第6章 概念設計
6.1 介紹
正如前一章所示，初步設計旨在定義橋樑的概念設計：主要包括從以下幾個方面比較不同的解決方案：
縱向佈置，即支座的分佈和相應的跨度分佈； 結構型別（梁，拱，纜索體系橋樑……）：主要尺寸（不同橋樑構件的尺寸）；
不同結構的橫截面尺寸；
建築材料或原材料；
安裝技術，包括主要施工步驟的定義。
概念設計的所有這些基本要素都是相關的：橋面的尺寸及其形狀取決於建築材料：結構型別直接依賴於材料和施工順序。這就是為什麼初步設計和結構解決方案的選擇基於設計師的經驗和直覺，設計師應該掌握所有標準和關鍵的技術，例如橋樑跨度和結構體系的選擇。良好的概念設計是知識、經驗、直覺和成熟判斷的結果，結合了對力流的清晰認識、對主要荷載的初步評估、對結構所有工程方面的全域性感知以及對美學形式和比例的強烈感覺。
在概念設計階段，所有的設計內容均是根據工程經驗來判斷的，除非特殊的具體問題，不同設計方案的比選階段不需要進行計算來支援。
《指南》的第二部分詳細地介紹了經典預應力混凝土的概念設計，大部分中等跨徑預應力混凝土橋樑採用了梁橋結構形式。在本章中，我們將概述所有型別橋樑的概念設計。
6.2 高速公路跨線橋和下穿橋樑
高速公路跨線橋是一類非常重要的橋樑，其數量和重複度對景觀的影響非常重要。當然最重要的因素是跨數和支撐的位置。對比以下三個方案：
經典的四跨結構，在高速公路中央設定一個橋墩；
兩跨結構，在高速公路中央設定一個橋墩，路堤兩側的橋臺尺寸較大；
三跨結構，完全打開了高速公路的視野，是最吸引人的方案。
圖6。1 穿過正常通道或狹窄高速公路的橋樑方案
當然，根據精確的現場條件（現場條件、地質特性等），可以制定更具體的設計，如傾斜支撐的橋樑。
標準的解決方案（如四跨橋），即使有裝飾，也可能有巨大的差異；簡潔的橋樑方案可以開啟視野，簡潔明瞭；原始的結構解決方案，給橋樑非常特殊的外觀和偉大的個性。
圖6。2 不同的橋樑型別
結構設計中應特別注重各個結構單元之間的協調統一，包絡護欄、支座等。例如當採用一些與結構體系一致的輕質材料或當地建材，能夠讓一個簡潔的橋樑方案轉變為一個非常優秀的方案。
上述設計思想同樣適用於對於下穿高速公路的橋樑。對於這樣的橋樑，臺前擋牆或錐坡的形狀和外觀設計對於方案的優劣至關重要。
顯然，一個完美的設計需要橋樑設計師和建築師的共同合作，需要一位優秀的建築師選擇合適結構的外形、光影和色彩的協調，最後達到理想、優雅的效果（如圖6。3）。
圖6。3 人為粗糙裝飾與結構之美的對比
6.3 結構型別
對於大跨度橋樑而言，概念設計更具創造性，可能的結構型別與跨度範圍和所選材料息息相關。
6.3.1 拱橋
些場地需要制定特殊的方案。例如，當週圍的地質便於拱腳施工時，在較深的山谷處特別適合建造拱橋（如圖6。4）。但拱的設計也必須考慮施工，由於施工裝置的進出條件困難，往往無法在邊坡上安裝拱腳。
圖6。4南非的布朗克斯橋（bloukrans bridge）
有時為了主橋和引橋斷面保持相似的外形，兩者會採用不同的結構形式，比如下承式拱橋。為了保證橋面連續，當主跨採用下承式拱橋時，單側引橋或雙側引橋採用連續梁或其他結構形式。現代設計中，橋面通常是連續的；但是在一些傳統的設計中，下承式拱橋也可能設計為上承式桁架橋以保證引橋與主橋橋面的連續性。（如圖6。5）。
圖6。5比利時下承式拱橋：哈庫爾橋（Haccourt bridge）
6.3.2 斜腿剛構
主跨的兩側採用傾斜橋墩（斜腿剛構）的結構形式來代替上述拱橋的方案。這種斜腿剛的構設計思想為設計師提供了很多的想象力和創造力。比如V形橋墩，可以很好地抵抗縱向力；Y形橋墩，不僅僅可以增加橋下空間，還可導致上部結構傳遞下的彎矩減小，可以增加兩側橋樑的跨徑。
圖6。6 St Goustan bridge（法國）
6.6.3 斜拉橋
對於大跨度橋樑，最合適的結構形式為纜索支撐體系。斜拉索的適用跨度為150-1000m，預應力箱梁為200-250m，鋼箱梁和桁架橋最大跨徑可以到300m。斜拉橋中主樑跨徑大，梁高小，相比而言箱梁結構隨著跨徑的增加，梁高逐漸增加，當大跨度橋樑的橋下可用空間、或橋下淨空受限時，箱梁結構建築高會成為主要的制約因素。
圖6。7 Skarnsundet ridge（挪威）-主跨530m，混凝土主樑
圖6。8 Diepoldsau Bridge（瑞士）-第一座使用細薄主樑（46cm）的斜拉橋
斜拉橋中主樑、橋塔、拉索分佈等眾多引數可以佈置為各種形狀，這為設計師提供了創作的空間。斜拉橋被成為最現代化的結構之一（見圖6。9）。
圖6。9 Barios De Luna bridge（西班牙）
6.3.4 懸索橋
於超過800-1000m的跨度，懸索橋是首選的結構形式，但是因為纜索和錨碇成本很高而限制了懸索橋的廣泛應用，除非纜索可以直接錨固在岩石中。此外，錨碇可能會影響周圍景觀。
懸索橋也可以在小跨徑上找到一些出色的應用，特別是在人行天橋上（見圖6。10）。
圖6。10 Max Eyth See Bridge（斯圖加特）
6.3.5 組合梁橋
但是大多數橋樑均為梁橋，梁橋的結構形式多樣，不同的橫截面、不同的建築材料（鋼、混凝土和複合截面）
上部結構可以做成連續或簡支形式。除非有非常具體的要求，例如由於採礦活動可能會造成沉降，否則上部結構應該連續，儘可能減少伸縮縫的數量。因為伸縮縫是引起交通不適的主要原因，並且維修困難。當主樑採用預製結構時，施工可採用先簡直後連續或橋面連續的形式。
鐵路橋樑中，接縫設定的位置還需考慮到軌道接頭的需求，軌道接頭必須要遠離彎道。伸縮縫的位置也受到施工技術的影響，例如懸臂法施工的橋樑。
6.3.6 鋼混組合梁的截面形式
1）工字梁（等截面或變截面）。目前比較經濟的截面形式為雙主樑鋼板組合梁。雙主樑鋼板梁有疏橫樑和密橫樑兩種形式，密橫樑體系通常橋面板直接支撐在橫樑或撐杆上。
圖6。11 鋼混組合結構
2）箱梁結構（等截面或變截面）。通常箱梁由雙腹板組成，可能設有支撐橋面板的橫樑或側向橫撐。也可以做成兩個平行的箱梁結構。
圖6。12 鋼箱梁混凝土橋面板複合結構-法國Pompadour高架
3）鋼桁架（等截面或變截面）
圖6。13 縱向鋼桁梁和混凝土橋面板複合結構-瑞士Lully高架
6.3.7 預應力混凝土梁橋
預應力混凝土橋樑不同的施工吊裝技術對結構形狀和比例的影響很大。本指南的第2部分將詳細介紹預應力混凝土橋樑的每種施工吊裝技術。最主要的施工方法如下：
1）現澆施工：這種施工技術對結構形狀限制較少，結構形狀僅受模板的限制。若收到場地條件的限制時，橋樑的某些部分可以在其他場地建造，然後透過旋轉等方式至設計位置。
2） 預製施工：透過先拉或後張拉對較大跨度施加預應力，但這種施工方法限制了橋面和橋墩的形式。
3） 逐跨施工：一種是移動模架逐跨現澆；另一種是預製截面逐跨拼裝
4） 頂推施工：要求橋樑結構為等截面，且對幾何要求有較強的限制。
5） 懸臂澆築和懸臂拼裝施工：橋樑節段可以為現澆也可為預製節段，主要為預製節段，施工時可藉助臨時支架、掛籃等系統。
以上說明了為什麼架設技術是預應力混凝土橋樑設計中的一個重要組成部分，以及為什麼在不考慮施工條件的情況下不能進行認真設計的原因。
但是另一方面，施工條件不能改變主要設計目標，當承包商提出改變安裝技術或使設計適應其現有施工裝置的替代方案時，不得改變結構的美觀性，也不得影響執行條件和耐久性。
設計和建造（甚至是設計-建造-運營）合同的最新發展將設計中的主要責任交給承包公司，承包公司在邏輯上定位設計，以實現高效、經濟的施工。但是，對施工技術和裝置的重視不應導致結構不良或不美觀。
6.4 橋樑分跨
橋樑分跨設計不能與結構型別分開，但是我們這裡主要關注梁橋最常見的情況。
在某些情況下，例如當橋樑必須穿過一條寬闊的航道，並且要防止船舶碰撞時，橋墩的位置和主跨的長度不能改變。但在大多數情況下，在整個橋樑長度內，橋樑的跨度可以選擇設定的長一些或短一些。
就成本而言，它是下部結構（橋墩和基礎）和上部結構的總和。對於跨度較長（橋墩較少）的橋樑，下部結構更便宜，而上部結構更昂貴。因此，應綜合考慮各類因素選擇橋樑的跨度。當地基條件差且地基處理昂貴時，對於樁基深度和其施工條件而言，越長跨度成本越小，例如在深海通道或在困難的河流中，或者當它們的尺寸由於諸如船舶碰撞阻力等特殊情況而增加時。當橋墩很高或由於特殊情況而施工困難時，也是橋樑跨徑越長，成本越低；但這種情況相當罕見，因為橋墩的相對成本通常很低（最大值為5%至10%）。
相反，當地麵條件良好時，橋樑佈置為小跨徑比較經濟，但是跨徑的佈置需要考慮墩高、跨徑之間的比例，以確保橋樑整個方案的美觀性和協調性。跨度的分佈可能受到場地的影響，要麼適應某些特定的限制（例如避開道路，水道或其他障礙物），要麼產生令人愉悅的比例。例如，當橋樑跨越山谷時，由於山谷的深度由兩側向中間逐漸增加，橋樑的跨度也應該從兩側向中間逐漸增加，這樣可以達到橋樑跨度和橋墩高度的比例協調。
當然，主樑的建築高度以及跨中梁高是有關跨度分佈的最終決定因素。如圖所示，所有設計引數在選擇解決方案時相互作用。
圖6。14 跨度分佈對橋樑美學的影響
6.5 梁橋的建築高度、梁高變化
梁橋中的梁的建築高度（也包括橋墩、主樑和複雜結構如拱橋、下承式結構和纜索支撐橋）取決於很多因素：所用材料、結構型別、選定的截面等。
本指南第二部分給出了每種橋樑型別的經典長細比，即梁高與跨度之比。我們必須在此明確地說，當橋樑與地面的垂直距離很小時，長細比必須更大，以便在上部結構和下方空隙之間比例的協調性和美觀性。
還必須考慮梁高的變化：當梁高變化時（通常呈拋物線形狀），跨中截面由自重引起的彎矩變小，從而減少預應力筋的數量以及基礎的成本。但是，變截面方案使施工更加複雜。顯然，跨度越大，變截面的優勢就越大。
如前所述，變截面可以沿拋物線變化，但也可以根據立方公式變化。若沿立方公式變化，在支點附近梁高變化非常快，這可能成為設計中的控制要點。可以採用在支點附近採用線性變化或拋物線變化。1）線性變化（靠近支點的梁高變化距離大約為跨徑的15％或20％）；2）拋物線變化（靠近支點的梁高變化距離約為跨徑20或25％）。
當所有跨徑長度相同時，應首選梁高沿拋物線變化。相反，當跨徑不同時必須避免拋物線變化，因為每跨中的拋物線引數不同，會造成施工困難，但更重要的是會導致線路和比例混亂。這種情況非常適合僅在支點處採用線性或拋物線變化，在所有跨的跨中採用相同的長度和形狀，橋樑兩側的曲線變化是相似的，橋樑長度的差異靠跨中部分等截面部分的長度調節。
當場地非常複雜，如有一系列不同的交叉口，跨度差異較大時，等截面是更好的解決方案，上部結構的均勻性給場地帶來了新的統一性。一個特殊的情況是，當橋樑由兩個平行橋面組成，並有河流、道路或鐵路的斜交道口時，為了避免兩個箱梁之間支架的縱向錯位造成混亂，必須要設定成等截面方案。當橋樑線形的曲率非常大時，也是如此，隨著梁高的變化，形狀會變得混亂。
在某些情況下，主跨梁高的變化也受到多種因素的制約，如橋下船舶通行空間、兩側邊跨梁高的限制、視覺的限制、地面淨空的限制、存在障礙物等。
圖6。15 梁高拋物線變化和線性變化-法國Rioulong大橋
梁高拋物線變化-瑞士Mentue大橋
梁高線性變化-瑞士Versoix大橋
6.6 預應力混凝土橋樑橫截面
6.6.1 截面形狀的演變
橋樑截面的選擇受材料和人力成本影響，截面形式的演變歷史完全受這些經濟引數支配。在第二次世界大戰前，鋼筋混凝土的首次應用。當水泥和鋼筋價格昂貴且勞動力相對廉價時，設計複雜形狀以限制混凝土體積更為有效；那時橋面通常由非常薄的混凝土板製成，兩個方向都有小的矩形肋。羅伯特·梅拉特（Robert Maillart）或阿爾伯特·卡奎特（Albert Caquot）選用這種截面形式的那些傑出橋樑具有極強的美觀性。現在發達國家的情況完全不同了，勞動力非常昂貴，材料非常便宜。
因此，形狀儘可能簡單以便於施工和限制工作時間，即使這增加了必要的材料數量。當然，由於需要減少結構重量，跨度長度也會對設計產生影響。
另一個決定性因素出現了：由於許多原因，工廠的勞動力成本比現場的要便宜得多。前期是因為工廠裡的裝置效率更高，可以大大縮短工作時間；同時也避免因天氣原因影響施工；後期是因為標準化產生了巨大的經濟效益。這就是為什麼現澆橋和在固定工廠製造成預製構件、在現場預製拼裝橋樑之間有明顯區別的原因。
6.6.2 截面效率係數
對於現澆橋，設計完全取決於跨徑：對於非常小的跨徑，首選簡單截面形式，因為它們可以用非常有限的人力建造；當跨徑增加時，截面必須更有效地減輕重量，以限制彎矩的大小；當跨徑增加時彎矩變得非常大，必須優先考慮結構的效率，以節省重量。這就是為什麼橋樑橫截面逐漸從矩形板（適應於非常小的跨徑）過渡到經典箱梁的原因。
有兩個引數可以說明這種演變：
1）幾何效率係數
式中I為慣性矩；B為截面面積，v和v’上下翼板至重心的距離；矩形板的效率係數為0。333，經典箱梁的效率係數為0。55-0。65。
2）澆築混凝土的速度（反應施工難易程度和勞動力時間的引數）
需要指出，如果恆載產生的彎矩佔控制截面彎矩75％或80％以上時，可以認為這一截面效率更高。
由矩形板（rectangular slab）到矩形肋（rectangular ribs）的演變是非常漸進的，真正的演變是由矩形截面轉變為箱梁截面。
6.6.3 施工方法
對於由預製件製成的橋樑，可以分為三個不同的系列：全預製橋樑、節段預製拼裝橋樑、逐跨預製拼裝橋樑。
在所有的預製件橋樑中，主要是前兩個系列。預製允許更復雜的橫截面，旨在提高結構效率和減輕重量。這一點對於預製梁特別明顯，下翼緣較厚，幾何效率係數可以達到相當高的值，可以達到經典箱梁效率係數的值。
逐跨預製拼裝橋樑是一個相對較新的趨勢，特別適用於具備重型起重裝置的大型專案。
6。7 鋼混組合結構
工程師們必須始終保持開放的思想，在某些情況下，混凝土橋樑可以透過加入鋼構件而變得更高效、更經濟、更簡單或更輕。
第一個例子為比利時瓦爾貝諾伊特大橋，橫樑可以是鋼管，甚至是不鏽鋼管。
圖6。16 比利時Val-Benoit 大橋不鏽鋼支撐
複雜的結構，如斜拉橋，為引入鋼構件提供了許多機會：
箱梁內的支撐可以採用鋼結構，將拉索的拉力從錨具傳遞到混凝土腹板的下部，如Wandre和Ben Ahin橋；
拉索可透過鋼錨固元件錨定在混凝土塔中，如阿納西斯島的亞歷克斯·弗雷澤大橋，或諾曼底大橋或旺德和本·阿欣大橋的鋼錨固箱；
斜拉橋中連線兩個主要混凝土肋的橫樑結構，以及支撐混凝土橋面板的橫樑結構可以做成鋼結構。如東亨廷頓大橋，最近在里斯本塔格斯河上的Vasco de Gama橋或瑞士瑞恩河上的Schaffhausen橋。
圖6。17 Wandre大橋鋼箱梁內部
圖6。19 Normandy大橋橋塔的鋼錨箱結構
圖6。20 混凝土橋面及鋼橫樑-Rheinbriicke斜拉橋（瑞士）
鋼和預應力混凝土之間的不同型別的結合可以證明是有效的、經濟的：
混凝土拱橋中可以應用複合橋面板，如圖6。21的Chateaubriand和Morbihan大橋；
橋樑的某些部分可以用鋼建造，其他部分可以採用預應力混凝土建造，這在古典梁橋中已經被證實是有效的：在Mathilde和Chevire橋中，跨徑兩側為預應力混凝土結構，跨中為正交異性鋼結構；在Tortosa橋中，連續箱梁由支點處的預應力混凝土結構和跨中的鋼結構組成（如圖6。22）；
鋼結構和混凝土結構的結合在斜拉橋中的應用效果更佳，透過使用鋼材來減輕主跨的重量，如Tampico、Ikuchi 、Normandie大橋（如圖6。23）。
圖6。21 法國Morbihan大橋符合橋面板（該橋人行道沿著拱軸線設定）
近年來在一些國家中組合橋樑得到了很大的發展，並表現出極強的競爭力。在組合橋樑設計中應注重混凝土板的設計，設計必須滿足避免或限制裂縫、滿足耐久性等要求。
一個新的想法是將常規橫截面中的鋼筋和混凝土結合起來，用鋼構件（如摺疊腹板或鋼平面桁架等）取代混凝土橫截面中的混凝土腹板。但這些新的解決方案並沒有證明是特別經濟的。
綜上所述，設計師必須同時考慮鋼和預應力混凝土，在設計中充分利用兩種材料的效能。
圖6。22 法國Chevire大橋兩個混凝土懸臂樑中間吊裝鋼樑
圖6。23 諾曼底大橋（Normandy bridge）跨中輕質鋼主樑
6。8 結構連續性倒塌設計
［結構連續性倒塌是指結構因偶然荷載造成結構區域性破壞失效，繼而引起失效破壞構件相連的構件連續破壞，最終導致相對於初始區域性破壞更大範圍的倒塌破壞。］
與所有其他結構一樣，橋樑的設計必須能夠承受永久和可變荷載、偶然作用等，如溫度和風引起的作用，以及地震、船舶碰撞等引起的意外情況。
設計必須消除因超過規定或可預測規模的事故（例如船舶碰撞）而導致漸進式倒塌的風險。
如果許多橋墩可能會受到船舶的衝擊，並且無法抵抗衝擊荷載時（荷載值由適當風險分析選擇），則必須將橋樑分為若干部分，以使損壞僅限於結構的一部分。例如法國的Re Island橋和加拿大的Confederation橋：Confederation橋透過中間設定掛孔，設計為獨立的若干跨度，Re Island橋靠近中跨的位置透過設定絞接連線，設計為幾個獨立的高架橋。在設計階段、施工階段，設計人員必須考慮漸進式倒塌的風險，透過適當的設計消除或限制出現漸進式倒塌的風險。
圖6。24 法國Re Island大橋
圖6。25 加拿大Confederation大橋
6.9 詳細設計
在概念設計被批覆之後，開啟詳細設計階段。詳細設計階段需要細化設計細節，包括確定設定、滿足所有技術要求，特別是預應力和纜索體系橋樑中的拉索索力。
技術手段在詳細設計階段尤為重要，做好詳細設計的前提是確定所用的裝置，包括支座、伸縮縫、護欄等，還包括確定防水系統、預應力、拉索系統等。必須清楚的是，設計師需要對設計的專案甚至是每個構件選擇特定的供應商。
在設計階段需要制定特定的供應商的做法，在專案後期，在不同的供應商甚至是承包商之間難免會出現一定的競爭矛盾。但是有些業主認為不一定要在設計階段就先確定好裝置和構件的供應商，在沒有確定結構詳細尺寸的情況下依然可以完成結構設計。
這一問題的解決方案是設計階段不要制定裝置和構件的“指定供應商”，允許承包商在施工階段根據實際情況，調整、選擇適合工程進展的裝置和構件供應商。
結構的分析和計算應按照以下步驟：首先簡化受力模式，以真正的掌握結構的受力情況；然後細化簡化模型，以精確設計結構。
透過結構分析和計算有時會出現意想不到的問題，這會使在概念設計階段提出的結構形狀和尺寸不滿足計算，設計師必須透過改變結構形狀或調整結構尺寸來適應結構計算結果。無論是透過概念設計的發展來消除這些問題，還是在計算後調整概念設計，設計師都不應拘泥於最初的圖紙，接受不令人滿意的（不滿足計算分析的或結構形狀尺寸奇異的）解決方案。
上述說明了為什麼在概念設計後必須快速進行簡化分析和計算，以確認提出方案的有效性，甚至更高的效能。設計師必須對結構受力有明確的概念，這是設計出一個安全性、高效性結構的必要條件。
詳細設計有時是在建築師的協作下共同完成的。但是必須要遵守概念設計階段提出的結構形狀、裝飾等能夠反映結構受力特性的設計，這些設計是直接反映結構受力、影響結構安全的關鍵。
如果建築師不在意結構受力和解決結構方案，那在詳細設計階段最好不要有建築師的介入。
詳細設計是一個嚴謹的過程。設計中必須消除不必要的次內力；合理設定支座位置、預應力錨固、拉索錨固等；合理設定結構幾何結構，使結構正交、無偏心；合理設定預應力鋼筋形狀，使彎曲曲率大、儘可能為直線段，有效控制預應力損失；設計中保障混凝土易於澆築，保證混凝土質量；合理進行截面配筋，避免少筋、超筋設計，考慮鋼筋現場綁紮的便捷性。
設計中必須考慮結構維修、檢查以及後期必要時的加固的需求，這是保證結構耐久性和便於業主操作的關鍵。
綜上，設計師的主要目標是：高效性、經濟性、易操作性。