大型城市桥梁与民众朝夕相处而引人注目，将优美造型与桥梁结构设计有机结合起来是广大桥梁工程师面临的重大课题，其中钢与组合结构桥梁发挥着越来越重要的作用。本文围绕拱桥、斜拉桥、悬索桥、梁桥等基本桥型，以6座大型城市桥梁为例，介绍了其简洁、大气的造型特色以及相应的桥梁结构设计，展示了钢与组合结构的多重应用创新。
审美功能是桥梁的基本属性
桥梁是跨越障碍的构筑物，交通功能是桥梁的第一属性。同时，桥梁是自带标志性的构筑物，承载着人类的历史与文化。可以说，自古以来，审美功能也是桥梁的基本属性。例如，位于四川泸州的龙脑桥是修建于明洪武年间（1368至1398年）的石墩石梁式平桥，与桥墩浑然一体的龙、兽群雕体现了精美的石刻艺术，在全国古桥中确属罕见，充分体现了交通功能与审美功能的统一。
城市桥梁有更高的美观要求
桥梁景观的核心是结构造型
桥梁是狭长形的构筑物，体量巨大，不同形态与力线的结构有机组合在一起就是天然的景观。因此，桥梁景观的核心是桥梁结构造型。一座美的桥梁不但要与周边自然环境及当地人文历史相融合，桥梁自身更要体现天然之美——结构美，桥梁美的灵魂是结构之美。
本文以6座大型城市桥梁为例，阐述其建筑造型与结构设计创新，这些案例包括了拱桥、斜拉桥、悬索桥、梁桥等基本桥型。
拱桥
1.大同市北环路御河桥
大同市北环路是连接古城区和御东新城区的主要道路，规划为城市主干路，地震基本烈度为7度，采用“8快2慢”布置，单侧人非混行道宽度4.5m。主桥采用跨径布置为（28+70+130+28）=256m的四跨连续拱梁协作体系（图1、2），标准宽度48m，其中主跨采用两跨空间三角形拱桥。
图2
大桥采用拱梁固结体系，中墩为拱墩固结，拱肋为六边形钢箱断面，主梁为双边钢箱断面，梁高为2.5m。拱肋内倾角度73.84度，桥面以上大拱高度约54.8m，小拱高度约15.8m，大小拱交叉处拱脚至桥面高度为12.2m。
方案构思以大同市五岳中的北岳恒山主峰——天峰岭与翠屏峰为造型元素，借助恒山主峰的东西两峰对望，高低相伴，与御河交相辉映，谓之“山水拱桥”。大拱在拱顶自然形成交汇，小拱则不设风撑，变化有序。
处理好造型和结构受力之间的关系是本工程的难点。通过对多种体系方案进行综合比选，最后采用拱梁固结的空间异形三角形拱梁协作体系。三角拱所有吊杆锚固于拱的顶端，所有吊杆力的合力与两根直杆的轴向压力形成平衡的三分力，结构合理，传力路径明确。本桥设计采用钢梁兼作系杆来平衡拱肋产生的水平推力，并通过拱梁固结形式，以平衡大小拱肋产生的不平衡水平力，整体结构对主墩基础基本不输出水平推力，有效降低了基础规模。
2.玉环市西沙门大桥
西沙门大桥位于浙江省玉环市，跨越西沙门海域。2019年3月，经玉环人民的投票评选，体现玉环特色的“文旦”桥型方案以其独特创意和美好寓意脱颖而出（图3）。大桥于2018年开始方案设计，现正在施工中。
图3
桥型方案以“玉带环飘、文旦其中”为设计主题（图4），简洁、优雅、流畅的拱肋呈现玉带飞舞，辉映水面，交互成环；扭绞式布置的空间索面隐含“文旦”抽象造型，体现了地方特色（外观设计专利）。
图4
桥址百年一遇基本风速达到55.4m/s，常年受台风袭击4～6次。因此，主桥采用（100+150+100）=350m三跨连续布置、单钢箱拱肋、整体组合钢箱梁（宽38.5m、高3.8m），通过改善结构气动外形、合理增加自重以提高桥梁抗风性能。拱肋为空间三维曲面，主梁吊索布置采用空间网状索面，存在以下二维设计很难准确表达的难点：（1）板件双向弯曲和扭曲问题；（2）拱脚空间平面交汇过渡问题；（3）网状吊索空间碰撞问题；（4）锚箱放样及张拉空间检查。为此开展了从方案、初步设计，到施工图全过程BIM正向设计（图5）。对于国内首次应用的扭绞式吊索新型布置方式，开展了合理吊索力研究以最大程度发挥其作用。
图5
3.太原市晋阳大桥
晋阳大桥位于太原市南部新城，西临晋阳古城，东接太原综改区，跨越约400m宽汾河，地震基本烈度为8度。
由于地处历史厚重之地——晋阳古城，主桥采用单跨204m简支下承式钢桁架拱桥，主桥两侧对称布置古典式桥头堡，与拱桥融为一体，相得益彰，有机形成了整体性古典风格，但不失现代感的大型桥梁景观，实现了“长虹卧波，融贯古今”的建筑造型构思（图6、7）。
图6
图7
拱肋为全桥设计特色，分为上下弦拱，上下弦拱间采用X形腹杆，上弦拱矢高48.5m，下弦拱矢高42m，下弦拱矢跨比为1/4.76。跨中处主拱桁架高度6.5m，支点处为16m。上下弦拱均采用钢箱断面，高度为1.5m～2.5m，宽度为2.0m，墩顶竖直腹杆采用箱形断面，其他腹杆均采用工字形断面。桥面系钢梁为纵横梁格体系加正交异性桥面板，断面高度2.5m。为减小地震作用，桥头堡采用“钢+混凝土”混合结构、辅以干挂石材装饰的方案（图8）。
图8
斜拉桥
太原市摄乐大桥
太原市摄乐大桥，位于太原市北部跨越汾河，主桥采用跨径布置（30+150+150+30）=360m独塔空间扭索面漂浮体系斜拉桥（图9）。
图9
据《周礼》《汉书·地理志上》记载，并州为九州之一，包括山西太原等地。《说文解字》：并，相从也。一曰从持二为并。桥塔造型构思取自古字“并”，两片塔柱向上合在一起，即无横梁“并之塔”。由于桥下净空高度较小，取消了下横梁，整体造型简洁大气，塔柱宽度大幅变化令人印象深刻，辅之于空间扭索面布置，更加突显了桥塔的挺拔，也赋予了全桥向上的动感。
塔柱宽度大幅变化是本桥景观亮点，也是设计难点。为适应地震基本烈度8度的情况，塔柱采用“钢+混凝土”混合结构，利用汾河蓄水环境对阻水率要求不高的有利条件，桥面以下采用了最大宽度达19.4m的钢筋混凝土结构，满足了无下横梁条件下的抗震受力要求，巧妙实现了造型与结构受力的统一。塔柱断面纵桥向尺寸在4.5～19.4m之间变化，横桥向尺寸桥面以上为4.5m、桥面以下渐变至5.5m。塔柱外侧为两个斜率不变的斜面，形成稳定的视角线；内侧为椭圆拟合，实为空间弯扭面，通过短轴不变、长轴的线性变化实现塔柱变断面，也是钢结构设计难点。
无横梁桥塔设计与空间扭索面全漂浮体系相结合，取消桥塔横梁支座，扭索面布置使塔区索代替支座发挥了零号索的作用，提高全桥的总体刚度（图10）；由于本桥跨度不大，斜拉索仅采用一种规格，显著简化了设计与施工；钢塔柱与混凝土下塔柱间采用双层端板承压的方式进行连接；空间扭索面角度变化较大，锚固成为钢结构设计难点；主梁采用双边箱梁钢结构及UHPC钢桥面铺装，是我国内较早的UHPC应用实践……以上均为本桥设计特色。
图10
悬索桥
太原市通达大桥
太原市通达大桥，主桥跨径布置为(36+133+208+39）=416m的独塔空间缆全漂浮体系自锚式悬索桥（图11）。无下横梁拱形桥塔创新采用“钢结构+组合结构”的复合结构，塔高约123.4m，主梁采用“钢结构+混凝土结构（锚跨）”的混合梁。大桥于2019年建成。
图11
大桥造型设计理念取意“时代之门”（图12），桥塔由多重曲线形拱门组成，简约又稳定。桥塔侧立面从上到下采用了贯穿式的凹槽处理，避免了塔柱大面积的呆板感，也为景观灯带提高了便利的安放空间，在夜景灯光烘托下凸显了桥塔的门式造型。塔柱采用八边形断面，横桥向尺寸从塔底7m渐变到塔顶24m，纵桥向尺寸从塔底9.58m渐变到塔顶3m，通过这些渐变处理，桥塔浑然一体，挺拔、宏伟又不失灵气。
图12
国内首次应用的复合桥塔与高烈度抗震是本桥设计的亮点与难点，因此开展了系列课题研究：①通过“钢结构塔柱—组合结构塔柱—混凝土承台”的逐级过渡，以及复杂钢结构与关键节点的精细化设计，实现了“钢结构+组合结构”的大尺寸、多边形断面、无下横梁拱形复合桥塔的新颖结构形式（图13）；②通过抗震体系的多方案比较，最终纵桥向采用铅芯橡胶支座+黏滞阻尼器减隔震体系，横桥向采用低弹模超高阻尼橡胶支座+黏滞阻尼器减隔震体系，兼顾了静力工况与地震工况的受力平衡，同时创新采用了兼具限位、抗风、抗震功能的侧向低弹模超高阻尼橡胶支座，通过调整支座刚度实现了“主动控制”的目的；③利用高烈度区桥墩自身强大的结构抗力，实现了大跨度自锚式悬索桥“梁缆同步施工”，缩短了工期。
图13
梁桥
江西新干县赣江二桥
江西新干县赣江二桥位于新干县城区跨越宽度约1000m的赣江，通航标准II-（3）级，通航净空2×134.92×10m（双孔单向），线路等级为双向4车道一级公路兼顾城市道路功能，每侧设置了宽3.0m非机动车道与宽1.75m人行道，桥梁宽度为28.5m。主桥采用（85+150+150+85）=470m预应力混凝土连续梁（图14），双幅布置，充分考虑大跨混凝土梁桥开裂下挠问题，支点梁高9.5m，跨中梁高4.0m。
图14
梁式桥由于桥面以上没有结构，景观略显平淡，但由于本桥处于城区，业主对景观的要求较高。本桥的通航净高只有10m，如果考虑从下部结构入手，提升桥梁景观的创作空间非常有限。
结合船撞设计要求，将两幅分离式桥梁的下部结构合并，采用整体式桥墩与承台，成倍提高桥墩防撞能力。同时一改常规直立式板墩，倾斜的墩柱更加富有变化。但这些还不足以形成“眼前一亮”的效果，进一步创新采用“墩梁整体化”的造型设计手法，将桥墩造型从承台延续至桥面，在常水位以上将桥墩侧立面高度从约14.8m提高到约25.8m，桥墩两侧的主梁也适当增设线条变化以配合桥墩造型，在桥墩两侧的弧形托盘之上刚好设置桥面观景平台，也带来了桥梁平面现状的变化。本桥的造型设计为主体结构的自然延伸，属于附属结构的范围，增加的造价也非常有限。
在水面千米级宽度的赣江之上，本桥造型设计上的创新，依然打造了有足够体量、岸边与船上观众能感受到的特色景观效果，不失为梁式桥造型设计的新思路。
结语
桥梁常处咽喉要冲之地，桥梁是土木工程皇冠上的明珠，修建一座桥梁从古到今都是激动人心的事情，社会对美好生活的向往对城市桥梁景观提出了更高的要求。建设更多、更美的桥梁是广大桥梁产业人员的共同心愿与责任！
如本文介绍的桥梁案例，主跨跨径100～300m城市桥梁的造型创作可以极富变化，应该重视宏观、微观两个方面：以主体结构实现造型，体现结构本身的美，将简洁、优美造型与结构设计有机结合起来，经济合理建设美丽城市桥梁是宏观上的要求；在线条、纹理、色彩、建筑小品等多方面注重丰富美感，与宏观相统一，是锦上添花的微观方面。
为更好从结构设计上实现桥梁造型，需要创新应用钢结构、组合结构、混合结构、复合结构、复杂弯扭结构等多种结构形式，钢与组合结构的创新应用空间是广阔的。