8国外桥梁设计理念和典型示例介绍(陈艾荣)

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(

N

N

N

i

r

CL

r

TDC

OMC

n

i

i

i

CC

NPV（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。

表3 不同防护方案总花费的比较

3.4、实桥示例之四——不同设计策略下全寿命经济性分析示例

该例是针对大西洋北部海岸的某座桥梁的钢筋混凝土柱式桥墩，设计要求为50年内受氯离子侵蚀而锈蚀的概率不超过5%。

图11示意了钢筋混凝土结构耐久性退化的过程，其中点1和点2代表了结构的正常使用状态，点3是正常使用状态与承载能力极限状态的分界线，点4则代表着结构的毁坏。点1是钢筋开始脱钝化，点2是混凝土保护层开裂，点3代表混凝土保护层剥落，点4则是结构毁坏。保证结构耐久性的4种设计策略：

图11：混凝土桥梁寿命期的重要阶段

策略1：采用普通的混凝土、普通的设计及一般的施工方法。容许结构发生腐蚀，当发现严重腐蚀的迹象超过混凝土表面积的5％时，则进行维修。维修时替换遭到腐蚀的保护层，表面重新处理的费用是800USD/m 2，涉及的面积是3400 m 2。这种策略依赖于视觉检查，在温暖湿润及炎热湿润的环境下其检查周期分别为5年和3年，每次的检查费用为3000 USD 。

策略2：与策略1相比，保护层厚度增加、混凝土质量提高，于是在结构寿命期钢筋发生锈蚀的机率小，不需要进行大的维修。与高性能混凝土相关的设计、保护层增加、高标准养护以及增加的质量控制措施引起的相关费用分别为11500 USD （温湿的环境下）和12000 USD （热湿的环境下），对应的结构检查周期也分别为5年和3年，每次的检查费用为6000 USD 。为了减少施工期可能缺陷的不利影响，每5年要进行一次小的维修，费用假定为方案1中大修费用的2.5％。

策略3：在水下为每个立柱安装一个牺牲阳极，水上的立柱及梁底面准备实施阴极保护。当5％的混凝土表面表现出轻微腐蚀时，该防护系统启用。每个牺牲阳极的费用是100 USD ，在上述两种环境下分别每10年和5年更换一次。阴极保护的准备工作的费用是10 USD/m 2，总面积为3400 m 2。阴极保护的费用是150USD/m 2，电器设备的费用是10000 USD/m 2，在两种环境下分别每20年和10年更换一次。在温暖湿润及炎热湿润的环境下其检查周期分别为5年和3年，每次的检查费用为3000 USD 。

策略4：50％的钢筋选用不锈钢筋（假定使用在结构最暴露的部分），这样可以避免在使用期内钢筋出现锈蚀。结构每立方米的含筋量为100kg ，设桥面板平均厚度为40cm ，于是结构混凝土的体积为1400 m 3，钢筋用量为140吨。设每公斤不锈钢筋较普通钢筋贵2 USD 。在温暖湿润及炎热湿润的环境下其检查周期分别为5年和3年，每次的检查费用为3000 USD 。 图12是依照上述4个不同的设计策略，考虑不同贴现率的情况下的全寿命经济性比较。由图可以看出不同设计策略的两个主要结果：

1234

Event s Depassivat ion Crac k ing Spalling Collapse

1）最常用的方法（即策略1）与较少采用的阴极防护方法（策略3）在利率较低的情况下，全寿命周期累计成本非常高。但是在利率很高的情况下，随着利率的增加将越来越有优势。

2）当采用特殊的设计、混凝土质量及施工措施后（策略2）或采用不锈钢筋解决了关键的锈蚀问题（策略4），在正常的低利率情况下，全寿命周期的成本将很小。在策略

图12：四种不同的设计策略及其全寿命期成本

四．组合结构桥实例剖析-法国Maupre桥

法国的桥梁工程界在组合结构桥梁方面作了许多开创性的工作，即通过用预制混凝土腹板或钢腹板，来使混凝土箱梁截面分离，达到改善力学性能及其减轻上部结构自重的目的。进一步用弯成波折形的薄壁钢板来代替混凝土腹板，于1986年建成了跨度为31m+43m+31m 的3跨连续箱梁桥、即Cognac桥。图13所示是波折腹板箱梁的结构示意图，它是由混凝土顶底板、波折钢腹板、横隔板、体内外预应力钢筋或索等构成。波折腹板箱梁桥在这么短的时间里取得如此快的发展，相对于预应力混凝土箱梁桥，一般认为主要在下面几点具有优势。

1)用波折钢腹板替代混凝土腹板，主梁自重大约可以减轻20%；

2)波折腹板在桥梁纵向刚度几乎为零，使上下混凝土翼缘板相互间不受到约束；

3)波折腹板在桥梁纵向刚度几乎为零，大幅度提高了施加预应力的效率；

4)波折钢板是利用弯成的波形几何形状来代替加劲肋，具有很高的抗剪强度；

5)箱梁腹板制作可以实行工厂化，并且伴随着自重减轻，架设更容易。

图14所示是法国于1987年建成的Maupre桥的立面布置及其横截面，采用波折腹板的7跨连续箱梁桥，总长为325m，各跨跨度为40.95+47.25+53.55+50.40+47.25+44.10+40.95m，桥面宽度为10.75m。该桥与其它的波折腹板箱梁桥最大的不同，是用钢管混凝土杆件来代替混凝土底板，与倾斜45度的两块波折钢腹板及其混凝土顶板形成三角形箱形截面。从而上部重量得到大幅度减轻。不仅技术含量很高、即采用波折腹板及其将钢管混凝土作为梁杆

件使用，而且包括桥墩在内的整体造型美观、设计新颖。

混凝土顶板

腹板

体内索

横隔板

波折腹板

体外索

混凝土底板

体内索

图13 波折腹板箱梁结构的示意图

(a) 立面布置

混凝土板

波折腹板

(b) 横截面

图14 Maupre桥的布置与横截面(mm)

图15所示是该桥建成后的照片。该桥的桥墩是采用面向主梁逐渐缩小的H形截面形式，并在其顶部设置V形加劲肋固定主梁（图16）。主梁的桥面板是在横向施加预应力的钢筋混凝土结构，用圆钢管代替底板与倾斜45度的两块波折钢腹板连接在一起，与顶板共同形成主梁。钢管直径为610mm，厚度为20mm，内部填充混凝土来加强在支座处的局部应力。

波折腹板的形状与尺寸如图17所示，其厚度为8mm ，下部与圆钢管焊接，上部用型钢连接件与顶板接合。关于主梁的结构特点大致有以下几各方面。

1) 用钢管代替底板构成三角形截面，使主梁成为安定的截面形式，并且对抗扭作用极

为有利。

2) 桥面板沿横方向配置预应力钢筋，承担因三角形截面而在桥面板横方向上发生的较

大拉伸应力。

3) 在箱梁内部沿纵向设置体外索，有利于预应力索的维护及其更换。

4) 主梁重量较轻，除去桥面铺装等的箱梁重为77kN/m ，另外与同等跨度的高强混凝土

箱梁桥相比较，推

算可以节省造价大约30%。

该桥采用顶推施工法架设主梁。图18所示是箱梁体外索的布置，分成沿着桥面板下侧布置的施工索、与通过转向块布置到钢管上面的结构索，通过设置体外索，使顶板在永久荷载作用下始终处于压缩状态。转向块是钢制的，焊接在钢管及其腹板上。

钢管与波折腹板都是在工厂加工并焊接成一体，每节段长度约为12m ，每跨分成4个节段，运到工地后将各节段焊接在一起。顶板配筋并浇灌混凝土，底钢管内填充混凝土。然后，将仅仅排水管及其铺装未完成的一跨主梁通过设置在桥台上的千斤顶推出，最大的推力为700kN 。为了确保在推出施工过程中主梁的横向稳定，如图19所示，在桥墩顶部的左右侧设置三角形钢构架，加大主梁的支撑宽度。

图15 Maupre 桥(法国

) 图16 桥墩顶部的构造

图17 波折腹板形状

(mm)

五、结 语

我国在桥梁建设方面是高峰期, 有必要强调桥梁的美学要求。作为结构艺术，桥梁美的创造是可以通过技术手段来得到的，而不是简单的注意装饰。

在桥梁设计中对经济性的评估往往是不应该只注重考虑建设成本，对于后期的养护、维修等的长期综合成本也应考虑，采用全寿命的经济分析方法，对于处理桥梁建设项目中短期效益与长期效益的关系，有很好的现实指导意义，具有巨大的长远经济效益。

组合结构桥梁已经在国外被广泛采用，我国有必要研究并推广使用。

作者介绍：陈艾荣，1963年生，工学博士，教授，博士生导师，同济大学桥梁工程系系主

任；主要从事桥梁抗风和结构设计研究。

图18 箱梁体外索的布置

结构用索

转向钢块

锚固块 施工用索 图19 施工中的稳定装置

钢构架 滑动梁