《橋的形狀和結(jié)構(gòu)》知識清單

《橋的形狀和結(jié)構(gòu)》知識清單一、課程導(dǎo)入：過橋的經(jīng)歷有一次我去一個美麗的古鎮(zhèn)游玩，那里有好多古橋。當我走在橋上的時候，就忍不住想，這橋看起來普普通通的，為啥能在這兒立這么多年呢？而且有的橋彎彎的，有的橋是平的，這形狀里面是不是有啥學(xué)問呢？這就像我們生活中的好多東西，看起來簡單，其實里面藏著好多知識呢。今天咱們就來好好研究一下橋的形狀和結(jié)構(gòu)。二、橋的形狀（一）梁橋1、特點梁橋是最常見的一種橋，它就像一個長長的板子架在兩邊的橋墩上。梁橋的橋面是平的，就像我們平時走的馬路一樣平平整整的。它的受力主要是靠橋面把重量傳給橋墩。比如說，我們常見的那種公園里小湖上的石橋，就是梁橋。重點：梁橋的承重能力和它的橋面材料、橋墩的間距有關(guān)系。如果橋面材料結(jié)實，橋墩間距合適，它就能承受更重的東西。就像我在古鎮(zhèn)看到的一座梁橋，它的橋面是很厚的石板，橋墩間隔大概有5米左右，人在上面走感覺穩(wěn)穩(wěn)當當?shù)??？墒怯袀€地方的橋墩壞了一個，那一塊的橋面就有點往下陷了，這就說明橋墩對梁橋的支撐很重要。2、梁橋的變形連續(xù)梁橋連續(xù)梁橋是梁橋的一種變形。它是由多個梁橋連接在一起的，中間沒有斷開。這種橋的好處是它的受力更均勻。比如說有一座很長的連續(xù)梁橋，它有好幾個橋墩，橋面上的汽車開來開去，重量就被分散到各個橋墩上，不像單個梁橋，某個橋墩要是承受的重量太大就容易出問題。（二）拱橋1、形狀特點拱橋的形狀就像一個彎彎的月亮或者是彩虹。它的橋面是弧形的。拱橋的兩邊有橋臺，中間有拱圈。比如說趙州橋，那可是很有名的拱橋。它的拱圈就像一個大大的半圓，特別壯觀。重點：拱橋的承重原理是把橋面上的重量通過拱圈傳遞到橋臺和基礎(chǔ)上。這個拱圈就像一個很有力的大手，把上面的重量分散開。我在一個景區(qū)看到一個小拱橋，有人在上面跳來跳去，我就擔心橋會塌。但是橋一點事兒都沒有，因為拱橋的結(jié)構(gòu)很奇妙，它能把人的重量分散到橋的各個部分。2、不同類型的拱橋按照拱圈的數(shù)量分，有單拱、雙拱和多拱。單拱拱橋就像一個獨立的彩虹，只有一個拱圈，像趙州橋就是單拱的。雙拱拱橋就有兩個拱圈，看起來更加穩(wěn)固。多拱拱橋就有好幾個拱圈，比如盧溝橋，有好多拱圈，就像一串彎彎的月亮連在一起。按照拱的形狀分，有圓弧拱、拋物線拱等。圓弧拱就像我們平時畫的那種標準的半圓，拋物線拱的形狀就像把一個球拋出去在空中劃過的曲線。不同形狀的拱在受力和美觀上都有不同的特點。（三）吊橋1、結(jié)構(gòu)特點吊橋看起來就很特別，它有高高的橋塔，然后用很多根鋼索把橋面吊起來。就像那種在山谷之間或者大河之上的吊橋，走在上面還會晃晃悠悠的。吊橋的鋼索是很關(guān)鍵的部分，它承擔著把橋面和橋塔連接起來并且承受重量的任務(wù)。重點：吊橋的承重是靠鋼索的拉力和橋塔的支撐力。橋塔要足夠堅固才能承受鋼索的拉力，鋼索也要足夠結(jié)實才能吊起橋面。我有一次在一個冒險樂園玩，那里有一個小型的吊橋，我走上去的時候，感覺橋在晃，往下一看，那些鋼索拉得緊緊的，橋塔也穩(wěn)穩(wěn)地立在那里。要是鋼索或者橋塔出了問題，那這個吊橋可就危險了。2、吊橋的類型按照吊索的布置方式分，有垂直吊橋和斜拉吊橋。垂直吊橋的吊索是垂直向下的，直接把橋面吊起來。斜拉吊橋的吊索是斜著的，它的橋塔通常比較高，斜拉索從橋塔上斜著拉到橋面上，這種橋看起來更加現(xiàn)代化，而且能跨越更寬的距離。三、橋的結(jié)構(gòu)（一）上部結(jié)構(gòu)1、橋面系橋面系包括橋面鋪裝、欄桿等部分。橋面鋪裝就像橋的衣服，它可以是瀝青的、水泥的或者是木板的。比如說我們城市里的一些現(xiàn)代橋梁，橋面鋪裝大多是瀝青的，這樣汽車行駛起來比較平穩(wěn)。欄桿則是起到保護的作用，防止人和車輛掉到橋下。我看到有的橋上的欄桿雕刻得特別精美，既有保護作用又有裝飾性。2、橋跨結(jié)構(gòu)橋跨結(jié)構(gòu)是橋的主要承重部分，不同形狀的橋，橋跨結(jié)構(gòu)不一樣。對于梁橋來說，橋跨結(jié)構(gòu)就是梁；對于拱橋來說，就是拱圈；對于吊橋來說，就是鋼索和被吊起的橋面部分。橋跨結(jié)構(gòu)的好壞直接影響橋的使用壽命和承重能力。就像前面說的那個古鎮(zhèn)的梁橋，如果梁壞了，那整座橋就危險了。（二）下部結(jié)構(gòu)1、橋墩和橋臺橋墩是支撐橋跨結(jié)構(gòu)的，它在橋的中間。橋臺是在橋的兩端，和路堤相連。橋墩和橋臺都要承受很大的壓力，所以它們的基礎(chǔ)一定要打得很牢固。我看到有些橋的橋墩特別粗，就是為了能更好地支撐橋。而且橋墩和橋臺的形狀也有講究，有的是圓形的，有的是方形的，不同的形狀在不同的水流和地質(zhì)條件下有不同的優(yōu)勢。2、基礎(chǔ)基礎(chǔ)是橋墩和橋臺的根基，就像房子的地基一樣重要?；A(chǔ)的類型有很多種，比如擴大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等。擴大基礎(chǔ)就像把橋墩或者橋臺下面的面積做得很大，這樣就能把重量分散到更大的面積上。樁基礎(chǔ)就是在地下打很多樁，把橋墩或者橋臺固定在樁上，這種基礎(chǔ)適合在軟土地基或者水流比較急的地方。四、橋的形狀和結(jié)構(gòu)與環(huán)境的關(guān)系（一）地形影響1、在山區(qū)如果是在山區(qū)建橋，地形起伏比較大，山谷比較深。這時候拱橋和吊橋就比較合適。拱橋可以利用山谷的地形，把拱腳建在兩邊的山坡上，這樣就不需要太多的橋墩。吊橋更是適合在山區(qū)的深谷之間，只要在兩邊的山上建立橋塔，就可以用鋼索把橋面吊起來跨越山谷。比如在一些山區(qū)的旅游景點，就有很多這樣的吊橋，既方便游客通行，又不破壞山區(qū)的自然環(huán)境。2、在平原地區(qū)平原地區(qū)地勢平坦，梁橋就比較常見。因為梁橋的建造相對簡單，不需要考慮太多的地形起伏。而且梁橋可以根據(jù)需要建造得很長，適合在平原地區(qū)跨越河流或者道路。像很多城市里的跨河大橋，很多都是梁橋，它們可以把城市的各個區(qū)域連接起來。（二）水文影響1、水流速度慢的河流在水流速度慢的河流上，橋墩的基礎(chǔ)可以相對簡單一些。梁橋和拱橋都可以建造。但是如果考慮到美觀和通航等因素，拱橋可能會更合適。因為拱橋下面的空間比較大，可以讓船只順利通過，而且拱橋本身也是一道美麗的風景。2、水流速度快的河流對于水流速度快的河流，橋墩的基礎(chǔ)要更加牢固，而且要考慮水流對橋墩的沖擊力。這時候吊橋或者大跨度的拱橋比較合適。吊橋的橋墩基礎(chǔ)可以避開水流的直接沖擊，大跨度的拱橋可以減少橋墩的數(shù)量，從而減少水流對橋墩的影響。（三）交通需求影響1、小型交通量如果是在一些鄉(xiāng)村或者小景區(qū)，交通量比較小，小型的梁橋或者簡單的拱橋就可以滿足需求。比如說一個小村莊里的小橋，只需要供村民和少量游客通行，不需要太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建造一個簡單的梁橋或者單拱的小拱橋就足夠了。2、大型交通量在城市的主干道或者高速公路上，交通量很大，需要建造大型的、承重能力強的橋。梁橋可以通過增加橋墩的數(shù)量或者采用連續(xù)梁橋的形式來提高承重能力。吊橋也可以通過增加鋼索的數(shù)量和強度來適應(yīng)大型交通量。而且這些橋的寬度也要足夠，以滿足車輛的通行需求。五、橋的穩(wěn)定性和安全性（一）穩(wěn)定性因素1、結(jié)構(gòu)的合理性一座橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須合理。比如說拱橋的拱圈的形狀、厚度，梁橋的梁的截面形狀和尺寸，吊橋的鋼索的布置和橋塔的高度等都要經(jīng)過精確的計算。如果結(jié)構(gòu)不合理，橋就容易變形或者倒塌。就像我之前看到的一個沒有建好的小石橋，它的梁的厚度不夠，結(jié)果在施工的時候就斷了，這就是結(jié)構(gòu)不合理的后果。2、材料的質(zhì)量橋的材料質(zhì)量也很關(guān)鍵。無論是梁橋的橋面材料、拱橋的拱圈材料還是吊橋的鋼索材料，都要符合質(zhì)量標準。如果材料質(zhì)量不好，就像用了劣質(zhì)的鋼材做吊橋的鋼索，那鋼索可能會斷裂，導(dǎo)致橋的危險。我聽說有個地方的橋因為使用了不合格的水泥，結(jié)果沒過多久橋就出現(xiàn)了裂縫，這就是材料質(zhì)量問題。（二）安全性維護1、定期檢查橋要定期進行檢查，看看有沒有裂縫、變形或者材料老化等問題。就像我們定期去醫(yī)院體檢一樣，橋也要定期“體檢”。檢查人員會用各種儀器來檢測橋的各個部分。比如說用超聲波檢測儀來檢測橋墩內(nèi)部有沒有裂縫，用應(yīng)變儀來檢測橋跨結(jié)構(gòu)的受力情況等。2、維修和加固如果在檢查中發(fā)現(xiàn)了問題，就要及時進行維修和加固。如果是橋面有裂縫，就需要修補裂縫；如果是橋墩基礎(chǔ)不穩(wěn)，就要加固基礎(chǔ)。比如說有一座老橋，橋墩因為河水的沖刷有點傾斜了，工程師們就采用了在橋墩周圍打樁加固的方法，讓橋墩重新穩(wěn)固起來。六、典型問題1、為什么拱橋的拱圈是弧形的就能承受很大的重量呢？這是因為拱橋的拱圈是弧形的，當橋面上有重量的時候，這個重量會沿著拱圈的曲線傳遞到橋臺和基礎(chǔ)上。就像我們把一個球放在一個弧形的碗里，球的重量會均勻地分散到碗的邊緣。同樣的道理，拱圈上的重量也會被均勻地分散，所以它能承受很大的重量。比如說趙州橋，它的拱圈形狀經(jīng)過精心設(shè)計，能夠承受這么多年來行人和車輛的重量。2、吊橋的鋼索是如何承受橋面重量的呢？吊橋的鋼索是通過拉力來承受橋面重量的。當橋面有重量的時候，這個重量會使鋼索產(chǎn)生拉力，而鋼索的拉力又會傳遞到橋塔上。橋塔足夠堅固就能承受鋼索的拉力，從而保證橋的穩(wěn)定。就像我們用繩子吊起一個重物，繩子會被拉直產(chǎn)生拉力，吊橋的鋼索也是這個道理。3、在軟土地基上建橋，哪種基礎(chǔ)比較合適呢？在軟土地基上建橋，樁基礎(chǔ)比較合適。因為軟土地基比較松軟，不能很好地承受橋墩或者橋臺的重量。樁基礎(chǔ)可以把橋墩或者橋臺的重量通過樁傳遞到更深的、更堅固的地層上。就像我們在沙灘上插一根棍子，棍子很容易倒，但是如果我們把棍子插到沙灘下面的硬土層里，棍子就會很穩(wěn)固。樁基礎(chǔ)就相當于把橋墩或者橋臺插到軟土地基下面的硬土層里。七、相關(guān)習題1、梁橋的承重能力和哪些因素有關(guān)？答案：梁橋的承重能力和它的橋面材料、橋墩的間距有關(guān)系。如果橋面材料結(jié)實，橋墩間距合適，它就能承受更重的東西。2、拱橋按照拱圈的數(shù)量可以分為哪幾種？答案：按照拱圈的數(shù)量分，有單拱、雙拱和多拱。3、吊橋的承重是靠什么力量？答案：吊橋的承重是靠鋼索的拉力和橋塔的支撐力。4、在山區(qū)建橋，為什么拱橋和吊橋比較合適？答案：在山區(qū)建橋，地形起伏比較大，山谷比較深。拱橋可以利用山谷的地形，把拱腳建在兩邊的山坡上，這樣就不需要太多的橋墩。吊橋更是適合在山區(qū)的深谷之間，只要在兩邊的山上建立橋塔，就可以用鋼索把橋面吊起來跨越山谷。5、橋的穩(wěn)定性和哪些因素有關(guān)？答案：橋的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的合理性、材料的質(zhì)量有關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計必須合理，包括拱橋的拱圈的形狀、厚度，梁橋的梁的截面形狀和尺寸，吊橋的鋼索的布置和橋塔的高度等都要經(jīng)過精確的計算；材料質(zhì)量也要符合標準，無論是梁橋的橋面材料、拱橋的拱圈材料還是吊橋的鋼索材料都要質(zhì)量合格。6、橋的上部結(jié)構(gòu)包括哪些部分？答案：橋的上部結(jié)構(gòu)包括橋面系和橋跨結(jié)構(gòu)。橋面系包括橋面鋪裝、欄桿等部分；橋跨結(jié)構(gòu)是橋的主要承重部分，不同形狀的橋，橋跨結(jié)構(gòu)不一樣，對于梁橋來說，橋跨結(jié)構(gòu)就是梁；對于拱橋來說，就是拱圈；對于吊橋來說，就是鋼索和被吊起的橋面部分。7、在水流速度快的河流上建橋，應(yīng)該考慮哪些因素？答案：在水流速度快的河流上建橋，要考慮橋墩的基礎(chǔ)要更加牢固，而且要考慮水流對橋墩的沖擊力。這時候吊橋或者大跨度的拱橋比較合適。吊橋的橋墩基礎(chǔ)可以避開水流的直接沖擊，大跨度的拱橋可以減少橋墩的數(shù)量，從而減少水流對橋墩的影響。8、如果發(fā)現(xiàn)橋有裂縫，應(yīng)該怎么做？答案