桥梁工程

道路路线遇到江河湖泊、山谷深沟以及其他线路（铁路或公路）等障碍时，为了保持道路的连续性，就需要建造专门的人工构造物 —— 桥梁来跨越障碍。

桥梁指的是为道路跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物。

图1-2-1表示一座公路桥梁的概貌，从图中可见，桥梁一般由桥跨结构、桥墩和桥台等几部分组成。

桥跨结构是在路线中断时跨越障碍的主要承重结构。

桥墩和桥台是支承桥跨结构并将恒载和车辆等活载传至地基的建筑物。桥墩和桥台中使全部荷载传至地基的底部奠基部分，通常称为基础，它是确保桥梁能安全使用的关键。

通常人们还习惯地称桥跨结构为桥梁上部结构，称桥墩和桥台（包括基础）为桥梁的下部结构。

一座桥梁中在桥跨结构与桥墩或桥台的支承处所设置的传力装置，称为支座，它不仅要传递很大的荷载，并且要保证桥跨结构能产生一定的变位。

在路堤与桥台衔接处，一般还在桥台两侧设置石砌的锥形护坡，以保证迎水部分路堤边坡的稳定。

在桥梁建筑工程中，除了上述基本结构外，根据需要还常常修筑护岸、导流结构物等附属工程。

河流中的水位是变动的，在枯水季节的最低水位称为低水位；洪峰季节河流中的最高水位称为高水位。桥梁设计中按规定的设计洪水频率计算所得的高水位，称为设计洪水位。

桥梁布置和结构有关的主要尺寸和术语名称：

对于梁式桥是设计洪水位上相邻两个桥墩（或桥台）之间的净距，用l0表示(图1-2-1)；对于拱式桥是每孔拱跨两个拱脚截面最低点之间的水平距离(图1-2-2)。

是多孔桥梁中各孔净跨径的总和，也称为桥梁孔径（\(\sum{l_o}\)），它反映了桥下宣泄洪水的能力。

对于具有支座的桥梁，是指桥跨结构相邻及两个支座中心之间的距离，用\(l\)表示。对于图1-2-2所示的拱式桥，是两相邻拱脚截面形心点之间的水平距离。桥跨结构的力学计算是以\(l\)为基准的。

简称桥长，是桥梁两端两个桥台的侧墙或八字墙后端点之间的距离，以L表示。

简称桥高，是指桥面与低水位之间的高差(如图1-2-1中的\(H_1\)）或为桥面与桥下线路路面之间的距离。桥高在某种程度上反映了桥梁施工的难易性。

是设计洪水位或计算通航水位至桥跨结构最下缘之间的距离，以H表示，它应保证能安全排洪，并不得小于对该河流通航所规定的净空高度。

是桥上行车路面(或轨顶)高程至桥跨结构最下缘之间的距离(图1-2-1中的h及h')，它不仅与桥跨结构的体系和跨径大小有关，而且还随行车部分在桥上布置的高度位置而异。公路(或铁路)定线中所确定的桥面(或轨顶)高程，对通航净空顶部高程之差，又称为容许建筑高度。显然，桥梁的建筑高度不得大于其容许建筑高度，否则就不能保证桥下的通航要求。

是从拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点之连线的垂直距离，以\(f_0\)表示（图1-2-2）。

是从拱顶截面形心至相邻两抛脚截面形心之连线的垂直距离，以\(f\)表示(图1-2-2)。

是拱桥中拱圈(或拱肋)的计算矢高\(f\)与计算跨径\(l\)之比(\(f/l\))，也称拱矢度，它是反映拱桥受力特性的一个重要指标。

此外，我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中规定，对标准设计或新建桥涵跨径在50m以下时，一般均应尽量采用标准跨径\(l_b\))。对于梁式桥，它是指两相邻桥墩中线之间的距离，或墩中线至桥台台背前缘之间的距离；对于拱式桥，则是指净跨径。

目前人们所见到的桥梁，种类繁多。它们都是在长期的生产活动中，通过反复实践和不断总结逐步发展起来的。

为了对各种类型的桥梁结构先有个概略的认识，下面加以简要的分析说明。

结构工程上的受力构件，总离不开拉、压和弯三种主要受力方式。由基本构件所组成的各种结构物，在力学上也可归结为梁式，拱式和悬吊式三种基本体系以及它们之间的种组合。现代的桥梁结构也一样，不过其内容更丰富，形式更多样，材料更坚固，技术更进步。下面从受力特点、建桥材料、适用跨度、施工条件等方面来阐明桥梁各种体系的特点。

梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构【图1-2-3中的a)和b)】。由于外力（恒载和活载）的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，故与同样跨径的其他结构体系相比，梁内产生的弯矩最大，通常需用抗弯能力强的材料(钢、木、钢筋混凝土等)来建造。为了节约钢材和木料(木桥使用寿命不长，除临时性桥梁或战备需要外，一般不宜采用)，目前在公路上应用最广的是预制装配式的钢筋混凝土简支梁桥。这种梁桥的结构简单，施工方便，对地基承载能力的要求也不高，但其常用跨径在25m以下，当跨度较大时，需要采用预应力混凝士简支梁桥，但跨度一般也不超过50m。为了达到经济、省料的目的，可根据地质条件等修建悬臂式或连续式的梁桥，如图1-2-3c)和d)所示。对于很大跨径，以及对于承受很大荷载的特大桥梁，可建造使用高强度材料的预应力混凝土梁桥外，也可建造钢桥，如图1-2-3e)所示。

图1-2-3梁式桥

拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋（图1-2-4）。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力，如图1-2-4b)所示。同时，这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈(或拱肋)内的弯矩作用。因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩和变形要小得多。鉴于拱桥的承重结构以受压为主，通常就可用抗压能力强的坊工材料(如砖、石、混凝土)和钢筋混凝士等来建造。

拱桥的跨越能力很大，外形也较美观，在条件许可的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。

同时应当注意，为了确保拱桥能安全使用，下部结构和地基必须能经受住很大的水平推力的不利作用。此外，拱桥的施工一般要比梁桥困难些。对于很大跨度的桥梁，也可建造钢拱桥。

在地基条件不适于修建具有强大推力的拱桥的情况下，必要时也可建造水平推力由钢或预应力筋做成抗拉系杆来承受的系杆拱桥，如图1-2-4d)所示。近年来还发展了一种所谓“飞鸟式”三跨无推力拱桥，如图1-2-4e)所示。即在拱桥边跨的两端施加强大的预加力，传至拱脚，以抵消主跨拱脚巨大的恒载水平推力。

图1-2-4中还示出三种不同承式的桥梁。通常称车辆在主要承重结构(拱或梁)之上行驶者为上承式桥梁，如图1-2-4a)所示；车辆在主要承重结构之下行驶者为下承式桥梁，如图1-2-4d)所示；图1-2-4中的c)和e)则称为中承式桥梁。

图1-2-4拱式桥

刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构，梁和柱的连接处具有很大的刚性，如图1-2-5a)所示。在竖向荷载作用下，梁部主要受弯，而在柱脚处也具有水平反力[图1-2-5b)]，其受力状态介于梁桥与拱桥之间。刚架桥跨中的建筑高度就可以做得较小。当遇到线路立体交叉或需要跨越通航江河时，采用这种桥型能尽量降低线路高程，以改善纵坡并能减少路堤土方量。但普通钢筋混凝土修建的刚架桥施工比较困难，梁柱刚接处较易裂缝。

图1-2-5c)所示的T型刚构是修建较大跨径钢筋混凝土桥曾采用的桥型，它是结合了刚架桥和多孔静定悬臂梁桥的特点发展起来的一种多跨结构。对于普通钢筋混凝土T型刚构桥，由于悬臂根部的负弯矩很大，修建时不仅钢材用量大，而且控制混凝土裂缝的开展成为关键，因此，跨径就不能做得太大(通常达40～50m)，目前已很少修建。

预应力混凝土工艺的发展，使得T型刚构桥和连续刚构桥得到了很大的推广。特别是由于采用了悬臂安装或悬臂浇筑的分段施工方法，不但加速了修建大跨度桥梁的施工速度，而且也克服了要在江河或深谷中搭设支架的困难。

图1-2-5d)所示的多跨连续刚构桥，属多次超静定结构，在设计中一般应减小墩柱的抗弯刚度，不然的话会在结构内引起较大的附加内力。对很长的桥，为了降低这种附加内力，往往将两侧的边跨设置活动饺支座，甚至将主跨的墩柱做成双壁式结构。

当跨越陡峭河岸和深邃狭谷时，修建斜腿式的刚构桥往往既经济合理，又造型轻巧美观，如图1-2-5e)所示。由于斜腿墩柱置于岸坡上，有较大斜角，在主梁跨度相同的条件下，斜腿刚构桥的桥梁跨度比门式刚构桥要大得多。

图1-2-5 刚构矫

T型刚构桥的悬臂主梁，主要承受负弯矩，因此，横截面宜用箱形截面。连续刚构桥和斜腿刚构桥的主梁受力与连续梁相近，通常也采用各式箱形横截面。

传统的悬索桥(也称吊桥)均用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构，如图1-2-6所示。在竖向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受很大的拉力，通常就需要在两岸桥台的后方修筑非常巨大的错碇结构。悬索桥也是具有水平反力(拉力)的结构。现代的悬索桥上广泛采用高强度的钢丝成股编制的钢缆，以充分发挥其优异的抗拉性能，因此结构自重较轻，就能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无与伦比的特大跨度。悬索桥的另一特点是：成卷的钢缆易于运输，结构的组成构件较轻，便于无支架悬吊拼装。我国在西南山岭地区和在遭受山洪泥石冲击等威胁的山区河流上，以及对于大跨径桥梁，当修建其他桥梁有困难的情况下，往往采用悬索桥。

图1-2-6a)所示为在山区跨越深沟或河谷的单跨式吊桥。图1-2 6b)所示则是在大江或湖海上跨越深水区的三跨式吊桥。

图1-2-6悬索桥

近年来，鉴于对桥梁美观的要求，在不宜修建锚碇的情况下，也可建造将主缆锚固在主梁两端的所谓“自锚式”悬索桥。这种桥型虽然很有特色，但其结构设计和施工工艺比较复杂，经济性较差，而且跨径也不宜过大，目前最大跨径为385m。

然而，相对于前面所说的其他体系而言，悬索桥的自重轻，结构的刚度差，在车辆动荷载和风荷载作用下，桥有较大的变形和振动。可以说，整个悬索桥的发展历史，是不断研究和克服其有害的变形与振动的历史，亦即是争取其结构刚度的历史。

斜拉桥由斜索、塔柱和主梁所组成，如图1-2-7所示。用高强钢材制成的斜拉索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。这样，跨度较大的主梁就像一根多点弹性支承(吊起)的连续梁一样工作，从而可使主梁尺寸大大减小，结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又大幅度地增大桥梁的跨越能力。此外，与悬索桥相比，斜拉桥的结构刚度大，即在荷载作用下的结构变形小得多，且其抵抗风振的能力也比悬索桥好，这也是在斜拉桥可能达到的大跨度情况下使悬索桥逊色的重要因素。

斜拉桥的斜索组成和布置、塔柱形式以及主梁的截面形状是多种多样的。我国常用平行高强钢丝束、平行钢绞线束等制作斜索，并用热挤法在钢丝束上包一层高密度的黑色聚乙烯(HDPE)外套进行防护。

斜索在立面上也可布置成不同形式。各种索形在构造和力学上各有特点，在外形美观上也各具特色。常用的索形布置为竖琴形[图1-2-7b)]和扇形[图1-2-7c)]两种。另-种是斜索集中锚固在塔顶的辐射形布置[图1-2-7a)]，因其塔项锚固结构复杂面较少采用。

图1-2-7斜拉桥

常用的斜拉桥是三跨双塔式结构，但在实践中也往往根据河流、地形、通航要求等情况，采用对称与不对称的双跨独塔式斜拉桥。

斜拉桥是半个多世纪来最富于想象力和构思内涵最丰富且引人瞩目的桥型，它具有广泛的适应性。一般说来， 对于跨度从200m至700m，甚至超过1000m的桥梁，斜拉桥在技术和经济上都具有相当优越的竞争能力。诚然，随着斜拉桥跨度的增大，将会面临塔过高和斜索过长等一系列技术难点，这不仅涉及到高耸塔柱抗震和抗风等动力稳定方面的问题，而且还有主梁受压力过大以及长斜索因自重垂度增大而引起的种种技术问题。另外，必须提到的是，斜拉桥的斜索可以说是这种桥梁的生命线，至今国内外已发生过几起通车仅几年就因斜索腐蚀严重而导致全部换索的不幸工程实例。因此，确保其使用寿命，仍是当今桥梁界十分关切和重视的重要课题。可以相信，随着高性能新材料的开发、计算理论的进一步完善、施工方法的改进、特别是设计构思的不断创新，斜拉桥还在向更大跨度和更新的结构形式发展。

除了以上5种桥梁的基本体系以外，根据结构的受力特点，还有由几种不同体系的结构组合而成的桥梁，称为组合体系桥。图1-2-8a)所示为一种梁和拱的组合体系，其中梁和拱都是主要承重结构，两者相互配合共同受力。由于吊杆将梁向上(与荷载作用的挠度方向相反)吊住，这样就显著减小了梁中的弯矩；同时由于拱与梁连接在一起，拱的水平推力就传给梁来承受，这样梁除了受弯以外尚且受拉。这种组合体系桥能跨越较一般简支梁桥更大的跨度，而对墩台没有推力作用，因此，对地基的要求就与一般简支梁桥一样。图1-2-8b)所示为拱置于梁的下方、通过立柱对梁起辅助支承作用的组合体系桥。

图1-2-8拱梁组合体系桥梁

图1-2-9示出几座大跨度组合体系钢桥的实例。图1-2-9a)中所示是钢桁架和钢拱的组合；图1-2-9b)所示是钢梁与悬吊系统的组合；图1-2-9c)所示是钢梁与斜拉索的组合；图1-2-9d)所示是斜拉索与悬索的组合。

图1-2-9组合体系桥梁

a)九江长江大桥； b)丹东鸭绿江大桥； o)芜湖长江大桥； d)纽约布鲁克林大桥

除了上述按受力特点分成不同的结构体系外，人们还习惯按桥梁的用途、大小规模和建桥材料等其他方面来进行分类。