“简单”的索

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1、“简单”的索　　索，如此简单　　在波士顿结构组（BostonStructuresGroup）著的《形与力》（FormandForces）一书中，开篇就介绍悬索桥的设计，这有点古怪――多数结构教材都是从比较简单的简支梁受力或框架结构开始写起的，而悬索结构则往往作为高阶知识放在最后。从结构体系的普及性来看，悬索结构确实是比较新的高技体系；但如果我们从结构构件的受力特点出发，会发现索恐怕是受力最简单的构件，没有之一。波士顿结构组的排序相当睿智。　　构件的受力大致可分为受压、受拉、受剪、受弯等。通常来讲，结构构件往往需要一定的硬度，一旦将有硬度的构件置于受力方向

2、及受力组合相对复杂的条件下，就有可能造成一个构件同时发生多种受力的情况。即便在被认为是“最简单”的简支梁结构中，梁身也是同时受弯和受剪的；而在桁架结构中，尽管所有杆件都是单纯受压或受拉的，但由于二力刚杆同时具备受压和受拉的能力，这也使得桁架杆的受力判定在应试中成了一道经典的难题和许多建筑师学生时代的梦魇。　　在常见的结构构件中，唯一的例外就是“索”：它在自然状态下松弛没有硬度，这使得索只有在张拉绷紧的时候才能获得硬度，所以它有别于一切其他具备自身硬度的构件――8它只能受拉。当一类构件只能发生一种受力时，我们也就完全不必去判断其在结构体系中的受力了，从认知

3、顺序看来，那当然是最初步的和最简单的。不仅如此，在结构设计的启发性训练中，只要能令结构中的索保持张拉，那么结构也就必然成立。所以，无论对于构件受力的判定还是结构体系的设计，索无疑都是最单纯和最理想的入门功课。　　索结构的基本型　　理论上，不可能仅以拉索构成独立的结构体――由于索之间不能互相张拉，所以不可能形成诸如三根二力杆铰接而成的刚片。即便像蜘蛛网那样完全以拉索构成主体的结构也需要四周固定――锚固点。所以，索结构的基本构成可以描述为：受张拉的索+锚固点（或可作为锚固点的其他构件）。　　“拉弦式”悬索结构　　鉴于三个不共线的力形成的最简平衡力系，《形与力

4、》给出了一个拉索桥结构的最简型：除锚固于两侧上方拉索外，第三个力由桥身的荷载提供，三根拉锁汇聚于一点（图1）。三根拉锁的组合将这座桥的计算跨度一分为二，对桥梁而言，其效果与支座别无二致。　　在这一基本型下，只要保证力系平衡，根据具体情况变换支座位置而实现的变形是不在话下的（图2）。真正关乎跨度规模的变体是对桥梁增加用以分断计算跨度的悬索，但无论如何增加，都可视为对上述基本型的简单叠加（图3）。不管桥梁下部是河流还是深渊，在不方便提供支撑的情况下，只要在上部找到承拉的锚固点，这种模式都非常有效。在桥梁工程中，常通过构筑刚度极大的高塔来替代基本型中的崖壁，以

5、此来摆脱对地形的依赖。如博格曼（SchlaichBergermann）与山克（Eberhard8Schunck）合作设计的步行桥（图4），以及《建筑结构的奥秘》中列举的杜塞尔多夫北桥（图5）和横滨海湾大桥（图6）等。这类结构中，悬索往往沿高塔对称布置，以保证高塔受力的平衡。　　当桥梁上部不具备提供锚固点的条件时怎么办呢？《形与力》中提供了一种非常睿智的做法――在桥底设置一个压杆，将拉锁锚固于桥两端的支承端与压杆底（图7）。当拉索绷紧后，两根索与压杆形成了平衡力系，并让压杆成为分断桥身计算跨度的支座。如此，结构条件被最大限度地简化了，在普通的简支梁条件下就

6、可以设置，而且依旧无须从下部提供支承。在《形与力》之外，讲解此类巧法的教材并不多，所以格外值得我们注意。　　上述结构体系，悬索都需借助压杆或桥身重力来令力系平衡，是否有纯粹由锚固的拉索构成的结构体系呢？从基本型出发，我们只需要将向下的重力替换为向下锚固的拉索就可以了，如果带入正下方不提供支撑的条件，那么最简单的做法就应该是将上部镜像下来，形成一个各向拉紧的空间网状结构。以此为基础，《形与力》中将该型用悬索串起来，形成了完全由受张拉的索与锚固点构成的结构体系（图8），很像蜘蛛网或翻绳游戏，其上放置的桥板并不影响力系的平衡。相比之下，《结构概念和体系》中介绍

7、的拉克?爱?查开桥，尽管全部应用斜拉索，但远非巧法（图9）。　　此类悬索结构中，每一根拉索都像一根被完全绷直的弦，拉力的方向与拉索方向完全一致，为区别于下面要讨论的不绷直的悬索类型，我们姑且称之为“拉弦式”。　　“悬链式”悬索结构　　悬索结构的另一种型则远为不同――8它就是一根两端锚固的悬索，但并不绷直，而是由自身重力将其塑造成悬链形，两端的拉力因悬链形的出现而不复共线，从而与重力形成平衡力系（图10）。在桥梁设计中，通常是将桥身悬挂在悬链之下，而这并不改变基本型的力系关系。　　需要注意的是，“悬链式”与前面提到的空间网状结构从外形上很像，但工作原理却大

8、相径庭：前者下部拉索仅仅用于传递附加桥身的荷载，并不改变结构体系的性质；而后者的