第6講 橋梁工程

1、第七講第七講橋梁工程橋梁工程本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容7.1 7.1 概述概述7.2 7.2 橋梁的種類(lèi)橋梁的種類(lèi)7.3 7.3 橋梁基礎(chǔ)橋梁基礎(chǔ)7.4 7.4 橋臺(tái)與橋墩橋臺(tái)與橋墩7.5 7.5 圖示橋梁架設(shè)過(guò)程圖示橋梁架設(shè)過(guò)程7.6 7.6 橋梁工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)橋梁工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)7.7 7.7 橋梁技術(shù)的發(fā)展方向橋梁技術(shù)的發(fā)展方向7.1 7.1 概述概述 橋梁是線路的重要組成部分。每當(dāng)運(yùn)輸工具發(fā)生重大變革，對(duì)橋梁在載重、跨度等方面提出新的要求，便推動(dòng)了橋梁工程技術(shù)大發(fā)展。 我國(guó)在橋梁建造史上具有重要的地位。據(jù)詩(shī)經(jīng)記載，公元前1184年周文王時(shí)期，在渭河上架設(shè)浮橋，這是我國(guó)最早的大河橋梁。趙州橋趙州

2、橋 又名安濟(jì)橋，建于隋大業(yè)(公元605-618)年間，是著名匠師李春建造。橋長(zhǎng)64.40米，跨徑37.02米，是當(dāng)今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。 1991年9月，趙州橋被美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)選定取為第十二個(gè)“國(guó)際土木工程里程碑”。 橋梁基本形式橋梁基本形式 梁式橋梁式橋起源于模仿倒伏于溪溝上的樹(shù)木而建成的獨(dú)木橋，由此演變?yōu)槟玖簶?、石梁橋、直至桁架梁橋?懸索橋懸索橋起源于模仿天然生長(zhǎng)的跨越深溝而可資攀援的藤條而建成的竹索橋，演變?yōu)殍F索橋、柔式懸索橋，直至有加勁梁的懸索橋； 拱橋拱橋起源于模仿石灰?guī)r溶洞所形成的“天生橋”而建成的石拱橋道，演變?yōu)槟竟皹蚝丸T鐵拱橋。7.2 7.2 橋梁

3、的種類(lèi)橋梁的種類(lèi) 橋梁按主要承重結(jié)構(gòu)體系承重結(jié)構(gòu)體系有梁式橋、拱橋、懸索橋、剛架橋、斜張橋和組合體系橋等，前三種是橋梁的基本體系。 按橋梁上部結(jié)構(gòu)的建筑材料建筑材料分：有木橋、石橋、混凝土橋、鋼筋混凝土橋、預(yù)應(yīng)力混凝土橋、鋼橋和結(jié)合梁橋等。 按橋梁功能橋梁功能分：有公路橋、鐵路橋、公鐵兩用橋、城市橋。 按制造方法制造方法分：混凝土橋分就地灌筑橋和裝配式橋兩類(lèi)。也有兩者結(jié)合的裝配、現(xiàn)澆式混凝土橋。7.2.1 7.2.1 梁式橋梁式橋 梁式橋的上部結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，支點(diǎn)只產(chǎn)生豎向反力。制造和架設(shè)均比較方便，使用廣泛，在橋梁建筑中占有很大比例。 按上部結(jié)構(gòu)的靜力體系分：主要有簡(jiǎn)支梁橋，連續(xù)梁橋和

4、懸臂梁橋。簡(jiǎn)支梁橋簡(jiǎn)支梁橋 主梁以孔為單元，兩端設(shè)有支座，是靜定結(jié)構(gòu)，最大彎矩發(fā)生在跨中央，當(dāng)跨度為L(zhǎng)，承受均布荷載q時(shí)，其值為（qLL /8），支點(diǎn)彎矩為零，無(wú)助于跨中卸載，一般適用于中、小跨度。 簡(jiǎn)支梁橋的支座，一端為固定支座，用以固定主梁位置，使橋端在平面內(nèi)不得發(fā)生移動(dòng)，但可豎向轉(zhuǎn)動(dòng)；另一端為活動(dòng)支座，用以保證主梁在荷載、溫度、鋼筋混凝收縮和徐變作用下能自由伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)，以免梁內(nèi)產(chǎn)生額外附加內(nèi)力。 公路橋在活動(dòng)端的橋面處要求設(shè)置橋面伸縮縫，以保證行車(chē)平穩(wěn)；鐵路鋼橋當(dāng)溫度跨度超過(guò)100米時(shí)，應(yīng)設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。 若遇地基不均勻沉降時(shí)，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力不受影響，若一孔遭破壞，鄰孔不受牽連。它可以分

5、片（段）預(yù)先制造，分孔架設(shè)和修復(fù)。 這種橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造運(yùn)輸和架設(shè)均比較方便，因此各國(guó)多做成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以便于構(gòu)件生產(chǎn)工藝工業(yè)化、施工機(jī)械化，贏得工期，提高質(zhì)量，并降低造價(jià)。 簡(jiǎn)支梁橋的缺點(diǎn)是鄰孔兩跨之間有異向轉(zhuǎn)角，影響行車(chē)平順，現(xiàn)在公路橋多采用橋面連續(xù)的簡(jiǎn)支梁橋來(lái)改善。 此外，簡(jiǎn)支梁橋的橋墩上需設(shè)置兩跨橋端的支座，體積增大，較連續(xù)梁橋和懸臂梁橋要多耗費(fèi)一些材料，阻水面積也大一些。連續(xù)梁橋連續(xù)梁橋 主梁若干孔為一聯(lián)，在中間支點(diǎn)上連續(xù)通過(guò)，是超靜定結(jié)構(gòu)，最大正彎矩發(fā)生在跨中附近，而最大負(fù)彎矩（絕對(duì)值）發(fā)生在支點(diǎn)截面上。由于支點(diǎn)負(fù)彎矩的存在?？墒箍缰姓龔澗乇韧绲暮?jiǎn)支梁減少很多。 由于它是超靜定結(jié)構(gòu)

6、，當(dāng)一孔受到破壞時(shí)，鄰孔可給予支持而不墜落，對(duì)修復(fù)與加固有利，而且剛度較大，抗震性能良好。 連續(xù)梁橋的缺點(diǎn)是，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生差異沉降時(shí)，梁內(nèi)要產(chǎn)生額外的附加內(nèi)力，為此在設(shè)計(jì)中必須考慮在支座處設(shè)置頂梁與調(diào)整支座標(biāo)高的裝置。 為使連續(xù)梁橋的平面位置得到固定，每一聯(lián)必須設(shè)立一固定支座，其余為活動(dòng)支座。懸臂梁橋懸臂梁橋 在連續(xù)梁橋彎矩圖中的零值彎矩點(diǎn)處設(shè)鉸，從構(gòu)造設(shè)計(jì)上使此處彎矩為零，當(dāng)設(shè)鉸的數(shù)目等于連續(xù)梁的超靜定次數(shù)時(shí)，這就將超靜定的連續(xù)梁橋變成靜定的懸臂梁橋。 其內(nèi)力不因地基不均勻沉陷而變，故可適用于地質(zhì)不良的地區(qū)，但仍具有支點(diǎn)負(fù)彎矩卸載的優(yōu)點(diǎn)（減少跨中的正彎矩）。 懸臂梁橋的上部結(jié)構(gòu)由錨固孔、懸臂和

7、懸掛孔（簡(jiǎn)稱(chēng)掛孔）組成，懸掛孔支承在懸臂上，用鉸相聯(lián)。常采用單懸臂梁橋和雙懸臂梁橋兩種型式。前者由三跨構(gòu)成，中跨較大以滿足通航（車(chē)）要求；后者可構(gòu)成多跨的長(zhǎng)大梁式橋。 懸臂梁橋的缺點(diǎn)是：錨固孔一旦破壞，將株連懸臂倒塌；結(jié)構(gòu)剛度不如連續(xù)梁大，而且橋面伸縮縫多，不利于高速平穩(wěn)行車(chē)。7.2.2 7.2.2 拱橋拱橋 拱橋?yàn)闃蛄旱幕倔w系之一，建筑歷史悠久外形優(yōu)美，古今中外名橋遍布各地，在橋梁建筑中占有重要地位。它適用于大、中、小跨公路或鐵路橋，尤宜跨越峽谷，又因其造型美觀，也常用于城市、風(fēng)景區(qū)的橋梁建筑。 拱橋是以拱圈或拱肋拱圈或拱肋作為主要承載結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，橋墩或橋臺(tái)將承受水平推力。拱的

8、彎矩和變形都比較小，主要承受壓力，故拱橋用磚、石、混凝土和鋼筋混凝土材料建造的比較多。拱橋類(lèi)型拱橋類(lèi)型 拱橋根據(jù)拱圈承載荷載的方式分為： 上承式拱橋上承式拱橋，車(chē)輛與行人在拱圈之上行駛通行。 中承式拱橋中承式拱橋，車(chē)輛與行人在拱圈之中部行駛通行。 下承式拱橋下承式拱橋，車(chē)輛與行人在拱圈之下行駛通行。7.2.3 7.2.3 剛架橋剛架橋 剛架橋也稱(chēng)剛構(gòu)橋，主要承重結(jié)構(gòu)采用剛架的橋梁。剛架的腿形成墩（臺(tái)）形，梁和腿為剛性連接，可用鋼、鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土制造。剛架橋類(lèi)型剛架橋類(lèi)型門(mén)式剛架橋門(mén)式剛架橋 門(mén)式剛架橋簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)架橋，其腿和梁垂直相交呈門(mén)架形。腿所受的彎矩將隨腿和梁的剛度比率的提高而增

9、大。用鋼或鋼筋混凝土制造的門(mén)架橋，多用于跨線橋。至于T形剛構(gòu)橋（特點(diǎn)是在跨中有鉸），則將腿做成V形兩撐桿與梁剛性相連的連續(xù)梁橋，其外形均與多跨的門(mén)架橋相近，但內(nèi)力分布規(guī)律則不同。斜腿剛架橋斜腿剛架橋 斜腿剛架橋的剛架腿是斜置的，兩腿和梁中部的軸線大致成拱形，這樣，腿和梁所受到的彎矩比同跨度的門(mén)式剛架顯著減小，而軸向壓力有所增加。同上承式拱橋相比，這種橋不需要拱上結(jié)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)目較少；當(dāng)橋面較窄（如單線鐵路橋）而跨度較大時(shí)，可將其斜腿在橋的橫向放坡，以保證橋的橫向穩(wěn)定。7.2.4 7.2.4 斜拉橋斜拉橋 斜拉橋也稱(chēng)斜張橋，是一種利用錨在塔上的多根斜向鋼纜索吊住主梁的橋。斜張橋是第二次世界大戰(zhàn)以后

10、新發(fā)展起來(lái)的重要橋梁之一，因主梁為纜索多點(diǎn)懸吊，內(nèi)力小，建筑高度低，施工方便，跨越能力大，可用于公路橋、鐵路橋、高架橋、人行天橋等。 斜張橋的主要組成部分有纜索、塔柱、橋墩、橋臺(tái)、主梁和輔助墩等。 纜索用以懸吊主梁，將其上部荷載傳遞給塔柱與橋墩。 塔柱為橋墩以上支承纜索的結(jié)構(gòu)，可用鋼筋混凝土或型鋼建造。 斜拉橋的主要組成部分有纜索、塔柱、橋墩、橋臺(tái)、主梁和輔助墩等。 纜索用以懸吊主梁，將其上部荷載傳遞給塔柱與橋墩。索形布置主要有三種：輻射形， 豎琴形， 扇形。輻射形，斜索吊點(diǎn)集中在塔頂，這種布置最省鋼索，更適用于用纜索懸吊主梁于塔上的懸浮體系。豎琴形，斜索皆平行布置宛如豎琴，故名豎琴形，這種布

11、置用鋼量多，但比較美觀。扇形，系輻射形與豎琴形的折中形式，用鋼量居中。世界十大斜拉橋世界十大斜拉橋7.2.5 7.2.5 懸索橋懸索橋 懸索橋也稱(chēng)吊橋，主要承重結(jié)構(gòu)由纜索（包括吊桿）、塔和錨碇三者組成。 懸索橋的纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面板吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。 懸索橋的主要承重構(gòu)件是懸索，它主要承受拉力，一般用抗拉強(qiáng)度高的鋼材（鋼絲、鋼絞線、鋼纜等）制作。由于懸索橋可以充分利用材料的強(qiáng)度，并具有用料省、自重輕的特點(diǎn)，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達(dá)到1000米以上

12、。 懸索橋的主要缺點(diǎn)是剛度小，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的撓度和振動(dòng)，需注意采取相應(yīng)的措施。世界十大懸索橋世界十大懸索橋7.3 7.3 橋梁基礎(chǔ)橋梁基礎(chǔ) 橋梁的基礎(chǔ)承擔(dān)著橋墩、橋跨結(jié)構(gòu)的全部重量以及橋上的可變荷載。橋梁基礎(chǔ)往往修建于江河的流水之中，遭受水流的沖刷。所以橋梁基礎(chǔ)一般比房屋基礎(chǔ)的規(guī)模大，需要考慮的問(wèn)題多，施工條件也困難。 橋梁基礎(chǔ)的類(lèi)型有剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)等。在特殊情況下，也用氣壓沉箱基礎(chǔ)。7.4 7.4 橋臺(tái)與橋墩橋臺(tái)與橋墩 橋梁的支承結(jié)構(gòu)為橋臺(tái)與橋墩。 橋臺(tái)橋臺(tái)是橋梁兩端橋頭的支承結(jié)構(gòu)，是道路與橋梁的連接點(diǎn)。 橋墩橋墩是多跨橋的中間支承結(jié)構(gòu)。 橋臺(tái)和橋墩都是由臺(tái)(墩)

13、帽、臺(tái)(墩)身和基礎(chǔ)組成。橋臺(tái)橋臺(tái) 橋臺(tái)是兩端橋頭的支承結(jié)構(gòu)物，它是連接兩岸道路的路橋銜接構(gòu)造物。它既要承受支座傳遞來(lái)的豎直力和水平力，還要擋土護(hù)岸、承受臺(tái)后填土及填土上荷載產(chǎn)生的側(cè)向土壓力。因此橋臺(tái)必須有足夠的強(qiáng)度，并能避免在荷載作用下發(fā)生過(guò)大的水平位移、轉(zhuǎn)動(dòng)和沉降，這在超靜定結(jié)構(gòu)橋梁中尤為重要。橋墩橋墩 橋墩的作用是支承在它左右兩跨的上部結(jié)構(gòu)通過(guò)支座傳來(lái)的豎直力和水平力。由于橋墩建筑在江河之中，因此它還要承受流水壓力，水面以上的風(fēng)力和可能出現(xiàn)的冰壓力，船只等的撞擊力。所以橋墩在結(jié)構(gòu)上必須有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在布設(shè)上要考慮橋墩與河流的相互影響。7.5 7.5 圖示橋梁架設(shè)過(guò)程圖示橋梁架設(shè)過(guò)

14、程懸臂梁橋首先，興建橋的地基、橋墩和橋臺(tái)。其次，從橋墩的兩側(cè)同時(shí)興建懸臂梁。用鋼條將已建造的部分連在一起。 當(dāng)懸臂梁的一側(cè)延伸到橋臺(tái)后，就開(kāi)始在第二個(gè)橋墩上興建新的懸臂。最后，將楔安放在中間，以完成整座橋的興建。在已經(jīng)沉在巖床上的沉箱中建造基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上建造橋墩。在工廠里預(yù)制橋面的混凝土部分，從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，它們可以阻止橋梁晃動(dòng)。橋面的第一部分在橋墩上建造，它們將為橋塔提供一個(gè)基礎(chǔ)。斜拉橋斜拉橋在橋墩上一部分、一部分地建造橋塔，它們把橋的重量擴(kuò)散大地上。用起重機(jī)將駁船運(yùn)來(lái)的橋面分別置放在塔的兩邊。橋面的每個(gè)部分都連到塔上的一根鋼索上。這樣一片片地把橋面加到各個(gè)塔上，直到道路接近完成。橋面

15、上要用專(zhuān)用的鋪路機(jī)鋪上瀝青以應(yīng)付繁重交通。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)完工后，就開(kāi)始安裝路燈和其他設(shè)施。最后，機(jī)動(dòng)車(chē)可以安全的通過(guò)了。懸索橋懸索橋首先，興建吊橋的地基、橋墩和錨狀物，這些為吊橋提供了一個(gè)穩(wěn)固的基礎(chǔ)。在橋墩上興建橋塔，他們是由鋼板或混凝土制作的，用以支撐巨大的纜索。安裝兩根粗纜索，他們穿過(guò)橋塔，并和深埋在河岸上的錨固物相連。一段一段地鋪設(shè)路面板，鋪設(shè)工作可以從橋塔開(kāi)始，向兩側(cè)外移，也可以在橋頭或橋中向橋塔移動(dòng)。路面板鋪設(shè)后，就開(kāi)始鋪設(shè)供汽車(chē)、卡車(chē)和其他交通工具通行的車(chē)道。7.6 7.6 橋梁工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)橋梁工程設(shè)計(jì)要點(diǎn) 選擇橋位：橋位在服從路線總方向的前提下，選在河道順直、河床穩(wěn)定、水面較窄、水流

16、平穩(wěn)的河段。 確定橋梁總跨徑與分孔數(shù)：總跨徑的長(zhǎng)度要保證橋下有足夠的過(guò)水?dāng)嗝?，可以順利地宣泄洪水，通過(guò)流冰。分孔數(shù)目及跨徑大小要考慮橋的通航需要，工程地質(zhì)條件的優(yōu)劣，工程總造價(jià)的高低等因素。一般是跨徑越大，總造價(jià)越大，施工亦困難。設(shè)計(jì)通航水位及通航凈空高度是決定橋道標(biāo)高的主要因素，一般在滿足這些條件的前提下，盡可能地取低值，以節(jié)約工程造價(jià)。 橋梁的縱橫斷面布置：橋梁的縱斷面布置是在橋的總跨度與橋道標(biāo)高確定以后，考慮路與橋的連接線形與連接的縱向坡度。連接線形一般應(yīng)根據(jù)兩端橋頭的地形和線路要求而定?？v向坡度是為了橋面排水，一般控制在3%5。橋梁橫斷面布置包括橋面寬度、橫向坡度、等。 橋型的選擇：橋

17、型選擇是指選擇什么類(lèi)型的橋梁，是梁式橋，拱橋；剛架橋，還是斜拉橋；是多孔橋，還是單跨橋等等。分析一般應(yīng)從安全實(shí)用與經(jīng)濟(jì)合理等方面綜合考慮，選出最優(yōu)的橋型方案，實(shí)際操作中，往往需要準(zhǔn)備多套可能的橋型方案，綜合比較分析以后，才能找出符合要求的最優(yōu)方案來(lái)。7.7 7.7 橋梁技術(shù)的發(fā)展方向橋梁技術(shù)的發(fā)展方向1、大跨度橋梁向更長(zhǎng)、更大、更柔的方向發(fā)展；2、新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；3、在設(shè)計(jì)階段采用高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)輔助手段，有效的快速優(yōu)化和仿真分析，運(yùn)用智能化制造系統(tǒng)在工廠生產(chǎn)部件，利用GPS和遙控技術(shù)控制橋梁施工；4、大型深水基礎(chǔ)工程；5、橋梁建成交付使用后，將通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)保證橋梁的安全和正常運(yùn)行，一旦發(fā)生故障或損傷，將自動(dòng)報(bào)告損傷部位和養(yǎng)護(hù)對(duì)策。6、重視橋梁美學(xué)及環(huán)境保護(hù)。中國(guó)趙州橋 澳門(mén)大橋 六庫(kù)怒江橋 廣州丫譬沙珠江大橋 盧浦大橋京珠高速公路黃河橋焦作至滎陽(yáng)黃河橋 黃石長(zhǎng)江大橋 日本多多羅大橋,1999年建成法國(guó)諾曼底斜拉橋，主跨856m，1995年建成福建青州閩江結(jié)合梁斜拉橋主跨605 m，2001年建成 南京長(zhǎng)江二橋鋼箱梁斜拉橋主跨628 m，2001年建成 倫敦千禧橋 蘭卡威天塹飛橋（馬