土木工程概論第3次課

第二節(jié)、橋梁工程橋梁是線路的重要組成部分。在歷史上，每當(dāng)運(yùn)輸工具發(fā)生重大變化，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。公元前1184年，周文王時(shí)期，在渭河上架設(shè)浮橋，據(jù)《詩(shī)經(jīng)大雅大明》記載，這是我國(guó)最早的大河橋梁。

在19世紀(jì)20年代鐵路出現(xiàn)以前，造橋所用的材料是以石材和木材為主的，鑄鐵和鍛鐵只是偶爾使用。在漫長(zhǎng)歲月里，造橋的實(shí)踐積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了多種多樣的形式。但現(xiàn)今使用的各種主要橋式幾乎都能在古代找到起源。在最基本的三種橋式中，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)槟玖簶颉⑹簶?、直?9世紀(jì)的桁架梁橋；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

在有了鐵路以后，木橋、石橋、鐵橋和原來(lái)的橋梁基礎(chǔ)施工技術(shù)就難于適應(yīng)需要。但到19世紀(jì)末葉，由于結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的傳播；鋼材的大量供應(yīng)、氣壓沉箱應(yīng)用技術(shù)的成熟，使鐵路橋梁工程獲得迅速發(fā)展。20世紀(jì)初，北美洲曾在鐵路鋼橋跨度方面連創(chuàng)世界紀(jì)錄。到第二次世界大戰(zhàn)前，公路鋼橋和鋼筋混凝土橋的跨度紀(jì)錄又都超過(guò)了鐵路橋60年代以來(lái)，汽車(chē)運(yùn)輸猛增，材料供應(yīng)緩和，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，橋梁工程又在提高質(zhì)量、降低造價(jià)、降低橋梁養(yǎng)護(hù)費(fèi)等方面獲得了很大改進(jìn)。

橋梁既是一種功能性的結(jié)構(gòu)物，又是一座立體的造型藝術(shù)工程，也是具有時(shí)代特征的景觀工程，橋梁具有一種凌空宏偉的魅力。發(fā)展交通運(yùn)輸事業(yè)，建立四通八達(dá)的現(xiàn)代交通網(wǎng)，則離不開(kāi)建設(shè)橋梁。道路、鐵路、橋梁建設(shè)的突飛猛進(jìn)，對(duì)創(chuàng)造良好的投資環(huán)境，促進(jìn)地域性的經(jīng)濟(jì)騰飛，起到關(guān)鍵的作用。

第二次世界大戰(zhàn)后，大量被破壞的橋梁急待修復(fù)，新橋急需修建，而造橋的鋼材短缺，于是，利用30年代以來(lái)所積累的關(guān)于高強(qiáng)材料和高效工藝（焊接、預(yù)應(yīng)力張拉及錨固、高強(qiáng)度螺栓施工工藝）的經(jīng)驗(yàn)，推廣了幾種新型橋——用正交異性鋼橋面板的箱形截面鋼實(shí)腹梁橋，預(yù)應(yīng)力混凝土橋和斜張橋。

梁式橋其上部結(jié)構(gòu)在鉛垂荷載作用下，支點(diǎn)只產(chǎn)生豎向反力。梁式橋?yàn)闃蛄旱幕倔w系之一。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)的材料分：有木梁橋、石梁橋、鋼梁橋、鋼筋混凝土梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋以及用鋼筋混凝土橋面板和鋼梁構(gòu)成的結(jié)合梁橋等。木梁橋和石梁橋只用于小橋；鋼筋混凝土梁橋用于中、小橋；鋼梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋可用于大、中橋。

按主要承重結(jié)構(gòu)的形式分：有實(shí)腹梁橋和桁架梁橋兩大類(lèi)。但實(shí)腹梁橋構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造與架設(shè)均較方便。這兩種梁式橋的受力性質(zhì)不同，實(shí)腹梁橋以用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋?yàn)橹鳎旒芰簶騽t多用于鋼橋。

按上部結(jié)構(gòu)的靜力體系分：主要有簡(jiǎn)支梁橋，連續(xù)梁橋和懸臂梁橋。

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q/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。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)。

2.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。以受均布荷載的三等跨連續(xù)梁為例，邊孔最大正彎矩為3q/40，僅為簡(jiǎn)支梁橋的60％，且彎矩分布也比較均勻。當(dāng)跨度較大，恒載對(duì)總荷載的比值稍大時(shí)，采用連續(xù)梁可導(dǎo)致材料用量減少。連續(xù)梁橋更適合采用懸臂拼裝和懸臂灌筑、縱向拖拉或頂推法施工。由于它是超靜定結(jié)構(gòu)，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。為使連續(xù)梁橋的平面位置得到固定，且能將縱向水平力傳給墩臺(tái)，每一聯(lián)必須設(shè)立一固定支座，其余為活動(dòng)支座?，F(xiàn)在公路橋?yàn)闈M足高速平穩(wěn)行車(chē)的要求，常采用多孔一聯(lián)，用以減少橋面伸縮縫的數(shù)目，而將伸縮量集中在橋的活動(dòng)端，并設(shè)置完善的具有大變形量的伸縮縫裝置。

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。

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。

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），及將腿做成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。門(mén)架橋可分：

1.單跨門(mén)架橋。用鋼制造時(shí)，腿腳常設(shè)鉸，形成兩鉸門(mén)架。用鋼筋混凝土制造時(shí)，腿腳可設(shè)鉸，也可和基礎(chǔ)固結(jié)，形成固端單跨門(mén)架橋，主要用于地質(zhì)良好處。

2.雙懸臂單跨門(mén)架橋。將梁的兩端懸伸到門(mén)腿之外，在懸伸端加平衡重或在懸伸端和腿腳間設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉桿，可使梁的支承截面產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，以降低梁的跨中正彎矩，相應(yīng)地降低梁高，有利于修建跨線橋。

3.多跨門(mén)架橋。多用于跨度不大的跨線橋。4.三跨兩腿門(mén)架橋。這種橋在兩端設(shè)有橋臺(tái)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r，可將跨度做的較大。

斜腿剛架橋：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。著名的預(yù)應(yīng)力混凝土斜腿橋有：聯(lián)邦德國(guó)霍雷姆鐵路橋，腳鉸跨度85.5米。中國(guó)邯長(zhǎng)鐵路濁漳河橋，腳鉸跨度82米。1982年建成的中國(guó)安康漢江鐵路橋，腳鉸跨度176米。斜張橋也稱(chēng)斜拉橋。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，現(xiàn)跨度已建到465米。可用于公路橋、鐵路橋、城市橋、人行橋以及管造橋等。

斜張橋歷史簡(jiǎn)介：

1995年首先在瑞典建成公路鋼斜張橋——斯特倫松德橋，主跨182.6米。

1962年首先在委內(nèi)瑞拉建成公路混凝土斜張橋——馬拉開(kāi)波橋，主跨5×235米，開(kāi)創(chuàng)了這種橋的先例。

我國(guó)在1975年首次在四川建成云陽(yáng)橋，該橋是預(yù)應(yīng)力混凝土斜張橋，分跨為34.91米+75.84米+34.91米。

構(gòu)造：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。

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。

自19世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著鋼鐵和混凝土建筑材料的出現(xiàn)，石拱橋已逐步為鋼拱和鋼筋混凝土拱橋所代替。拱橋結(jié)構(gòu)向輕型結(jié)構(gòu)發(fā)展，并逐步打破傳統(tǒng)的上承式石拱橋的型式，創(chuàng)造出新型的拱橋。拱橋的拱圈發(fā)展成為分離式肋拱，橋面發(fā)展成新型板梁式結(jié)構(gòu)，借立柱支承于拱肋之上（上承式），或用吊桿懸掛于拱肋之下（下承式）。當(dāng)受地勢(shì)或受橋梁建筑高度限制時(shí)，還可做成中承式拱橋。拱橋可以是單跨，也可以做成多跨。

單孔空腹式石拱橋鋼筋混凝土斜拉桿式架拱橋３.按拱圈（肋）結(jié)構(gòu)的靜力圖式分：無(wú)鉸拱、雙鉸拱、三鉸拱。前兩者屬超靜定結(jié)構(gòu)，后者為靜定結(jié)構(gòu)。無(wú)鉸拱的拱圈兩端固結(jié)于橋臺(tái)（墩），結(jié)構(gòu)最為剛勁，變形小，比有鉸拱經(jīng)濟(jì)；但橋臺(tái)位移、溫度變化或混凝土收縮等因素對(duì)拱的受力會(huì)產(chǎn)生不利影響，因而修建無(wú)鉸拱橋要求有堅(jiān)實(shí)的地基基礎(chǔ)。雙鉸拱是在拱圈兩端設(shè)置可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸支承，鉸可允許拱圈在兩端有少量轉(zhuǎn)動(dòng)的可能。結(jié)構(gòu)雖不如無(wú)鉸拱剛勁，但可減弱橋臺(tái)位移等因素的不利影響。三鉸拱則是在雙鉸拱頂再增設(shè)一鉸，結(jié)構(gòu)的剛度更差些，但可避免各種因素對(duì)拱圈受力的不利影響。

懸索橋概況：

當(dāng)前世界上的懸索橋以美國(guó)最發(fā)達(dá)；英國(guó)其次，并于最近建成世界上最大跨度的懸索橋。日本則有幾座大跨度公鐵兩用懸索橋正在施工。中國(guó)懸索橋：20世紀(jì)30、40年代，中國(guó)開(kāi)始采用鋼絲纜繩修建懸索橋。1940年建成的滇緬公路昌淦瀾滄江橋的主跨為135米，用輕型鋼桁架做加勁梁。1948年在云南建成繼成橋，為跨度為140米的柔式懸索橋。中華人民共和國(guó)成立后，1951年在四川瀘定建成大渡河新橋，跨度為130米。其后30多年來(lái)曾建成一批懸索橋，如在四川省渡口市建成跨度為172與185米的懸索橋各一座；又1969年在重慶建成了朝陽(yáng)橋，主跨186米，為了消滅加勁梁的S形撓曲用了雙懸索式，加勁梁是由鋼筋混凝土面板和鋼梁結(jié)合而成的箱形梁。1985年在西藏建成的達(dá)孜拉薩河跨度達(dá)415米。

懸索橋也稱(chēng)吊橋。主要承重結(jié)構(gòu)由纜索（包括吊桿）、塔和錨碇三者組成的橋梁。其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。

現(xiàn)代懸索橋，是由索橋演變而來(lái)。適用范圍以大跨度及特大跨度公路橋?yàn)橹鳎钱?dāng)今跨度超過(guò)1000米的唯一橋式。主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型：

1.不設(shè)加勁梁的柔式懸索橋，僅在活載對(duì)恒載的比值較小時(shí)采用。

2.主跨吊于懸索橋并在該跨設(shè)加勁梁，如有邊跨則邊跨用獨(dú)立的簡(jiǎn)支梁。

3.三跨吊于懸索，加勁梁為三跨簡(jiǎn)支梁。

4.三跨吊于懸索，加勁梁為三跨連續(xù)梁。

5.自錨式懸索橋，和組合體系橋中的系桿拱相似，其懸索的水平拉力不傳給錨碇基礎(chǔ)，而是傳給加勁梁；

6.纜索中段同加勁桁架上弦合為一體，在纜索用眼桿組成時(shí)，構(gòu)造并不復(fù)雜，可節(jié)省材料并提高剛度纜索：過(guò)去曾用竹索、鐵索、調(diào)質(zhì)鋼眼桿，現(xiàn)主要使用冷拔碳素鋼絲制成下列三種形式：

1.平行絲大纜，常用J.A.羅布林所發(fā)明的“空中編纜法”就地制造，現(xiàn)今跨度750米以上的橋都使用此法。

2.由鋼絲繩組成的鋼絲繩纜，施工較快，但其彈性模量較低，只適用于跨度較小的橋；

3.由平行鋼絲繩股組成的大纜，繩股可在工廠預(yù)制，保持了平行絲大纜的優(yōu)點(diǎn)，并在施工上有所改進(jìn)。

塔：以往常用石塔，今則以鋼塔為主，有時(shí)也用鋼筋混凝土塔。到20世紀(jì)60年代，美國(guó)仍采用鉚接多室箱型截面，英國(guó)則開(kāi)始采用栓焊結(jié)構(gòu)，并將箱形截面從多室改為單室，以節(jié)約鋼材。因纜索在塔