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[创意] 最著名的未建桥梁__梦幻般的Ruck-A-Chucky桥

14国外桥梁 2009-01-06 23:52:07 阅读1558 评论4   字号：大中小 订阅

　　上个世纪的1977年，林同炎先生和他的搭档D. Allan Firmage设计了跨越美利坚河（The American River ）奥本坝库区的斜拉桥方案，取名为Ruck-A-Chucky Bridge（简称Ruck桥）。
　　Ruck桥位于距加里福利亚（California）10英里的奥本坝水库上。桥梁设计参照了美国桥梁设计规范AASHTO。桥梁长度1300英尺，主梁方案为钢箱曲梁和钢混曲梁，曲率半径457.20米；众多的钢拉索组成了空间双曲面索面，四个索面的拉力代替了桥梁墩台，承载了整个桥梁的荷载，所以全桥没有一个桥墩；拉索按照曲线的布置规律地锚固在两边上坡上，利用两边山体的岩石自重及岩体地质特性来充当强大的地锚结构，以此来平衡桥梁的荷载。
　　按照今天的环保观点来看，当年Ruck桥很好的利用了地形。在公路的回头弯上布置了一座没有桥墩的桥梁，最大限度的保护了自然生态，在保证行车功能与安全的前提下，独特的几何造型与自然环境恰好地融为一体，不能不说是一种巧夺天工创举。Ruck桥曾在1979年赢得Progressive Architecture的设计首奖。虽然最后未能付诸于工程，该桥一直被公认为力学与美学结合的典范作品，而被称为“最著名的未建成的桥梁”。
　　Ruck桥的结构是斜拉曲线梁，中间设置了铰，这样有益于控制温度及拉索变化而导致的内力变化。这种结构的桥梁有一些类似西班牙的诺拉桥（主跨440米斜拉桥）和中国郧阳汉江大桥（主跨414米斜拉桥），它们共同的特点就是在桥梁主梁跨中设置了铰，因此在桥梁中间有一道伸缩缝。所不同的是后两座桥为直线桥，而Ruck桥为曲线桥，从结构受力与稳定的角度来看更显复杂。
　　从桥梁平面来看，跨中的铰节点与桥梁两端的支撑构成了单铰拱结构，而密集的拉索形成了对拱结构的弹性支撑，从而增大了桥梁的抗风及抗震能力。不过，由于桥梁中间的铰的存在也会降低行车的舒适性，给铰伸缩缝的维护工作带来一些困难。
　　遗憾的是由于各种原因，Ruck桥没有实施，但是这些设计上的思想与技术已被用于后续的桥梁上了，并在已经建成的工程中得以证明技术的可靠与可行。这些技术包括岩石锚固，后张预应力，空间索面，悬臂施工，正交异性板，抗震及风震的动态分析，风力风洞试验，负载平衡，应力控制和计算机仿真分析等。

四个双曲面拉索构成了桥梁承重支撑

桥梁的横断面设计

桥梁的平面布置图

桥梁设计三维效果图

桥梁设计三维效果图
以上引文来源  美国的Ruck-A-Chucky桥-Alaskan Snow-搜狐博客

　　美国加利福利亚州的Ruck-A-Chucky Bridge坐落于American River之上，该桥由林同炎和D. Allan Firmage共同组织设计，堪称桥梁设计上的一个极具创造力的典范。
图1 Ruck-A-Chucky Bridge的外观图
图2 Ruck-A-Chucky Bridge的俯视图
　　该桥的桥身非常有特色，是一个半径为457.2m的圆弧段，跨中为一铰接点。从结构的选型上来看，圆弧形桥身能够很好的满足车道的转弯半径要求。更重要的一点是，该桥位于山间，其抗风性更应该值得关注，要尽量避免出现像The Tacoma Narrows Bridge一类的破坏。风荷载带来的各种动力效应、各种复杂边界条件对桥身整体抗扭刚度的影响、如何在风洞试验中适当的界定场地的影响也是非常值得关注的。
　　Ruck-A-Chucky Bridge的俯视图见图2，为了分析桥身在风荷载作用下的各项受力问题，我们把桥身简化成一个两端固支，中间带一个铰的拱模型，并对这个模型作如下的假定：
．钢缆的拉力分解在水平和竖直两个方向，现在只考虑水平方向的受力；
．水平方向的钢缆拉力沿半桥身作线性变化；
．风荷载简化为水平方向的均布荷载作用于桥身（桥身刚度较大）；
．各种外力的大小没有具体的意义，只是为了与后面的比较；
图3 计算模型
图4 模型位移
图5 计算弯矩图
图6 荷载反向时的计算模型
图7 荷载反向时的模型位移
图8 荷载反向时的计算弯矩图
　　从上面两个计算模型的简要计算结果可以看出，在水平荷载的作用下Ruck-A-Chucky Bridge所用的曲线形桥身与直线型桥身相比有明显的优势。对此，我们可以做出如下解释：当荷载方向如图3所示时，桥身在平面上近似一个拱，通过拱作用优化传力路径，由直线型桥身的受弯为主变为受压为主。同时，由于钢索拉力的作用，我们可以把钢索看成是一个一个弹性支撑，这样弯矩就在整个桥身的范围内得到了有效的控制，而不会像直线型桥身那样在支座处出现较大的数值。前文提到，由于桥身跨中有一个铰结点，它虽然能够减轻温度等因素对桥身的影响，相应的也会增大桥身的位移，因此此处的位移控制对整个结构有极为重要的作用。从直线型桥梁的模型上来看，如果没有其他的控制措施半个桥身的变形就类似于悬臂梁。同样的由于桥身的拱作用，该点的位移也得到了有效的控制。可以说，Ruck-A-Chucky Bridge体现了一种东方的拱桥设计思想。
　　当荷载反向时（图10），桥身由拱变成了一个反向的圆弧，此时，对外荷载的抵抗主要由钢缆来起作用。首先，施加在钢缆上的预拉应力能够有效地抵消一部分地震/风荷载；其次，考虑到桥身发生一定的微小位移后，会发生钢缆将桥身牵引回原来的位置的趋势。相应的这种作用也确保了铰结点不会发生较大的位移。
　　综上，Ruck-A-Chucky Bridge是一座非常有特色的桥，设计者立足于此桥所受的限制条件，在大量分析的基础上，别出心裁的使用了斜拉作为桥的基本结构。同时作出了相应的调整，利用一个圆弧段作为桥身，有效地满足了使用要求。虽然由于种种原因这个桥最终没有建成，但是林同炎先生深厚的技术功底以及具有特点的结构理念将为我们所铭记。

美国总统里根在1986年将美国最高科学奖——“国家科学奖”颁发给第一个入选美国国家工程院的美籍华人林同炎教授，奖状上的赞词写着：“他是工程师，教师和作家。他的科学分析、技术创新和富于想象力的设计、不仅跨过了科学与艺术的壕沟，还打破了技术与社会的隔阂。”1956年他完成的力作《预应力混凝土》一书，被公认为预应力学术界的权威著作，被美国土木工程学会评选为大学最好教科书之一，翻译成日、俄、西班牙等多种文字出版。他是“美国预应力的功勋人”，被尊称为“预应力混凝土先生”。他首创的“荷载平衡法”设计理论，成为预应力混凝土设计三大基础理论之一，被尊为现代建筑的一代宗师。1969年，美国土木工程师学会（ASCE）将该学会的“预应力混凝土奖”改名为“林同炎奖”.