了提高单层悬索的形状稳定性，除了采用钢筋混凝土板等重型屋面并再进一步形成悬挂薄壳的办法外，安徽体育馆等工程所采用的设置横向加劲梁（或桁架）的办法也是十分有效的（图1）。从文献记载上看，这种“索-梁（桁）体系”在国外尚未见用之于工程实践。横向加劲构件的作用有二：一是传递可能的集中荷载和局部荷载，使之更均匀地分配到各很平行的索上；二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力，从而提高屋盖的刚度。从安徽体育馆等几个工程的实践来看，这种体系施工方便,用料经济，是一种成功的创造。

由一系列承重索和反向的稳定索组成的预应力双层索系，是解决悬索结构形状稳定性的另一种较有效的结构形式。瑞典工程师Jawerth首先在斯德哥尔摩滑冰馆采用由一对承重索和稳定索组成被称为“索桁架”的专利体系，其后这仲平面双层索系在各国获得相当广泛的应用。我国无锡体育馆也采用了这种体系。作为对这种体系的改进，吉林滑冰馆结合具体工程条件，创造了一种新型的空间双层索系（图2）。它的承重素与稳定索不在同一竖平面内，而是错开半个柱距。在跨度中央部分，稳定索高出承重素，形成筒形屋面；上、下索之间设置纵向的衍架式擦条，将两层索撑开。在跨度的两个边缘部分，稳定索低于承重索，二者之间用波形模条拉紧，形成波形屋面。采用这种结构形式，不仅提供了新颖的建筑造型，而且很好地解决了矩形平面悬索屋盖通常遇到的屋面排水问题。这一新颖结构参加了1987年在美国举行的“国际先进结构展览”。　　

十年来我国悬索结构发展的另一个特点是在许多工程中运用了各种组合手段。主要的方式是将两个以上的索网或其它悬索体系组合起来，并设置强大的拱或刚架等结构作为中间支撑，形成各种形式的组合屋盖结构。例如四川省体育馆和青岛市体育馆的屋盖是由两片索网和作为中间支撑的一对钢筋混凝土拱组合起来的，丹东体育馆则是由强大的钢筋混凝土中央刚架和两片单层平行索系组合而成。北京朝阳体育馆由两片索网和被称为“索拱体系”的中央支撑结构组成（图3）。索拱体系本身也是一种组合结构。朝阳体育馆采用的中央索拱体系由两条悬索和两个钢拱组成。索和拱的轴线均为平面抛物线，分别布置在相互对称的四个斜平面内，通过水平和竖向连杆两两相连，构成桥梁形式的立体预应力体系。索拱体系的工作性能显示了索和拱两种构件相互配合、相互补充的特点。与单纯的悬索比较，索拱体系具有较大的形状稳定性和刚度。尤其是在抵抗集中或局部荷载时变形较小；与单纯的拱比较，索拱体系中的拱由于同张紧的索相连，其整体稳定性较好，因而不需强大的截面。这种索拱体系的概念是一种有意义的创新。
　　采用各种组合式屋盖不仅进一步增加了建筑造型的多样性，而且往往能更好地满足某些建筑功能上的要求。例如通过设置中央支承结构适当抬高了体育馆比赛场地上方的净空，而两侧下垂的悬索屋面又恰好与看台的斜度配合一致，所以这种元宝形的屋盖形状给体育馆建筑提供了最优的内部空间。
　　采用组合式屋盖结构往往并非由于技术经济方面的理由。从技术经济的角度，单片索网或其它悬索体系可以经济地跨越很大的跨度，本非必需要采用中间支承结构。事实上，对于一般中等跨度的建筑物。采用单片的悬索体系常可能获得简单经济的设计。所以，采用组合式屋益结构在许多场合毋宁说主要是出于丰富建筑造型和更好地满足建筑物使用功能方面的考虑。毫无疑问，从我国这几年的实践效果来看，它在这方面是起到了预期作用的。
　　将斜拉体系利用到屋盖结构中来、是近几年出现的另一种组合结构形式。表1最后部分列举了我国近年来应用斜拉屋盖结构的几个例子。斜拉体系利用由塔柱顶端伸出的斜拉索为屋盖的横跨结构（主梁、桁架、平板网架等）提供了一系列中间弹性支承。使这些横跨结构不需靠增大结构高度和构件截面即能跨越很大的跨度，从而达到节省材料的目的。但与此同时，建造塔柱本身以及可能需要的边缘锚杆和受拉基础等又要增加造价。所以设计时要设法减小各拉索施于塔顶的总水平力。从这个角度来考虑。斜拉屋盖体系最适用于大跨度的多跨建筑。或虽为单跨但没有适当附跨的建筑（图4）。这时塔柱两侧均可敷设斜拉索，使塔顶左右受力趋于平衡，塔柱可设计得比较纤柔。反之．如果仅在一侧敷设斜拉索，而靠建造强大的塔柱来抵抗拉索的水平分力，从纯粹技术经济的角度、这样的体系一般是不合算的。鉴于混合式悬挂体系在受力性能方面的潜在优势和在应用形式方面的多样性，可以预期今后将会获得更多的发展。　　　　　　　

三、 理论和实验研究

　　工程应用促进了理论和实验研究的进展。悬索结构在荷载作用下要产生较大的位移。因而计算中必须考虑几何非线性问题。这一因素形成了悬索结构计算理论的特点，也增加了分析的难度。我国关于悬索结构的第一批较系统的研究是在50年代末和60年代前期进行的。当时主要研究悬索结构分析的解析方法，例如；推导了车辐式双层索系正屋面均匀荷载作用下的计算公式；在连续化理论的基础上，应用能量变分原理对椭圆平面和菱形平面的双曲抛物面索网在均布荷载和任意集中荷载作用下的内力和位移进行了细致的分析。这些工作为当时建造的几个大型悬索结构的设计提供了理论依据。值得指出的是，在进行理论研究的同时。当时还建造了几个小型的试验性建筑物，包括一个直径为15m的车辐式双层索系屋盖和一个平面近似椭圆（18mX12m）以一对斜拱作为边缘构件的鞍形索网屋盖。建造这些试验性建筑的目的，不仅仅是为了进行结构试验，而且还在于取得建造悬索结构的施工经验。这些工作都是十分有价值的。在出版物方面，文献[11]是代表当时研究水平的一本讨论悬索结构实用计算的著作，在工程界有较大影响。同一作者在稍后时期出版的另一本著作[12]则侧重于对悬索结构解析方法的理论推导。
　　80年代初期恢复了对悬索结构的广泛研究。初期仍然着重于各种形式悬索体系的解析计算方法和以解析法为基础的各种近似方法的探讨。文献〔15）是我国第一本介绍悬索结构设计和计算的教材，它以较大篇幅系统地归纳了各种形式悬索体系的解析计算方法和相应公式，并且补充推导了平面双层索系的整套实用计算方法。文献[16]则系统研究了横向加劲单层平行索系（索-梁体系或索-桁体系）的受力性能和计算方法。
　　随着计算机的普及，悬索结构的离散化分析方法，尤其是以离散化理论为基础的节点位移法以及在处理任何非线性问题时必需的各种迭代解法引起了广泛的兴趣，并取得了迅速发展。相应的计算机程序也陆续编制了出来。现在国内已开发出一些性能较好的悬索结构分析程序，其功能一般包括体系预应力状态的计算、任意荷载作用下的内力和位移计算、施工过程的验算、温度变化等因素的影响等等；一般均包含空间索单元和空间梁单元两种基本单元，因而可将柔性的索系和劲性的支承构件或边缘构件一起进行计算，自动地考虑它们之间的相互作用，也可以用来计算诸如索-梁体系、斜拉体系等各种混合悬挂结构；不少程序配有图形显示功能。近几年建成的重要悬索结构工程大都是由计算机进行分析的。随着计算机程序及其功能的进一步发展，尤其是随着程序的商品化功能的加强以及随之而来的进一步普及，悬索结构的推广应用将会获得更加方便的手段。这并不意味着否定各种解析方法的作用。事实上，以解析法为基础的各种实用计算方法使用方便，在进行方案探讨和初步计算时，仍然具有不可替代的意义；同时，解析方法往往能提供比较清晰的受力概念。此外，对于像双层索系等比较简单的体系，解析方法已完全可以提供符合设计需要的准确而完整的计算结果。例如，吉林滑冰馆的大型悬索屋盖的设计，是由简单的手算来完成的。
　　十年来关于悬索结构研究的一个特点是做了大量的试验工作，这是我国结构研究方面的一个优良传统。早在60年代，就做过车辐式双层索系、椭圆平面和菱形平面双曲抛物面索网的模型试验。近几年来，则几乎每一个重要的悬索结构工程，都做过模型试验或现场实测，内容包括领应力状态的测定、不同荷载作用下的内力和位移测量等，也大都包括体系前几阶自振频率和振型的测定。
　　这些试验研究同理论分析工作一起，以及它们之间的相互印证，几年来使我们对各种形式悬索结构性能的了解大大前进了一步。同十年前相比，可以说，我们在设计这类结构方面，无论从结构选型的角度，还是从设计计算的手段方面，已经逐步积累起比较丰富的理论储备。
　　除了直接服务于设计的理论分析和试验研究工作外，一些更为基础性的理论研究近几年也在逐步开展。它们相对集中于三个研究领域：（1）张拉结构初始形状的确定；（2）悬索结构的地震反应分析；（3）悬索结构的风振反应分析。
　　柔性的张拉结构在没有施加预应力以前没有刚度，其形状是不确定的。必须通过施加适当预应力赋予一定的形状，才能成为能承受外荷的结构。在给定的边界条件下，所施加的预应力系统的分布和大小（这是一套自平衡的内应力系统）同所形成的结构初始形状是相互联系的。如何最合理地确定这一初始形状和相应的自平衡预应力系统，就是张拉结构的“外形确定”这一命题要解决的任务。所以，外形确定问题更确切地应称之为“初始平衡状态的确定”，或叫“初始平衡问题”。这是包括索网结构在内的张拉结构设计中的一个关键问题。对于双曲抛物面索网来说，这一问题不难解决。因为双曲抛线面对应于均匀的预应力状态，其索网内两个方向的预应力和均为常量。但对于其它类型的曲面，其初始状态一般需通过几何非线性的有限元分析来确定，尤其对于一些边

摘要】根据工程力学及建筑美学原理，提出了合理桥式所应遵循的20条准则。本文的分析结果是对桥式设计理论的贡献，可供桥式方案优化设计实践参考。
【关键词】最优设计理论 桥式 工程力学 建筑美学
1 引言
在漫长的古代和中世纪，从事建筑营造活动的工匠，既是建筑师，又是结构工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及结构的复杂化，才出现了建筑师与结构工程师的分工。但是，桥梁就有所不同，直到现在，一位桥梁设计师既是建筑师，又是结构工程师。依笔者之见，究其原因大概有三条：
①桥梁的功能并不复杂，其建筑设计可由结构工程师代替；
②桥梁所受荷载较房屋建筑特别大，因而，其造型大多以结构受力合理为重心进行选择，也就是说，桥梁建筑设计与结构设计联系非常紧密；
③桥梁建筑设计与施工方法紧密相连，而施工方法与结构受力分析息息相关，这是桥梁工程的显著特点之一。
当今世界桥梁飞速发展，越来越多的桥梁需要我们去建造，尤其是正在酝酿的跨海峡大桥，其迫切需要超大跨径，于是，人们开始不满足于现有的桥式，,而是正积极探索其它崭新的桥式,这就需要对桥梁建筑学进行研究。笔者根据多年桥梁设计的实践经验，结合工程力学原理及建筑美学法则，总结出合理桥式应遵循的若干条规律，初步形成了桥式最优设计理论。
2 合理桥式所遵循的规律[1][2][3]
桥梁结构合理形式并非有特定的单一的结构形式，因此，研究其特性应从总体上把握其规律，然后，以其为标准评价所要讨论桥式的优劣。
实际上，桥梁结构合理型式所遵循的一些规律已零散地存在于桥梁建设者的头脑中，并自觉或不自觉地运用于实践。，这里只不过将其归纳总结，使之系统化、理论化、使其具有逻辑性，有层次感。这些规律难以定量化，而只能用语言描述的形式来表达。
【准则1】良好的结构方案是良好结构设计的重要前提。
因为在结构设计中，无论多么完美的结构计算都无法弥补经结构构思而形成的结构方案中的不足，相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足。由此可见结构构思的重要性。
【准则2】功能准则 结构应满足全部功能的要求。
准则2给出了桥式最基本的要求——功能要求。
【准则3】功能决定结构。
由准则2不难得到准则3。桥梁的跨越功能是桥梁最基本的功能之一，桥梁的跨越功能决定了桥梁必须有桥跨结构，而为了支承桥跨结构，必须有支承结构。桥梁要使其上的车辆或行人等安全、舒适地通过，桥梁须能承受车辆、行人等荷载，且不产生过大的变形而影响使用。正是桥梁功能的要求，才使得为满足桥梁功能要求而修建的结构被称为桥梁。
【准则4】几何不变准则 一般工程结构都必须是几何不变体系。
为了保证车辆、行人等安全、舒适地通过桥梁，桥梁结构在主要受力面-顺桥向铅垂面内应保证几何不变，在次要受力面-横桥向铅垂面及水平面内亦应保证足够的刚度。这是桥梁成为工程结构的基本条件。
判别一结构是否为几何不变的过程称为机动分析[3]。
【准则5】传力路径准则 合理的结构在荷载作用下，其传力路径较短。
传力路径——笔者建议将构件中主拉（压）应力迹线定义为传力路径，将结构在使用荷载（包括桓载）作用于，各主要受力构件传力路径之和定义为该结构的传力路径总长。
对于拉（压）杆，其主应力迹线均平行于杆件轴线，因此，传力路径等于杆件的长度。而对于纯受弯杆件，任一横截面内均有拉应力及压应力，其主拉（压）应力迹线亦平行于杆

作者简介：张师定（1965-），男，桥梁工程师，陕西大荔人，1989年毕业于西南交通大学桥梁专业，获工学学士学位，主要负责设计了泰州引江河大桥等，发表学术论文11篇.
件轴线，其传力路径等于杆件的长度。但梁常为弯剪耦合构件，梁内任意一点均处于二向受力状态。其主应力迹线呈曲线，可见，其传力路径复杂，此时可将梁比拟为“桁架”（拉一压结构），其各构件传力路径之和可定义为梁的传力路径。对于弯剪扭耦合构件，可将其比拟为“空间桁架。可见，拉（压）杆件传力路径较受弯杆件短得多，它是传力最简捷的构件。
不论是桥跨结构还是支承结构，不论是横截面内（如受弯箱梁在弯矩平面内的传力路径主要是沿腹板传递，因此，其主筋应配置在靠近腹板的范围内为好等）还是细部构造（如拱上立柱与箱拱连接处横隔板沿立柱竖向设置较径向设置传力简捷；带挂孔的悬臂梁桥采用受拉型铰较传统受压型铰施工吊装方便、牛腿的受力与梁的受力吻合，细部构造优越等），传力路径简捷、明快者为较好的形式。
【准则6】应力均匀准则 结构应力应均匀流畅。
对于杆系结构，应力均匀流畅包括杆件横截面内应力均匀，沿杆件长度方向内力均匀及结点、边界处应力均匀，总之，要求结构应力处处均匀流畅。
只有结构应力均匀，才能较好地发挥材料的强度，取得经济效益。
准则5与准则6是从力学角度衡量桥式优劣的重要准则。
【准则7】承受轴向拉力或压力的结构，简称为“

太好了，如此详细的介绍让我收获很大，谢谢斑竹的无私奉献.

支持一下！介绍的很详细，谢谢斑竹的无私奉献，让我收获很大

很感谢,介绍深入浅出,正在为悬索结构论文发愁呢~~呵呵这下找到好东东了~~

支持一下！介绍的很详细，谢谢斑竹的无私奉献，让我收获很大,hehe!