桥梁的组成和分类

第一章桥梁的组成和分类一．桥梁的基本组成部分一般桥梁由以下几个部分组成：桥跨结构是在线路中断时跨越障碍的主要承载结构。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。通常设置在桥两端的称为桥台，桥台与路堤相街接，以抵御路堤土压力，防止堤填土的滑坡和坍落。单孔桥没有中间桥墩。基础是桥墩和桥台中使全部荷载传至地基的底部奠基部分。是确保桥梁能安全使用的关键。上部结构是指桥梁的桥跨结构。下部结构是指桥梁的桥墩或桥台。支座是桥梁在桥跨结构与桥墩或桥台的支承处所设置的传力装置。锥形护坡是指在路堤与桥台街接处，在桥台两侧设置石砌护坡，为保证迎水部分路堤坡的稳定。低水位是指在枯水季节如丘而止最低水位。高水位是指在洪峰河流中最高水位。设计洪水位是指桥梁设计中按规定的设计洪水频率计算所得的高水位。净跨径对于梁式桥是设计洪水位上相邻两桥墩（或桥台）之间的净距，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。总跨径是多孔桥梁中各孔净跨径的总和，也称桥梁孔径，它反映了桥下宣泄洪水的能力。计算跨径对于具有支座的桥梁，是指桥跨结构相邻两个支座中心之间的距离，对于拱式桥，是两相邻拱脚截面形心点之间水平距离。国为拱圈（或拱肋）各载面形心点的连线称为拱轴线。桥梁全长简称桥长，是桥梁两端两个桥台的侧墙或八字墙后端点之间的距离，对于无桥台的桥梁为桥面系行车道的全长。在一条线路中，桥梁和涵洞总长的比重反映它们在整段线路建设中的重要程度。桥梁高度简称桥高，是指桥面与低水位之间的高差，桥高在某种程度上反映了桥梁施工的难易性。桥下净空高度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，不小于对该河流通航所规定的净空高度。建筑高度是桥上行车路面（或轨顶）标高至桥跨结构最下缘之间的距离，它不仅与桥梁结构的体系和路径的大小有关，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）标高，对通航净粉顶部标高之差，又称为容许建筑高度。净矢高是从拱顶截面下缘至相邻拱脚截面下缘最低点之连线的垂直距离。计算矢高是从拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形之连线的垂直距离。矢跨比是拱桥中拱圈（或拱肋）的计算矢高与计算跨径之比，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《公路工程技术标准》中规定，对标准设计或新建桥涵路径在60m以下时，一般均就尽量采用标准跨径。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；对于拱桥，则是指净跨径。涵洞是用来宣汇路堤下水流的构造物。为了区别于桥梁《公路工程技术标准》中规定，凡是多孔路径的全长不到8m和单孔跨径不到5m的泄水结物，均称为涵洞。二、桥梁的主要类型（一）桥梁的基本体系结构工程上的受力构件，总离不开拉、压和弯三种基本受力方式。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、悬吊式三种基本体系以及它们之间的种组合。1.梁式桥梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构。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来建造。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。但其常用跨径在25m以下。当跨度较大时，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。对于很大的跨径，以及对于承受很大荷载的特大桥梁可建造钢桥或高强度材料的预应力混凝土梁桥。2.拱式桥拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。同时，这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈（或拱肋）内弯矩作用。因此，与同跨径的梁相比，拱弯矩和弯形要小得多。鉴于拱桥的承重结构以受压为主，通常就可用抗压能力科学家的圬工材料（如砖、石、混凝土）和钢筋混凝土等来建造。拱桥的跨起能力很大。3.刚架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。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，其受力状态介于梁桥与拱桥之间。因此，对于同样的跨径，在相同的荷载作用下，刚架桥的跨中正弯矩要比一般梁桥的小。4.吊桥传统吊桥均用悬挂在两塔架上的强大缆索作为主要承重结构。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锚碇结构。吊桥也是具有水平反力（拉力）的结构。吊桥的自重小，结构刚度差，在车辆动荷载作用下有较大的变形和振动。5.组合体系桥根据受力特点，由几个不同体系的结构组合而成的桥梁称为组合体系桥。组合体系桥的种类很多，但究其实质不外乎利用梁、拱、吊三者的不同组合，上吊下撑以形成新的结构。组合体桥梁一般都可用钢筋混凝土来建造，对于大跨径桥以采用预应力混凝土或钢材修建为宜。（二）桥梁的其他分类简述除了上述按受力特点分成不同的结构体系外，人们还习惯地按桥梁的用途、大小规模和建桥材料等其他方面来进行分类：（1）按用途来划分，有公路桥、铁路桥、公路铁路两用桥、农桥、人行桥、运水桥（渡槽）及其他专用桥梁（如通过管路、电缆等）。（2）按桥梁全长和跨径的不同，分为特殊大桥、大桥、中桥和小桥。《公路工程技术标准》规定的大、中、小桥划分标准如表：桥涵分类多孔跨径总L(m)单孔跨径L0（m）特大桥L≥500L0≥100大桥L≥100L0≥40中桥30＜L10020L0＜40小桥8≤L≤305≤L0＜20涵洞L＜8L0＜5（3）按主要承重结构所用的材料划分，有圬工桥（包括砖、石、混凝土桥）、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥和木桥等。在我国公路上广泛应用的是钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥和圬工桥。（4）按跨越障碍的性质可分为跨河桥、跨线桥（立体交驻）、高架桥和栈桥。高架桥一般指跨越深沟峡谷以代替高路堤的桥梁。（5）按上部结构的行车道位置，分为上承式桥、下承式桥和中承式桥。桥面布置在主要承重结构之上者称为上承式桥。桥面布置在承重结构之下的称为下承为下承式桥。桥面布置在桥跨结构高度中间的称为中承式桥。上承式桥的构造简单，施工方便，而且其主梁或拱肋等的间距可按需要调整，以求得经济合理的布置。一般来说，上承式桥梁的承重结构宽度可做得小些，因而可节约墩台圬工数量。此外，在上承式桥上行车时，视野开阔、感觉舒适也是其重要优点。所以，公路桥梁一般尽可能采用上承式桥。上承式桥的不足之处是桥梁的建筑高度较大。在建筑高度受严桥限制的情况下，以及修建上承式桥必须提高路面（或轨顶）标高而显著增大桥头路堤土方量时，就应采用下承式桥或中承式桥。对于城市桥梁。有时受周围建筑物等的限制，不容许过分抬高桥面标高时，也可修建下承式桥。按特殊的使用条件分有开合桥、浮桥、漫水桥等。三、桥梁的设计荷载（一）规范中有关设计荷载的规定根据使用任务，桥梁结构除了承受本身自重和各种附加恒载成气侯，主要是承受桥上各种交通荷载，例如各种汽车、平板挂车、履带车、电车以及各种非机动车和人群荷载。通常可以将作用在公路桥梁上的各种荷载和外力归纳成三类：永久荷载；可变荷载；偶然荷载。1．永久荷载永久荷载亦称恒载，它是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。永久荷载包括结构物自重、桥面铺装、及附属设备的重量、作用于结构上的土重及土侧压力、基础变位的影响力、水浮力、长期作用于结构上的人工预施力以及混凝土收缩和徐变的影响力。结构物的自重和桥面铺装的重量，可按实际体积乘以材料的容重计算。公路桥结构物的自重往往占全部设计荷载的大部分，占30%-60%以上，跨径愈大所占比例愈高。2.可变荷载可变荷载为在设计使用期，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变荷载（亦称活载）和其他可变荷载。桥梁设计中考虑的基本可变荷载有汽车、平板挂车和履带车的车辆荷载和人群荷载。同时，对于汽车荷载应计及其冲击力和离心力。对于所有车辆荷载尚应计算其所引起的土侧压力。规范中规定的其他可变荷载包括：汽车制动力、支座摩阻力、温度影响力、风力、流水压力和冰压力等。·车辆荷载的影响力车辆荷的影响力包括汽车荷载的冲击力、离心力、车辆荷载引起的土侧压力（以上属基本可变荷载）和汽车制动（属其他可变苛载）。（1）.汽车荷载的影响力车辆以较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整、车轮不圆以发动机抖动等原因，会使桥梁结构引起振动，这种动力效应通常称为冲击作用。在此情况下，汽车荷载（动荷载）对桥梁结构所引起的应力和变形，要比同样大小的静荷载所引起的大。冲击作用是根据在现成桥梁上所做的振动试验结果分析整理出来的，在设计中可按不同结构种类选用相应的冲击系数。下表是钢筋混凝土、混凝土和石砌桥涵等的冲击系数结构种类跨径或荷载长度（m）冲击系数（1+）梁、刚构、拱上构造、桩式或柱式墩台、涵洞盖板l≤5l≥451.301.00拱桥的主拱圈或拱肋l≤20l≥701.201.00冲击系数（1+）是随路径或荷载长度l的增大而减小的，当l在表列数值之间时，可用直线内插法求得。鉴于结构物上的填料能起缓冲和扩散荷载的作用，故对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度（包括路面厚度）等于或大于50cm时，可以不计冲击作用。（2）汽车荷载的制动力制动力是汽车在桥上刹车时为克服其惯性力而在车轮与路面之间发生的滑动摩擦力（摩擦系数可达0.5以上）。鉴于一行汽车不可能全部同时刹车，制动力就并不等于摩擦系数乘桥上全部车辆荷载。《桥规》规定：对于1-2车道，制动力按布置在荷载长度内的一行汽车车队总重量的10%计算，但不得小于一辆重车重量的30%；对于4车道的桥梁，制动力按上述规定数值增加一倍。制动力的方向是行车方向，其着力点在桥面以上1.2m处。在计算墩台时，可移至支座中心（铰或滚轴中心）或滑动支座、橡胶支座、摆动支座的底板面上；计算刚架桥、拱桥和木桥时，可移至桥面上，但不计因此而产生的力矩。（3）离心力位于曲线上的桥梁，当曲率半径等于或小于250m时，须考虑车辆离心力的作用。离心力等于车辆荷载（不计冲击力）乘以离心力系数C，即H=CPC=R127式中：——计算车速，以km/h时计；R——弯道半径，以m计。为了计算方便，车辆荷载P通常就采用均匀分布的等代荷载。多车道桥的等代荷载亦按规定折减。离心力的着力点在桥面以上1.2m（为计算简便也可移至桥面上，但不计由此引起的力和矩）。（4）车辆荷载引起的土侧压力车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力，可按换算的等代的均布层厚度来计算。有关桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度可按《桥规》的相应规定来确定。·人群荷载设有人行道的桥梁，在以汽车荷载计算内力时，应同时考虑人行道上人群荷载所产生的内力。一般公路桥梁的人群荷载规定为300kg/m2(3000N/m2)；城市郊区行人密集地区一般为350kg/m2(3500N/m2)。3.偶然荷载偶然荷载包括地震力和船只或漂流物的撞击力。这种荷载在设计使用期内不一定出现但一旦出现，其持续时间较短而数值很大。（二）荷载组合根据各荷载重要性的不同和同时作用的可能性，《桥规》规定了下述五种荷载组合：组合Ⅰ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种相组合。组合Ⅱ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相结合。组合Ⅲ：平板挂车或履带车与结构自重、预应力、土重及土侧压力中的一种或几种组合；组合Ⅳ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种与永久荷载的一种或几种与偶然荷载中的船只或漂流物撞击力相组合；组合Ⅴ：结构自重、预应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。第二章钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥都是采用抗压性能好的混凝土和抗拉能力强的钢筋结合在一起建成的。根据混凝土受预压程度的不同，预应力混凝土结构又可分为全预应力和部分预应力两种。前一种在最大使用荷载下混凝土不出现