第一章-桥梁基本知识

第一章桥梁基本知识第一节认识桥梁结构为了满足各种车辆、行人的顺利通行或各种管线工程的布设，建造的跨越河流、山谷或其他交通线路等障碍的工程建筑物，一般统称为桥梁。桥梁是交通工程中的重要组成部分，随着经济的发展、科技的进步和社会生产力的不断提高，人们对桥梁建筑提出了越来越高的要求。一、桥梁结构的组成及名词术语1．桥梁结构的组成桥梁一般由上部结构(也称桥跨结构)、下部结构、支座和附属设施四个基本部分组成(图1-1-1，图1-1-2)。图1-1-1梁式桥基本组成图1-1-2拱式桥基本组成1)桥梁上部结构是承担线路荷载，跨越障碍的主要承重结构。它的作用是承担上部结构所受的全部荷载并传给支座。例如梁式桥中的主梁，拱桥中的拱肋(拱圈)、桁架梁桥中的主桁等。它是桥梁承载和跨越的重要部分。2)桥梁下部结构是桥墩、桥台及桥梁基础的总称，是支承桥跨结构并将荷载传至地基的建筑物。桥墩和桥台一般合称墩台。（1）桥墩。位于多孔桥跨的中间部位，支承相邻两跨上部结构的建筑物，其功能是将上部结构荷载传至基础。（2）桥台。位于桥梁的两端，支承桥梁上部结构，并使之与路堤衔接的建筑物，其功能是传递上部结构荷载于基础，并抵抗来自路堤的土压力。为了维持路堤的边坡稳定并将水流导入桥孔，除带八字形翼墙的桥台外，在桥台左右两侧筑有保持路肩稳定的锥形护坡，其锥体填土，坡面以片石2砌筑。（3）桥梁基础。是桥梁最下部的结构，上承墩台，并将全部桥梁荷载传至地基。基底应设置在有足够承载力的持力层处，并要求有一定的埋置深度。基础工程在整个桥梁工程施工中是比较困难的部分，而且常常需要在水中施工，因而遇到的问题也很复杂。3)支座。设于桥(墩)台顶部，支承上部结构并将荷载传给下部结构的装置。它能保证上部结构在荷载、温度变化或其他因素作用下的位移功能。4)附属设施。包括桥面系、桥头搭板、护坡、导流堤等。桥面系一般由桥面铺装、栏杆(防撞墙)、人行道、伸缩缝、照明系统等组成。桥面铺装用以防止车轮直接磨耗桥面板、排水和分布轮重。伸缩缝位于桥梁墩顶上部结构之间或其他桥型上部结构与桥台端墙之间，以保证结构在各种因素作用下的自由变位，为使桥面上行车顺适、不颠簸。2．桥梁结构的名词术语1)桥梁全长：简称桥长，对于有桥台的桥梁为两岸桥台侧墙或八字墙尾端之间的距离(对于无桥台的桥梁为桥面系的行车道长度)。2)净跨径：对梁式桥为设计洪水位上相邻两桥墩(或桥台)间的水平净距。对于拱式桥，是指每孔拱跨两拱脚截面最低点之间的水平距离。用0l表示。3)计算跨径：对于设支座的桥梁，为相邻两支座中心之间的水平距离，对于不设支座的桥梁，为上下部结构的相交面之中心间的水平距离，用l表示。桥梁结构的分析计算以计算跨径为准。4)标准跨径：对梁式桥，是指两相邻桥墩中线间水平距离或桥墩中线与台背前缘之间的水平距离，也称为单孔跨径，对于拱式桥和涵洞，则是指净跨径。用kl表示。标准跨径是桥梁划分大、中、小桥及涵洞的指标之一。5)标准化跨径：为了便于编制标准设计，增强构件间的互换性，当跨径在50m及以下时，通常采用标准化跨径。《公路工程技术标准》(JTGB01—2003)规定了标准化跨径从0.75m至50m，共21级，常用者为10m、16m、20m、40m等标准设计。采用标准化跨径设计，有利于桥梁制造和施工的机械化，也有利于桥梁养护维修和战备需要。6)总跨径：多孔桥梁中各孔净跨径的总和（Σ0l），它反映桥梁排泄洪水的能力。7)桥下净空高度：设计洪水位或计算通航水位与桥跨结构最下缘之间的高差，称为桥下净空高度。桥下净空高度应满足排洪、通航或通车的规定要求。8)桥梁建筑高度：桥面路拱中心顶点到桥跨结构最下缘(拱式桥为拱脚线)的高差h。线路定线中所确定的桥面标高，与通航（或桥下通车、人）净空界限顶部标高之差，称容许建筑高度。城市多层立交桥对桥梁建筑高度有较严格的限制，显然，桥梁建筑高度不得大于容许建筑高度。9)桥梁高度：桥面路拱中心顶点到低水位或桥下线路路面之间的垂直距离，称为桥梁高度。10)净矢高：拱桥从拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点连线的垂直距离，用f0表示。11)计算矢高：是从拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂直距离，用f表示。12)矢跨比：拱桥中拱圈（或拱肋）的计算矢高与计算跨径之比（f/l），也称拱矢。它是反映拱桥受力特性的一个重要指标。二、桥梁的分类桥梁有各种不同的分类方式，每一种分类方式均反映出桥梁在某一方面的特征。1．按工程规模划分根据桥梁多孔跨径总长L和单孔跨径Lk将桥梁划分为：特大桥、大桥、中桥、小桥、涵洞，见表l-l-1。这是我国公路和城市桥梁级别划分的依据。3桥涵按跨径分类表1-1-1注：1）单孔跨径是指标准跨径；2）梁、板式桥的多孔跨径总长为多孔标准跨径的总长，拱式桥为两岸桥台内起拱线之间的距离，其他形式桥梁为桥面系车道长度；3）管涵及箱涵不论管径或跨径大小、孔数多少，均称为涵洞。2．按桥梁的结构体系划分根据结构体系及其受力特点，桥梁可划分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、悬索桥、斜拉桥、组合体系桥六种型式的结构体系。不同的结构体系对应于不同的力学形式，表现出不同的受力特点。1）梁式桥梁式桥是古老的结构体系之一。梁作为承重结构，主要是以其抗弯能力来承受荷载。在竖向荷载作用下，其支承反力也是竖直的，一般梁体结构只受弯、受剪，不承受轴向力。如图1-1-3所示。图1-1-3简支梁桥示意图常见的简支梁(图1-l-4a)的跨越能力有限(一般在50m以下)，因此，悬臂梁和连续梁(图1-l-4b和图1-1-4c)得到发展。它们通过改变或增强中间支承来减少跨中弯矩，更合理地分配内力，加大跨越能力。悬臂梁采用铰接或简支跨(称为挂孔)来连接其两端，其为静定结构，受力明确，计算简便；但因结构变形在连接处不连续而对行车和桥面养护产生不利影响，近年来已很少采用。连续梁因桥跨结构连续，克服了悬臂梁的不足，是目前采用较多的梁式桥型。4图1-1-4梁式桥梁式体系分实腹式和空腹式。前者梁的截面形式多为T形、工字形和箱形等，后者指主要由拉杆、压杆、拉压杆以及连接件组成的桁架式桥跨结构。梁的高度和截面尺寸可在桥长方向保持一致或随之变化。对中小跨径的实腹式梁，常采用等高度T形梁；跨径较大时，可采用变高度箱形截面预应力混凝土连续梁桥。2）拱式桥拱式桥(图1-1-5)的主要承重结构是具有曲线外形的拱(其拱圈的截面形式可以是实体矩形、肋形、箱形、桁架等)。在竖向荷载作用下，拱主要承受轴向压力，同时也承受弯矩、剪力。支承反力不仅有竖向反力，也承受较大的水平推力。图1-1-5拱桥示意图根据拱的受力特点，多采用抗压能力较强且经济合算的圬工材料(图1-1-6)和钢筋混凝土(图1-1-7)来修建拱桥，拱对墩台有较大的水平推力，对地基的要求较高，故一般宜建于地基良好之处。按照力学分析，拱又分成单铰拱、双铰拱、三铰拱和无铰拱。因铰的构造较为复杂，一般常采用无铰拱体系。值得一提的是，由我国发明创造的桥型结构——双曲拱(图1-1-8)，其特点是使上部结构轻型化、装配化。南京长江大桥的南引桥即是双曲拱桥。图1-1-6实腹式石拱桥（卢沟桥）图1-1-7空腹式肋拱桥5图1-1-8双曲拱桥构造示意图3）刚架桥刚架桥(也称为刚构桥)是指梁与立柱(墩柱)或竖墙整体刚性连接的桥梁(图1-1-9)。其主要特点是：立柱具有相当大的抗弯刚度，故可分担梁部跨中正弯矩，达到降低梁高、增大桥下净空的目的。在竖向荷载作用下，主梁与立柱(或竖墙)的连接处会产生负弯矩；主梁、立柱承受弯矩．也承受轴力和剪力；柱底约束处既有竖直反力，也有水平反力。刚架桥的形式大多是立柱直立的(也可斜向布置，如图l-1-10a所示)单跨或多跨的门形框架(图l-1-10b)，柱底约束可以是铰接或固接。钢筋混凝土和预应力混凝土刚架桥适用于中小跨径、建筑高度要求较严的城市或公路跨线桥。图1-1-9刚架桥示意图图1-1-10刚架桥随着预应力技术和对称悬臂施工方法的发展，具有刚架形式和特点的桥梁可用于跨径更大的情况，如T形刚构桥。预应力混凝土T形刚构桥是因悬臂施工方法的发展而衍生出来的一种桥型。它6的桥墩刚度较大，与梁部固结，仍采用跨中设铰或简支挂孔来连接两T构。它融合了悬臂梁桥和刚架桥的部分特点：因是静定结构，能减少次内力、简化主梁配筋；T构有利于对称悬臂施工，但粗大的桥墩因承受弯矩较大而费料；桥面线形不连续而影响行车。目前，已很少采用这种桥式。斜腿刚构桥(图1-1-10a)的墩柱斜置并与梁部刚性连接，其受力特点介于梁和拱之间。在竖向荷载作用下，斜腿以承压为主，两斜腿之间的梁部也受到较大的轴向力。斜腿底部可采用铰接或固结形式，并受到较大的水平推力。对跨越深沟峡谷、两侧地形不宜建造直立式桥墩的情况，斜腿刚构桥表现出其独特之处。另外，墩柱在立面上呈V形并与梁部固结的桥梁，称为V形刚构桥，其在受力上具有连续梁和斜腿刚构的特点。V形支撑既可加大跨径，也可适当减小梁高，外形也较美观。连续刚构桥就是把刚度较小的桥墩(柱)与梁体固结起来，如图l-1-10(b)所示。其特点是桥墩(称为薄壁墩)较为轻巧。这种桥式除保持了连续梁的受力优点外，还节省了大型支座的费用，减少了墩及基础的工程量，改善了结构在水平荷载下的受力性能，有利于简化施工程序，适用于需要布置大跨、高墩的桥位。近年来，连续刚构体系在桥梁工程中的应用越来越普遍，跨径已接近300m。4）悬索桥悬索桥(也称为吊桥)主要由索(又称缆索)、塔、锚碇、加劲梁等组成，如图l-1-11所示。对跨径较小(如小于300m)、活载较大且加劲梁较刚劲的悬索桥，可以视其为缆与梁的组合体系。但大跨径(1000m左右)悬索桥的主要承重结构为缆索，组合体系的效应可以忽略。在竖向荷载作用下，其缆索受拉，锚碇处会产生较大的竖向(向上)和水平反力。缆索通常用高强度钢丝制成圆形大缆，加劲梁多采用钢桁架或扁平箱梁，桥塔可采用钢筋混凝土或钢结构。因缆索的抗拉性能得以充分发挥且大缆尺寸基本上不受限制，故悬索桥的跨越能力一直在各种桥型中名列前茅。不过，由于结构的刚度不足。悬索桥较难满足当代铁路桥梁的要求。图1-1-11悬索桥示意图5）斜拉桥斜拉桥(图1-14)是由梁、塔和斜索(拉索)组成，结构形式多样，造型优美壮观。在竖向荷载作用下，梁以受弯为主，塔以受压为主，斜索则承受拉力。梁体被斜索多点扣拉，表现出弹性支承连续梁的特点。因此，梁体荷载弯矩减小，梁体高度可以降低，从而减轻了结构自重并节省了材料。另外，塔和斜索的材料性能也能得到较充分地发挥。因此，斜拉桥的跨越能力仅次于悬索桥，是近几十年来发展很快的一种桥型。由于刚度问题，斜拉桥在铁路桥梁上的应用极为有限。图1-1-12斜拉桥示意图6）组合体系桥7将上述几种结构形式进行合理的组合应用，即形成组合体系桥梁，如图1-1-13所示。常见的组合方式是梁、拱结构的组合。梁、拱、吊组合体系(图1-1-13a)同时具备梁的受弯和拱的承压特点，可以是刚性拱及柔性拉杆，也可以是柔性拱及刚性梁。这类结构的主要优点是：利用梁部受拉，来承受和抵消拱在竖直荷载下产生的水平推力。这样，桥跨结构既具有拱的外形和承压特点，又不存图1-1-13组成体系桥在很大的水平推力，可在一般地基条件下修建。相对而言，,这种组合体系的施工较为复杂。此外，为获得更大跨越能力，可以由悬索和斜拉组合形成组合体系桥梁(图1-1-13d)。3．桥梁的其他分类1）按桥梁上部结构的建筑材料分桥梁可分为木桥、石桥、混凝土桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥(有时三者统称混凝土桥)、钢桥等。2）按用途分桥梁可分为公路桥、铁路桥、公铁两用桥、人行桥、给水桥(渡桥)和供油、供气、供煤粉的管道桥等。3）按跨越障碍分桥梁可分为跨河桥、跨谷桥、跨线桥和高架线路桥等。4）按桥面位置分按上部结构的行车道位置，分为上承式桥、中承式桥、下承式桥和双层桥。将桥面布置在主要承重结构之上的称为上承式桥(图l-1-1，图1-l-2，图l-1-13b)，在主要承重结构之下的称为下承式桥(图l-16a,图1-16b)，介于上、下之间的称为中承式桥(图1-1-13c)，上、下均