程如圖3所示。

此外，拓撲優(yōu)化[7]理論也為異型橋設計提供了一種參考思路。所謂拓撲優(yōu)化，就是在單獨荷載或多個荷載的作用下，尋求對材料的最佳使用方式，即造型的優(yōu)化。材料的最充分使用在拓撲優(yōu)化中代表的是最大剛度設計。從理論上講，拓撲優(yōu)化尋求最小材料使用率下最小化結構的變形能，并以此為目標控制設計。

（五）異型橋與普通橋比較

異型橋作為一種新型橋型，在最近的20多年間得到了廣泛的應用和發(fā)展，在提供一種橋梁方案新選擇的同時，也需要我們對異型橋和同等跨徑的普通橋之間的差異進行全面細致的對比。

（1）異型橋的施工周期一般都較同類型跨徑的普通橋型長，這主要是因為施工多采用整體支架現澆工藝，施工措施多。

（2）異型橋構件受到較大的扭矩和橫向彎矩，即便在設計上使恒載作用下結構受力橫向彎矩或扭矩為零，也會在動荷載作用下讓結構承受很大的不利彎矩，因此會比同類普通橋型采用更多的補救措施來彌補。

（3）由于是空間結構，異型橋很難采用傳統的力學分析方法進行手算，而只能求助于有限元進行設計計算，這也是早期計算機技術未發(fā)展時，異型橋得不到推廣應用的根本原因。

（4）異型橋的造價頗高，以全橋長213 m，主跨128 m長的異型斜拉橋Sundial Bridge為例，當時的造價就高達2 350萬美元，是常規(guī)普通同等跨徑的斜拉橋橋型方案的8倍，這也是為什么異型橋飽受爭議的原因之一。但如果異型橋能在美學上提高城市魅力，貢獻特有的文化價值，那么經濟因素可適當讓位于美學因素，如英國倫敦的蓋茨黑德千禧橋。

（5）從力學上講，桿件只承受軸向拉壓作用時功效比最高，但異型橋傳力途徑相較普通橋而言要復雜得多，構件除了承受軸力以外還將承受彎矩和扭矩，而彎矩和扭矩在一定程度上會降低構件功效比。

（6）適用跨徑方面，在同類橋型方面，異型橋的適用跨徑比普通橋梁的要小得多，且適用橋型多以輕載或人行橋為主。

（7）在城市小跨徑橋梁建設方面，異型橋方案往往以突出的美學效果取勝，以本次倫敦旺茲沃思自治市公布的新泰晤士河人行橋設計方案來看，大部分的設計方案多以異型橋方案設計為主，如圖4所示。異型橋造型新穎奇特，美學效果突出，在跨徑較小，荷載較輕的情況下，競爭力非常強。在增加文化底蘊和美學特色上具有無可替代的優(yōu)勢。

二、異型橋教學探討

（一）把握異型橋教學的核心問題

異型橋作為當前城市橋梁建設的熱門選擇也才不過20年光景。至于為什么沒有早期的異型橋呢？關于這個問題當然有多方面原因，計算能力不足固然是原因之一，但其實異型橋始終有兩個矛盾存在：第一，異型橋結構形式異化導致的力學退化與橋梁承載需求之間的矛盾（力的問題）；第二，經濟性與美觀性之間的矛盾（錢的問題）。

關于第一個矛盾，本質其實就是一個結構異化后的彎斜體系力學平衡問題，“異型”為的是造型上的新穎，為了追求形式上的突破以獲取美學的感官效果，在結構形式上以彎、斜變化代替了過去普通橋的直線設計，從而造成受力方面承載能力上一定的退化，動荷載作用下受力性能不穩(wěn)定等諸多局部因素后果，因此需要綜合考慮施工和成橋狀態(tài)下的力學穩(wěn)定問題。

第二個矛盾主要是必須綜合比對橋梁的價值，在普通橋梁設計中，按照“安全、經濟、適用、美觀、耐久”的準則，經濟準則往往約束著結構的設計流程。一旦以美學為宗旨建立準則，則不可避免地會與經濟性發(fā)生沖突。但是，如果美學價值極高的情況下，經濟因素又得考慮退居其次，需要一番價值的取舍，綜合比對考慮。

這兩個矛盾始終貫穿異型橋的設計、施工、運營。因此，教學內容自然也應該圍繞這兩個矛盾展開。

（二）寓教于學（教的角度）

課堂時間總是有限的。在有限的時間內，講解的東西不宜過于艱澀難懂，且現在的教學方式多以快速簡捷著稱。因此，從教的角度出發(fā)，如何才能讓學生在課堂上把握住重點就成為了關鍵。

（1）理論聯系實際。鑒于本章在內容上是以案例分析為主，應該圍繞著兩個矛盾展開論述。一是需要結合具體異型橋案例進行分析，使學生掌握異型橋在結構變異狀態(tài)下，整體的受力變形情況。二是讓學生懂得如何根據實際案例分析受力與經濟之間的關系。

（2）掌握異型橋系統與細微之間的關系[8]。由于本章異型橋并沒有繁瑣的公式推導，但是有極為豐富的案例資料分析，所以從細的角度上來講，是以分析案例為主，以此系統地讓學生明白橋梁結構造型異化以后對結構受力、經濟性的深遠影響。

（三）教學相長（學的角度）

學習的目的在于如何充分發(fā)揮學生的主觀能動性和積極性。課堂時間終歸是有限的，且在知識點上停留的時間并不充裕，這就需要學生在課堂之余花費更多的時間預習和復習。因此，學生所要做的就是在課余時間按照教師在課上所指出的重點進一步加深理解和認識。學習是一個自我的探索和提升過程，僅靠在課堂上的學習永遠都無法發(fā)現問題。尤其是在高等教育中，只有更加主動、積極地融入學習過程中，才能取得更好的回報與收獲。從學習者的角度出發(fā)，如何才能在課余溫故而知新，掌握住重點也就成為了學習的關鍵，亦即學要學到重點。這正是黃侃大師“術由師授，學自己成”[9]教學理念的精髓。

（1）自主學習的重要性。學習需要的是自主，“玉不琢，不成器”唯有刻苦學習，努力雕琢，不尚虛華，沉住心思，才能在學習上有所突破。對于本章而言，需要的是學生在課余時間去探索建立異型橋的有限元模型，按照彎矩最小或者變性能最小的原則，把握異型橋的設計流程，理解異型橋設計的本質是力學問題。而這個過程往往缺乏相應的資料與指導，需要學生自己去探索發(fā)現。

（2）學會對比分析獲取信息。學習需要的是對比參照，異型橋和普通橋彼此對比，相互參照，就會明白結構異化對結構本身的受力、施工、經濟性的影響。本章中有著大量的實例參考，可開拓視野，同時也可培養(yǎng)發(fā)散思維，明白在傳統普通橋梁之外，還有許多異型橋方案可供選擇，且這些方案并不雷同，對創(chuàng)新而言尤為可貴。

三、結語

文章基于異型橋的研究現狀，從分類、受力、施工、設計、與普通橋對比等方面總結出異型橋的以下特點。

（1）異型橋是一種伴隨計算機有限元軟件開發(fā)而興起的新型橋型，現今大多數異型橋從20世紀90年代才開始建設。由于具有獨特的美學效果，異型橋在小跨徑、輕荷載的城市橋方案競爭上具有非常強的優(yōu)勢。

（2）受力方面，由于彎曲、傾斜造成構件不得不承受彎矩和扭矩，不僅降低了構件受力的功效比，同時也增大了結構的施工難度。即便在恒荷載作用下，以彎矩和扭矩最小為控制條件進行設計施工，結構也會在動荷載的作用下因為承擔較大的不利荷載而打破上述平衡，所以往往還需要補救很多的后續(xù)措施。

（3）此外，施工周期長與難以進行現代橋梁的工業(yè)化施工也是異型橋的短處，這些因素導致異型橋造價高昂。因此，較小跨徑的人行橋、以美學控制設計因素的城市橋可參考異型橋方案，但是對于大跨徑的橋型而言，基本不采用異型橋設計。

（4）如果異型橋設計方案的文化、美學價值很高，則經濟性和施工復雜性方面的考慮都必須做出一定的讓步，因為藝術之美無價可言[10]，一如巴黎埃菲爾鐵塔。

文章按照“寓教于學，教學相長”的思想理念，分別從教與學兩個方面對異型橋章節(jié)的教學重點提出了一些建議和意見。異型橋尚處于研究初級階段，在當前異型橋方興未艾的情況下，希望在異型橋教學研究中能起到參考幫助的作用。

參考文獻：

[1] 項海帆，等.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 王瑋瑤，李生智，陳科昌.異型系桿拱橋[J].中國公路學報，1996，9（1）：45-50.

[3]楊東升.異型鋼斜拉橋恒載合理索力探討[D].西安：長安大學，2008.

[4]劉志權，阮欣，汪軍.曲線箱梁斜拉橋結構性能分析[C]//第二十屆全國橋梁學術會議論文集.北京：人民交通出版社，2012.

[5] 馬恒.龍城大橋鋼索塔豎轉施工關鍵技術[J].現代交通技術，2008（3）：50-53

[6]苗豐田.異型橋設計討論[J].林業(yè)科技情報，1995（2）：21-20.

[7]牛飛.結構拓撲優(yōu)化設計若干問題的建模、求解及解讀[D].大連：大連理工大學，2013.

[8]劉韶軍，高山.論黃侃治學的系統精神[J].求索，2011（10）：184-186.

[9]黃亞棟.黃侃的治學思想及其對學生的影響[D].大連：遼寧師范大學，2013.

[10] 鄧文中.美觀何價[C]//第二十屆全國橋梁學術會議論文集（上冊），2012.

（編輯 周 沫）