土木工程建设是人类对自然资源消耗最大的行为，对有限的物质资源进行合理使用，关系到人与自然的和谐问题。资源的节省是最大的绿色建造，而不仅仅是减少施工过程中的环境干扰与污染。实际上，工程经济性是我们一贯坚持的设计原则，是一切先进工程设计理念的基础。而轻量化设计的目标，就是降低造价与资源消耗。从工程建造技术的角度来看，最少的材料消耗是工程师永无止境的追求，轻量化桥梁设计理念就是围绕这个问题提出的。
如何理解轻量化
刚度与轻量化的关系
跨越与承载是桥梁的两个基本功能，前者为适应建桥环境的需要，后者是满足使用功能的需要，缺一不可。一般情况下，人行桥很纤细，铁路桥较厚实，这是与使用功能相关的挠跨比指标反映的相对刚度决定的，但不能说人行桥是轻量化的结构。同时，轻量化不能造成刚度降低影响使用功能和结构安全。
轻量化定义
在相同的条件下，以最少的材料用量达到相同的使用刚度预期，并满足所有力学检算要求，轻量化是相比较而言的概念。比如，将实体简支板梁改为空心板梁是最经典的轻量化设计示例，挖空板截面减轻自重，而惯性矩减小可通过适当加大梁高来弥补，这是简支梁轻量化设计。具体处理方法还有如T型梁、π形梁、工字梁、箱形梁、桁梁等等，都是结合各自条件对实体简支梁的轻量化改进。在此定义下，不改变实体特征的简支梁优化设计不纳入轻量化设计的范畴。
轻量化的主要力学原理
轻量化是在充分利用力学原理的基础上，使结构更加合理的设计过程。一般有以下几条——
1.最短的传力路径。从结构体系上应使受力传力路径最短，尽量避免力流绕行，所以，大面积均匀受力比集中受力好，直接受力比间接受力好，对称受力比非对称受力好，闭口截面比开口截面好。
2.最大的截面惯性矩。在承受相同的弯曲、扭转和压弯等荷载时，截面惯性矩越大杆件应力越小，即截面惯性矩越大承载能力就越大，实际运用中将较多的材料从结构中心移开，如从实心截面到空心截面的设计。
3.轻巧的结构构件。通过离散的构造，加强较大的横截面面积，使之具有较大的整体受力特征，比如正交异性桥面板、华夫板都是这种设计思路，实际效果比实心厚板的刚度要高出很多。
4.曲率的支承作用。通过杆件弯曲设计可获得远高于直杆的承载能力，将弯剪传力部分地转化为轴向传力。轴向传力最为直接，并且对动载而言是最快传到基础的。
5.有针对性地加强主要受力方向。桥梁以纵向受力为主，所以才有T梁这种非常突出的结构，以及钢桥面板的U肋、I肋、倒T肋加劲的正交异性桥面板结构。
6.优先遵循一体化原则。从建造角度考虑，尽量采取单一的轻量化措施，这主要看对施工造成的不便程度而定，即施工费用与直接材料费的权衡。
7.合理设置空腔。受到荷载作用的结构会存在类似于水流一样的应力流，有“流速”大小分布不同的现象，设计时可以对力流盲区做空腔处理、对应力较小的区域做瘦身处理，在保持承载能力的前提下减轻重量。
8.充分挖掘材料潜力。合理运用材料，并采用可靠的计算方法，关注动载效应,在准确了解结构受力情况的前提下，对结构细节与尺寸进行优化，使结构各部分的安全裕度均衡地满足要求，尽量消除过大的安全储备的区域。
轻量化方法探讨
结构轻量化的目标是减少资源消耗，从这一点看，轻量化设计行为实际上一直都存在，轻量化设计是工程科学的综合运用。
轻量化与结构维度的关系
梁或杆件是一维构件，承载垂直于梁轴线的荷载的能力是由抗弯抵抗矩决定的，梁横截面需要足够的惯性矩。当梁宽度接近跨度时，如屋盖，就可转变为多边支撑的二维构件，双向受力的经济性比一维的梁要好；梁在竖向弯曲起拱也可以变成二维构件，承受荷载能力也比梁更经济；如果双向受力的屋盖起拱变成穹顶壳体屋盖的三维结构，其经济性更好。可见，维度增加承载能力也增加，是使结构轻量化的常用手段。
轻量化与结构自由度的关系
简支梁是外部约束最少的静定结构，其承载能力一般由跨中弯矩决定；当对简支梁增加约束减少自由度，使之变为连续梁时，相同跨径下控制承载能力的弯矩绝对值有较大幅度地减小，所以连续梁的横截面可以小于简支梁，但从梁体工程数量来论是轻量化了；当进一步增加约束减少自由度，使之变为连续刚架，类似的道理，其工程数量也将进一步减少，轻量化程度也更高。可见，外部约束越多自由度越少，结构受力越趋于均衡，有利于减小构件尺寸，越利于减少工程数量，结构越轻量化。
仿生学的启示
在动植物世界里，生态构造永远是以最小能源消耗方式制造出来的，总是重量轻，寿命长，并保持一定的刚度，总能做到适合躯体需要的最佳质量分布。即在遇到最大载荷的地方优先得到生长，在承受很小载荷的地方,材料则减少。比如，蜘蛛丝的材料密度极小，仅约0.1g/cm3;平面结构的刚度如树叶一样通过生长路径来形成，其结构具有很高的抗弯刚度和翘曲刚度。观察发现，遵循自然法的生物世界会以智能化的方式设计建造自身的结构，所以，仿生学在许多方面给轻量化设计指明了方向，即如何建构体系、优化结构。比如：贝壳——薄壳结构；蜂窝——网格结构；蜘蛛网——索网结构；气泡——充气或泡沫结构，都是人类从仿生中学到的典型轻量化结构的实例。
常用轻量化手段
设计中经常采用的工程优化措施都属于轻量化范畴，是事实存在的。主要有如下三个方面——
1.材料结构轻量化，比如大孔隙率材料，泡沫塑料。
2.截面构造轻量化，空心截面（桁架是空心截面的一种特例）、薄壁结构、加劲板件等。
3.结构体系轻量化，由简支梁到连续梁是体系轻量化举措，由梁式桥到拱桥、斜拉桥、悬索桥及组合体系，采用钢桁或钢箱桁加劲梁等都是从结构体系的变化中得到更加轻量化的桥梁。
体系轻量化设计
悬索拱桥组合体系
大跨度铁路悬索桥到目前为止还多是与公路或市政合建，目的是通过较大的桥梁规模来获得足够的悬索桥加劲梁重量，以获得足够的主缆重力刚度，换句话说，单纯的铁路功能需求的桥面宽度很有限，假设每米梁重W1，要提高使用刚度势必需要增加额外的加劲梁结构重量W2，这样将导致经济性指标劣化。虽然有专家认为，可以放宽列车行驶在悬索桥上的挠跨比要求，但个人认为这终究还是会降低列车行驶条件的，所以，提高铁路悬索桥自身刚度的技术很有意义。
这里采取的轻量化设计思路是：加劲梁按功能需要做,每米重W1,而让附属在加劲梁上的重量W2发挥更大的作用。众所周知,拱是提供竖向刚度最大的结构形式，将W2这部分材料做成悬索桥的辅助拱结构，用于提高传统悬索桥的刚度,便得悬索拱桥组合体系的桥梁结构形式，见图1。
图1 悬索拱桥组合体系的桥梁结构简图（单位m）
目前拱桥的最大跨度不到600米，跨度上千米的拱肋如何满足屈曲稳定系数大于4的基本要求是问题的关键，解决办法是：按W1+W2的总重完成找形，如一般悬索桥完成施工（桥面呈上拱状），依托悬索桥在加劲梁下施工拱之立柱，再在立柱下施工拱肋（拱脚悬空），拱肋施工完后是全部悬挂在加劲梁下，此为主缆找形计算的控制状态（桥面为设计状态），目的是将拱的所有重量都由主缆承担，以获得最大的重力刚度。此时在拱肋应力近似为零的状态下固定拱脚，即成桥状态拱肋应力接近零，这样就可以把拱肋受力控制在不会压溃的范围内，最终实现以缆索承担恒载，拱肋及主缆共同承担各种活载的分工。由于拱肋竖向刚度是主缆的几倍，缆索承受活载较悬索桥小很多，所以，同样重量的大桥，悬索拱桥组合体系的主缆可以比悬索桥略小一些，加劲梁W1+拱肋W2=通常悬索桥的加劲梁重量W，这样就可以在重量不增大的前提下实现刚度增大几倍的效果。如果反过来追求一样的刚度，则可减少较多工程数量，实现结构体系轻量化。
图2 经典悬索桥与悬索拱桥的有限元模型
另外，悬索拱桥还有一个重要特性，即在温度升降作用下悬索与拱肋的竖向变形是向反的，温升时主缆下垂桥面下挠、拱肋上拱桥面上挠，桥面实际挠度为两者之差；温降则反之，且理论计算可以使之为零。
第三类斜拉索索面
在斜拉桥跨度和塔高都一定的情况下，为了减小斜拉索力，一般都采用竖向分力最大的辐射形索面，或接近辐射形的扇形索面，相对而言竖琴式斜拉索索面更多的是从观景角度考虑。但如果考虑斜拉索的支撑刚度问题时，竖琴式斜拉索索面因平均索长小，相对支撑刚度则更大。根据这点提出第三类斜拉索索面：是尽量缩短近塔部分斜拉索的长度,以求在拉索力与相对拉伸刚度上对桥梁整体贡献最大，由分析得到图3中的结果。可见，近桥塔的斜拉索水平夹角在40～68°范围对梁的支撑刚度较大，而太陡的斜拉索因为太长而效果不佳。据此拟定图4所示的第三类索面与经典扇形索面斜拉桥的对比计算，其主要设计参数：主跨1200m,桥面以上塔高320m，靠近跨中的28根斜拉索保持原扇形布置,靠近塔处22根斜拉索向竖琴式逐渐过渡，这部分斜拉索的水平夹角从45.0°渐变到66.0°。由于斜拉索长度减短，其不含锚具的计算总重11300吨，较经典形式拉索的12000吨减少700吨,若把它回馈给其他斜拉索则刚度增大10%。同时，主梁在桥塔处的活载负弯矩从-15375kN-m降到-10713kN-m，将大大改善主梁结构设计。
图3 斜拉索竖向支承刚度与水平夹角的关系图
图4 第三类索面与经典扇形索面的对比示意图
图5 第三类索面与经典扇形索面的斜拉桥有限元模型
核心承载网架桥塔
大跨度桥梁的桥塔较高较大，一般其体量也比较大，根据其受力特点一般定义为压弯杆件，再进一步剖析的话我们可以通过施工控制使其在恒载作用下为受轴向压力的杆件，只有活载作用下才承受弯矩。根据这个受力特点，假设存在一个承压的核心体用于承受轴向压力，一个外围体承受各种活载产生的弯矩，再分别选用合适的建筑材料，由此就产生了这种轻量化的桥塔结构形式：核心为平面尺寸较小的高性能或超高性能混凝土，悬索或拉索附着于此，外围为轻质高强的钢网架结构，承受活载弯矩的同时，减小所受的侧风荷载。核心承载网架桥塔材料消耗较通常桥塔少，减轻幅度取决于具体情况，如桥塔规模、材料选用、施工方法等。
图6 核心承载网架桥塔效果图
轻量化设计的前景
地球资源是一定的，而世界人口不断增加，加上生活质量改善的不懈追求，客观上加剧了生活环境的危机。所以，以减少资源消耗为终极目标的轻量化设计会越来越受到重视，而围绕轻量化设计的各种研究也会越来越多，所涉及的领域也会越来越广泛，这里仅是提出问题，而无法深究。
近些年，虽然我们在设计上引入了一些很时髦的东西，比如概念设计、人性化设计、景观设计、精细化设计、绿色设计、协同设计等等，甚至直接标榜创新设计，但却缺乏力学应用上进步，有的为了所谓的美观甚至挑战力学基本原理，以致于五十多年来再也没出现像双曲拱桥这样的原创发明技术。
当然，能不能用上这些轻量化方法，必须结合具体工程的实际情况，只有顺势而为才符合自然之道，才能获得较好的轻量化效果，从节约资源消耗的源头体现最大的环境保护效益。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2021年 第3期 总第101期
作者 / 饶少臣 饶诗维
作者单位 / 中铁第四勘察设计院集团有限公司
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
责编 / 王硕
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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