土木工程概论桥梁工程讲义大字体.doc

土木工程的重要类型桥梁工程一、桥梁的概念1、桥梁：桥梁是指供公路、城市道路、铁路、渠道、管线等跨越水体、山谷或彼此间互相跨越的工程构筑物。二、桥梁的组成（以梁式桥为例）桥梁的三个重要组成部分是：上部结构，下部结构和附属结构。 （一）上部结构由桥跨结构、支座系统组成。 1、桥跨结构 或称桥孔结构，是桥梁中跨越桥孔的、支座以上的承重结构部分。按受力图示不同，分为梁式、拱式、刚架和悬索等基本体系，并由这些基本体系构成各种组合体系。它包含重要承重结构、纵横向联结系、拱上建筑、桥面构造和桥面铺装、排水防水系统，变形缝以及安全防护设施等部分。 2、支座系统 设立在桥梁上、下结构之间的传力和连接装置。其作用是把上部结构的各种荷载传递到墩台上，并适应活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素所产生的位移，使桥梁的实际受力情况符合结构计算图示。一般分为固定支座和活动支座。 （二）下部结构，由桥墩、桥台、墩台基础几部分组成。 1、桥墩、桥台 是在河中或岸上支承两侧桥跨上部结构的建筑物。桥台设在两端，桥墩则在两桥台之间，见上图。而桥台除此之外，还要与路堤衔接，并防止其滑塌。为保护桥台和路堤填土，桥台两侧常做一些防护和导流工程。 2、墩台基础 保证桥梁墩台安全并将荷载传至地基的结构部分。 （三）附属构件，重要涉及伸缩缝、灯光照明、桥面铺装、排水防水系统、栏杆(或防撞栏杆)等几部分。 1、伸缩缝 在桥跨上部结构之间，或桥跨上部结构与桥台端墙之间，设有缝隙保证结构在各种因素作用下的变位。为使桥面上行驶顺直，无任何颠动，此间要设立伸缩缝构造。特别是大桥或城市桥的伸缩缝，不仅要结构牢固，外观光洁，并且需要经常扫除进一步伸缩缝中的垃圾泥土，以保证它的功能作用。 2、灯光照明 现代城市中标志式的大跨桥梁都装置了多变幻的灯光照明，增添了城市中光彩夺目的晚景。 3、桥面铺装 或称行车道铺装，铺装的平整、耐磨性、不翘壳、不渗水是保证行车舒适的关键。特别在钢箱梁上铺设沥青路面的技术规定甚严。 4、排水防水系统 应迅速排除桥面上积水，并使渗水也许减少至最小限度。此外，城市桥梁排水系统应保证桥下无滴水和结构上的漏水现象。 5、栏杆（或防撞栏杆） 它既是保证安全的构造措施，又是有助于欣赏的最佳装饰件三、桥梁的分类（一）按用途划分，公路桥、铁路桥、公路铁路两用桥、农用桥、人行桥、水运桥和管线桥等； （二）按长度和跨径，特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞； （三）按梁（拱）跨实用的建筑材料，木桥、圬（砖、石、混凝土）工桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥和结合梁桥； （四）按跨越障碍的性质，跨河桥、跨线桥（立交桥）和高架桥； （五）按上部结构的行车道分，上承式、中承式和下承式； （六）按是否固定，固定桥、活动桥和浮桥； （七）按使用年限可分为永久性桥、半永久性桥、临时桥。（八）根据受力情况和桥跨结构体系，梁式桥、拱桥、 刚架（构）桥、悬索桥、斜拉桥和组合桥。四、桥梁的基本类型1、梁式桥以受弯为主的主梁作为重要承重构件的桥梁。主梁可以是实腹梁或者是桁架梁（空腹梁）。实腹梁外形简朴，制作、安装、维修都较方便，因此广泛用于中、小跨径桥梁。但实腹梁在材料运用上不够经济。桁架梁中组成桁架的各杆件基本只承受轴向力，可以较好地运用杆件材料强度，但桁架梁的构造复杂、制造费工，多用于较大跨径桥梁。桁架梁一般用钢材制作，也可用预应力混凝土或钢筋混凝土制作，但用的较少。过去也曾用木材制作桁架梁，因耐久性差，现很少使用。实腹梁重要用钢筋混凝土、预应力混凝土制作,也可以用钢材做成钢钣梁或钢箱梁.实腹梁桥的最早形式是用原木做成的木梁桥和用石材做成的石板桥。由于天然材料自身的尺寸、性能、资源等因素，木桥现在已基本上不采用， 石板桥也只用作小跨人行桥。根据实腹梁的截面形式可分为板梁、门形梁、T形梁或箱形梁等。按照主梁的静力图式，梁桥又可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。 简支梁桥： 主梁简支在墩台上，各孔独立工作，不受墩台变位影响。实腹式主梁构造简朴，设计简便，施工时可用自行式架桥机或联合架桥机将一片主梁一次架设成功。但简支梁桥各孔不相连续，车辆在通过断缝时将产生跳跃，影响车速的提高。因此，目前趋向于把主梁作成为简支，而把桥面作成为连续的形式。简支梁桥随着跨径增大，主梁内力将急剧增大，用料便相应增多，因而大跨径桥一般不用简支梁。连续梁桥： 主梁是连续支承在几个桥墩上。在荷载作用时，主梁的不同截面上有的有正弯矩，有的有负弯矩，而弯矩的绝对值均较同跨径桥的简支梁小。这样，可节省主梁材料用量。连续梁桥通常是将35孔做成一联，在一联内没有桥面接缝，行车较为顺适。连续梁桥施工时，可以先将主梁逐孔架设成简支梁然后互相连接成为连续梁。或者从墩台上逐段悬伸加长最后连接成为连续梁。近一、二十年，在架设预应力混凝土连续梁时，成功地采用了顶推法施工，即在桥梁一端（或两端）路堤上逐段连续制作梁体逐段顶向桥孔，使施工较为方便。连续梁桥主梁内有正弯矩和负弯矩，构造比较复杂。此外，连续梁桥的主梁是超静定结构，墩台的不均匀沉降会引起梁体各孔内力发生变化。因此，连续梁一般用于地基条件较好、跨径较大的桥梁上。1966年建成的美国亚斯托利亚桥，是目前跨径最大的钢桁架连续梁桥，它的跨径为376米。悬臂梁桥： 又称伸臂梁桥。是将简支梁向一端或两端悬伸出短臂的桥梁。这种桥式有单悬臂梁桥或双悬臂梁桥。悬臂梁桥往往在短臂上搁置简支的挂梁，互相衔接构成多跨悬臂梁。有短臂和挂梁的桥孔称为悬臂孔或挂孔，支持短臂的桥孔称为锚固孔。悬臂梁桥的每个挂孔两端为桥面接缝，悬臂端的挠度也较大，行车条件并不比简支梁桥有所改善。悬臂梁一片主梁的长度较同跨简支梁为长，施工安装上相应要困难些。目前对预应力混凝土悬臂梁桥多采用悬臂拼装或悬臂浇筑的方法施工。为适应悬臂施工法的发展，保证主梁的内力状态和施工时同样，出现一种没有锚固孔，并把悬伸的短臂和墩身直接固结在立面上，形成预应力混凝土 T形刚架桥，这种桥在20世纪50年代后发展起来。简支梁桥连续梁桥桁架梁桥2、拱式桥拱桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为重要承重构件的桥梁。1、 按照主拱圈的静力图式，拱轿可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱。 三铰拱是静定结构，其整体刚度较低，特别是挠曲线在拱顶铰处产生折角，致使活载对桥梁的冲击增强，对行车不利。拱顶铰的构造和维护也较复杂。因此，三铰拱除有时用于拱上建筑的腹拱圈外，一般不用作主拱圈。 两铰拱取消了拱顶铰，构造较三铰拱简朴，结构整体刚度较三铰拱为好，维护也较三铰拱容易，而支座沉降等产生的附加内力较无铰拱为小，因此在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方，可采用两铰拱桥。 无铰拱属三次超静定结构，虽然支座沉降等引起的附加内力较大，但在荷载作用下拱的内力分布比较均匀，且结构的刚度大，构造简朴，施工方便,因此无铰拱是拱桥中,特别是圬工拱桥和钢筋混凝土拱桥中普遍采用的形式。 2、按照主拱圈的构成形式，拱又可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱等。 板拱： 拱圈横截面呈矩形实体截面,它横向整体性较好、拱圈截面高度小、构造简朴,但抵抗弯矩能力较差，一般用于圬工拱桥。1972年建成的四川九溪沟桥为石砌的板拱桥，跨径达成116米,为目前世界上最大跨径的石拱桥。肋拱： 拱圈是由两条或多条拱肋组成，肋与肋之间用横系梁相联系，拱肋形状可以是矩形、工字形、箱形或圆管形，它的抗弯能力较板拱为优,用料较省,但制作较板拱复杂，多用于钢筋混凝土拱桥或钢拱桥。1960年建成的瑞典恩斯科洛夫约桥，跨径为278米,为目前最大的钢管拱桥。双曲拱： 60年代以后,在中国采用的一种拱式桥梁.它在横向除有拱肋外,尚有由拱波、拱板等构成的小拱将整个拱圈联结成整体，它在施工时可以将拱肋、拱波预制,安装后再浇筑拱板,减轻吊装重量，并可以不用拱架，或只需用简朴支架，为混凝土拱桥提供了一种新的结构形式和简便易行的施工方法。但需采用措施保证拱圈的整体性。1969年建成的河南省前河桥跨径为150米，为目前跨径最大的双曲拱桥。箱形拱： 横截面可为整体多室箱形或分离箱形。混凝土或钢筋混凝土箱形拱也可采用无支架施工。它的整体性、横向稳定性和抗扭性能都较双曲拱的结构为好，但在中、小跨径时不如双曲拱简便和节省钢材。1979年建成的南斯拉夫克拉克桥，跨径为390米,是当前世界上最大的钢筋混凝土箱形拱桥。桁架拱： 拱圈由桁架构成，可做成桁肋拱或肩拱形式。桁架拱的材料用量较经济，但桁架的某些杆件将承受拉力,故重要用在钢拱桥或预应力混凝土拱桥中。1976年建成的美国新河桥,跨径为518米，为目前跨径最大的钢桁架拱桥。 拱桥主拱圈沿桥跨方向的形状，可以做成横截面尺寸沿拱轴线不变的等截面拱，或者做成横截面尺寸由拱脚向拱顶逐渐变化的变截面拱。变截面拱能较好地适应拱圈内力的变化，用料较经济；等截面拱构造简朴、施工方便，因而采用较普遍。 主拱圈的拱轴线形状，对拱圈截面的应力大小将产生直接影响。一般尽量使拱轴线与荷载作用下的拱圈压力线相吻合，以减小截面的弯矩值。当不计拱圈弹性压缩及其他因素的影响时，拱在均布荷载作用下的压力线为抛物线;在由拱顶向拱脚按拱轴线形状逐渐增大的分布荷载作用下,拱的压力线将为悬链线；而圆弧线线形最简朴，利于施工。故这几种线形成为拱桥中常用的拱轴线形状。3、 拱还可按拱上建筑的形式不同而分为实腹式拱和空腹式拱。实腹式拱是将主拱圈以上至桥面间的空间所有用填料填实，一般用于小跨径的桥梁；空腹式拱则在主拱圈以上设有横桥向贯通的腹孔，一般用于中档以上跨径的桥梁。赵州桥是现存修建最早的空腹式拱桥。 在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋重要承受压力。拱桥的支座则不仅要承受竖直方向的力，还要承受水平方向的力。因此拱桥对基础与地基的规定比梁桥要高。下图分别表达上承式拱桥（桥面在拱肋的上方）、中承式拱桥（桥面一部分在拱肋上方，一部分在拱助下方）与下承式拱桥（桥面在拱肋下方）。仅供人、言行走的拱桥可以把桥面直接铺在拱肋上。而通行现代交通工具的拱桥，桥面必须保持一定的平直度，不能直接铺在曲线形的拱肋上，因此要通过立柱或吊杆将桥面间接支承在拱肋上。下承式拱桥可做成系杆拱，即在拱脚处用一报称为系杆的纵向水平受拉杆件将两拱脚连接起来。此时作用于支座上的水平推力就由系杆来承受，支座不再承受水平方向的力。这样做可以减轻地基承受的荷载，特别是在地质状况不良时。3、斜拉桥斜拉桥由主梁、斜向拉紧主梁的钢缆索以及支承缆索的索塔等部分组成。斜拉桥的缆索张拉成直线形,整个结构为几何不变体,其刚度比悬索桥大。主梁同弹性支承上的连续梁的性能相似。斜拉桥的跨径一般在梁桥和悬索桥之间。1977年法国建成的布鲁东纳桥，跨径达320米,是目前世界上跨径最大的预应力混凝土斜拉桥；1975年法国建成的卢瓦尔河钢斜拉桥,主跨径为404米。斜拉桥在构造上有单塔或双塔、单面布索或两面布索、密索或少索等形式，索的布置也有不同的放射形式，塔、梁、墩之间铰接或固接等也有多种类型。 斜拉桥日文称斜张桥，德文称斜索桥，英文称拉索桥（Cable Stayed Bridge）。将梁用若干根斜拉索拉在塔在上，便形成斜拉桥。与多孔梁桥对照起来看，一根斜拉索就是代替一个桥墩的（弹性）支点，从而增大了桥梁的跨度。斜拉桥这种结构型式古已有之。但是由于斜拉索中所受的力很难计算和很难控制，所以一直没有得到发展和广泛应用。直到本世纪中，由于电子计算机的出现，解决了索力计算难的问题，以及调整装置的完善，解决了索力的控制问题，使得斜拉桥成为近50年内发展最快，应用日广的一种桥型。4、悬索桥悬索桥又名吊桥，是以承受拉力的缆索或链索作为重要承重构件的桥梁。悬索桥由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。悬索桥的重要承重构件是悬索，它重要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢绞线、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充足运用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点,因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大跨径可以达成1000米以上。1981年建成的英国恒比尔悬索桥的跨径为1410米，是目前世界上跨,径最大的桥梁。悬索桥的重要缺陷是刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动，需注意采用相应的措施。 按照桥面系的刚度大小，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形，对行车不利，但它的构造简朴，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。加劲梁能同桥梁整体结构承受竖向荷载。除以上形式外，为增强悬索桥刚度，还可采用双链式悬索桥和斜吊杆式悬索桥等形式，但构造较复杂。桥面支承在悬索（通常称大揽）上的桥称为悬索桥。英文为Suspension Bridge，是悬挂的桥梁之意，故也有译作吊桥的。吊桥的悬挂系统大部分情况下用索做成，故译作悬索桥，但个别情况下，索也有用刚性杆或键杆做成的，故译作悬索桥不能涵盖这一类用桥。和拱肋相反，悬索的截面只承受拉力。简陋的只供人、畜行走用的悬索桥常把桥面直接铺在悬索上。通行现代交通工具的悬索桥则不行，为了保持桥面具有一定的平直度，是将桥面用吊索挂在悬索上。和拱桥不同的是，作为承重结构的拱肋是刚性的，而作为承重结构的悬索则是柔性的。为了避免在车辆驶过时,桥面随着悬索一起变形,现代悬索桥一般均设有刚性梁（又称加劲梁）。桥面铺在刚性梁上，刚性梁吊在悬索上。现代悬索桥的悬索一般均支承在两个塔柱上。塔顶设有支承悬索的鞍形支座。承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中，个别也有固定在刚性梁的端部者，称为自锚式悬索桥。5、刚架（构）桥刚架桥的桥跨结构与桥墩（台）刚性连接成整体，用以承受压弯荷载的桥梁。 有T形刚架桥和连续刚构桥,T形刚架桥重要缺陷是桥面伸缩缝较多,不利于高速行车.连续刚构主梁连续无缝,行车平顺.施工时无体系转换.跨径我国最大已达270m(虎门大桥辅航道桥)。六、组合桥组合桥是指其承重结构系由两种结构型式组合而成，称为组合体系桥梁。如梁与拱的组合，以九江长江大桥为代表；梁与悬吊系统的组合，以丹东鸭绿江大桥为代表；梁与斜拉索的组合，以芜湖长江大桥为代表等。