通常说的“桁架桥”,其实可以更准确些,说成“桁架梁桥”“桁架拱桥”“桁架梁斜拉桥”“桁架梁悬索桥”。
根据美国1976年的统计,有历史影响的桁架形式,超过30种!
在桁架桥的形成和演化前期,可以算是根据技艺和经验设计桥梁的年代。这期间,桥梁建造的方法经由工匠们自己总结、师徒相传。工匠们根据跨越需要和能够获取的材料,创造了各种几何构造形式的桁架。
桁架的发展,从最初的三角形,衍生出不同的组合、不同的构成,再回归简单三角形,也经历了一个“适者生存”的过程。那些经受了时间考验,由实践证明既能安全有效传力、又节省材料,同时通过了19世纪末成熟的结构设计理论验证的形式,才留存下来。
因此,穿越到19世纪,对桁架的发展历程做一番回顾,看看那30多种桁架的几何构成如何产生、如何变化、如何淘汰,是一件很有趣的事。桁架的演变过程,既是结构工程史中的一章,又是工程方法进化的一环,更是桥梁发展的一段历程。
“国王”柱和“王后”柱
石器、铁器和青铜器,被用来描述人类文明历史进程中的不同阶段。而木材的使用,一直伴随着人类文明的各个阶段。
在18世纪以前,造桥的材料基本上沿用直接取材于大自然的建造材料,即石材、木材、植物纤维。作为建筑材料,木材资源丰富,容易加工,方便运输;木桥也容易架设,通常不需要特别的设备和高密度的人工。木材可能是人类用来建造桥梁的第一种材料,也应该是在广泛使用混凝土和钢材之前,桥梁建造使用最多的材料。石材、砖块和木材,尺寸都有限。要实现较大空间的跨越,古人发明了拱和桁架。
普遍认为,桁架最初是意大利建筑师帕拉迪奥用木材建造了一些桁架梁屋架和桥梁,并在建筑论述中,对桁架的体系结构做了详细说明。这是有文字记载的几种桁架的雏形,与今天的结构工程师熟悉的桁架形式很相近。然而,帕拉迪奥的发明并未得到充分的重视,几乎没有流传。
设想最初的木桥是用砍倒的大树,并排支撑在小溪的两岸,供人畜通过,相当于今天的一跨简支梁;跨越较宽的河流时,树干不够长了,如果河水不深,就在河中堆积石墩,或者将短粗的树干放到河中,充当桥墩,架起多跨简支梁。
当河床变深,或者是跨越山谷,无法在桥下立墩了,借用屋架的经验,工匠们知道可以用两根斜杆共同工作,承受竖向力。当屋架三角形用来做桥梁时,荷载施加在下弦,为了减小挠度,需要一个立柱,跨度再增大,就加两根立柱。
用今天的桁架计算原理,如果桁架节点是铰接的话,双竖杆桁架的中央部分是不稳定机构。当使用活载增大,桁架将不可避免地产生变形。显然,木匠在实践中注意到了这个问题,他们在立柱间增加了斜杆。这导致了两种桁架构造。直观的思路是,用最短、最直接的路径将跨中荷载传递到桥台,斜杆不是设置在节间,而是一端与竖杆相连,另一端与支座连接。另一种是用最少的材料为原则,形成如图所示的桁架。不过,在这个阶段,人们对这种结构形式的认知是,支撑桥面的弦杆是主要受力构件,立柱、斜撑杆和由于跨度的增大而添加的上弦杆,都是次要杆件。因此,立柱、斜杆和上弦用的木材截面都比下弦杆小。
19世纪前的桁架桥
随着跨度继续增加,类比多跨简支梁的方式,需要增加更多竖杆,便出现了下面的桁架构造。今天我们知道在增加竖杆的同时,就是增加节间数量。但在19世纪初,即使已经有了工科院校,绝大部分的桥梁建造仍然是由没有接受过学院训练的工匠完成。他们不做理论分析,而是凭直觉。他们认为,作用在桁架下弦节点的荷载,通过竖杆传递到上弦,再由斜杆直接传递到桥台。这是想象中的最短传力途径。
今天看来,这样的桁架简直是没有道理的繁琐。不过在当时,桥梁结构用经验设计建造的年代,“最短传力途径”思路被直观地接受。
在18世纪末19世纪初,在活载小、跨度不大时,这种结构形式的弱点尚不明显。而且,既然假定桁架的每根杆件都将荷载直接传到桥台,相互之间互不依赖,就可以很容易更换损坏的杆件。这一点对易腐烂的木桥而言更为重要。
19世纪以前,在北美洲、欧洲,在阿尔卑斯山的北部山区、北欧等森林资源丰富之处,都建造了大量木桥,这些桥梁都是木匠们完全依赖实践经验的杰作。他们在建造砖石拱桥和桁架桥的长期实践中,已经对材料的“拉”“压”性能有了直观和正确的了解。因而,在建造大跨度桥梁的时候,即使使用木材构筑桁架,他们也本能地偏爱拱的几何形式。
桁架的演变过程,是一个不折不扣的、从原点到原点的闭合圆,也是对桁架的两种设计思路的证实和证伪的过程。
19世纪,工业革命的成就,改变了延续千年的以砖石木材作为建筑材料的状态,为桥梁注入了轻质高强的金属材料;蒸汽机车的不断进化演变,促进了铁路桥梁的强度和刚度的持续提高。而最为重要的是,桥梁建造由个体的工匠,发展成为专业工程公司,桥梁设计开始由经过工科院校训练的工程师全面接管,结构计算成为基本的设计手段。桥梁建造不再是纯粹经验的试探、纠错,而开始依靠力学设计原理。
桁架,则是其中诞生的产物,时至今日,仍然在桥梁中有着丰富的应用。
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