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土木工程概论(姜晨光)第5章 桥梁工程

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第5章 桥梁工程
5.1 桥梁工程的特点
自从有了路,便就有了桥。道路工程在路线规划时若遇有阻隔(比如河川、 溪流、山谷、湖泊、运河、公路、铁路、等)常须设置桥梁进行跨越,桥梁发展 的主要标志就是跨度,再没有任何硬性指标比跨度更能显示桥梁发展水*的了。 通过代表性桥梁的跨度,就可以了解当时桥梁的建设水*。另外,运输工具、建 筑材料、施工技术及设计理论也是桥梁发展的重要标志和动力。依照土木工程发 展史的划分,桥梁工程发展史也可划分为古代桥梁工程、*代桥梁工程和现代桥 梁工程三个阶段,并以17世纪工程结构开始有定量分析作为*代桥梁工程的开 端,以第二次世界大战后科学技术的快速发展作为现代桥梁工程的起点。 中国西晋时代的公元282年,在今河南洛阳七里涧建造的旅人桥成为中国现知 最早的石拱桥。中国隋代的公元595---605年,在今河北赵县由李春创建的安济 桥(即赵州桥,原长50.82m、现长64.40m、宽约9m、跨径37.02m)是世界著 名的单孔圆弧敞肩石拱桥,被视为人类土木工程里程碑式的建筑。中国南宋时代 的公元1151年,在泉州建成的安*桥(又名五里桥,共362跨,长2070m)为中 国现存最长的石桥。

*代,公元1875年,法国建成世界上第一座钢筋混凝土桥(宽3.96m、长16m)。 公元1883年,美国建成了当时世界上最大跨度的城市悬索桥---布鲁克林桥(主跨长 达486m),该桥在构造上采用了加劲钢桁架和很多根斜拉索(形成斜拉---悬吊混 合体系),有效地抵御了暴风和周期性荷载产生的振荡,其悬索采用空中编缆法就 地施工,被认为是现代悬索桥的开端。公元1905年,中国在京汉铁路上建成了长 3000多米的郑州黄河铁桥,是当时国内最长的钢桁架桥。公元1931年,美国纽约 建成了主跨1067m的乔治· 华盛顿悬索桥,成为世界上有史以来第一座跨度超过 1000m的桥梁,在其以8车道通车的最初30年内,它的加劲桁架尚未建造,以柔式 悬索桥的轻盈成功地抵抗了风力的袭击,直到公元1966年加设下层桥面,该桥的建 造成功标志着现代大跨悬索桥在观念和构造上的成熟,为悬索桥的广泛推广奠定了 基础。公元1937年,中国建成的杭州钱塘江桥(全长1453m),是中国自行建造的 第一座公路、铁路两用(双层)钢桁梁桥。公元1940年,美国塔科马海峡桥 (Tacoma-Narrows bridge-悬索桥,主跨长853m、宽12m)建成,在竣工4个月后 的1940年11月7日,在速度为68km/h的飓风持续袭击下破坏(这就是著名的塔科 马桥事故),事后分析认为具有钝边的加劲梁(高跨比为1/350、宽跨比为1/77) 刚度(抗扭刚度及抗弯刚度)太小且密不透风是造成这次风毁事故的主要原因,塔 科马桥事故令世界桥梁界为之震惊,并促使桥梁界对风的动力作用重视起来,该桥 1950年以同样的跨度及桥式得以重建。

现代建筑材料向轻质化和高强化发展,混凝土(包括钢筋混凝土、预应力钢筋混 凝土及钢纤维混凝土等)及钢材(高强预应力钢材、高性能钢材、耐候钢)得到广泛 运用并成为桥梁的主要材料,桥梁施工技术的进步(机械化和标准化;桥梁专用机械; 先进的焊接技术;悬臂施工、转体施工、顶推施工、等新颖的施工方法)和设计理论 的进步(20世纪50年代后期前苏联学者提出的极限状态设汁法,20世纪60年代美国 R.W· 克拉夫提出的有限元法,20世纪60年代美国一些学者提出的建筑结构可靠度理 论,桥梁抗风(如风洞试验、振动控制及抗风设计等)、桥梁抗震(如隔震技术、抗 震设计与加固等)理论与技术,桥梁施工过程中的结构*吮浠诹Ψ治龇椒ǎ: 结构力学,桥梁新结构(如反吊桥、展翅梁桥、索带桥、钢管混凝土拱桥、斜拉---悬 吊混合体系桥等)体系理论,专门桥梁分析软件、绘图软件及专家系统,计算机仿真 技术,等)促进了现代桥梁技术的百花齐放。19世纪初,德国工程师Dischinger在设 计一座铁路悬索桥时发现,只要在桥上加一些斜拉索就能使变形控制在容许范围内, 1949年他发表文章提出了许多现代斜拉桥的基本设想,公元1955年,Dischinger的 设想在瑞典的Stromsund桥(其主跨182.6m)上得到实现,首开现代斜拉桥的先河。 公元1957年,中国建成第一座跨越长江的公路、铁路两用(双层)连续钢桁梁桥--武汉长江大桥(正桥长1156m,连同引桥长1670m),首次采用灌注钻孔桩基础。公 元1968年,中国建成南京长江大桥(正桥为双层钢桁梁桥,长1576m,连同引桥, 铁路桥总长6772m、公路桥总长4589m。)成为当时国内最长的公路、铁路两用桥。 进入21世纪,中国又相继建成了东海大桥(跨海大桥)、杭州湾跨海大桥、苏通大桥、 京沪高铁南京大胜关长江大桥,成为世界桥梁的领跑者。 19世纪中叶钢材的出现使桥梁工程的发展获得了第一次飞跃,20世纪初钢筋混凝 土的应用助推了桥梁的第二次飞跃,计算机技术和有限元理论的迅速发展使桥梁工程 获得了第三次飞跃。

5.1.1 桥梁的类型
根据不同的分类标准可以对桥梁进行不同的划分。 5.1.1.1 按结构体系分类 按结构体系分类是以桥梁结构的力学特征为基本着眼点的,以主要的受 力构件为基本依据,可将桥梁分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬 索桥、等五大类。 5.1.1.1.1 梁式桥 梁式桥以主梁为主要承重构件,受力特点为主梁受弯。主要材料为钢筋 混凝土、预应力混凝土,多用于中小跨径桥梁。简支梁桥合理最大跨径约 20米,悬臂梁桥与连续梁桥适宜的最大跨径约60-70米。 梁式桥的优点是采用钢筋混凝土建造的梁桥能就地取材、实现工业化施 工、耐久性好、适应性强、整体性好、美观,这种桥型在设计理论及施工 技术上都发展得比较成熟。梁式桥的缺点是结构本身的自重大(约占全部 设计荷载的30%至60%),且跨度越大其自重所占的比值更显著增大,大 大限制了其跨越能力。

5.1.1.1.2 拱式桥 拱桥在我国有着悠久的历史,由于拱桥造型优美,跨越能力达,长期以来一直 是大跨桥梁的主要形式之一。拱式桥以拱肋为主要承重构件,受力特点为拱肋承 压、支承处有水*推力。主要材料是圬工、钢筋混凝土,适用范围视材料而定。 跨径从几十米到三百多米都有,目前我国最大跨径钢筋混凝土拱桥为170米。20 世纪60年代拱桥无支架施工方法的应用与发展,使混凝土拱桥竞争力大大提高。 上个世纪90年代兴起的钢管混凝土拱桥,使得大跨径拱桥的建造能力得到进一步 提高。先合龙自重轻、强度高的钢管拱圈,并将其用作施工拱架,再往管内压注 高强度混凝土,使之进一步硬化形成主拱圈。以钢管混凝土作为劲性骨架,再外 包混凝土形成箱形拱,是修建大跨径拱桥十分理想的构思,避免了钢管防护问题, 另外,这种分期形成的截面由于钢管混凝土最先受力,从而充分利用了钢管混凝 土承载潜力大的优势,而且,这种结构的后期徐变相对也是比较小的。 拱式桥的优点是跨越能力较大,与钢桥及钢筋混凝土梁桥相比可节省大量钢材 和水泥,耐久性好,养护、维修费用少,外型美观,构造较简单,有利于广泛采 用。 拱式桥的缺点是由于它是一种推力结构,因此对地基要求较高。对多孔连续拱 桥,为防止一孔破坏而影响全桥,要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不* 衡推力,增加了工程造价。在*原区修拱桥,由于建筑高度较大,使两头的接线 工程和桥面纵坡量增大,对行车极为不利。

5.1.1.1.3 刚架桥 刚架桥是一种桥跨结构和墩台结构整体相连的桥梁,梁(或板)与立柱(或竖 墙)整体结合在一起构成刚架结构。梁和柱的连结处具有很大的刚性,以承担负弯 矩的作用。刚构桥一般均需承受正负弯矩的交替作用,横截面宜采用箱形截面。支 柱与主梁共同受力,受力特点为支柱与主梁刚性连接,在主梁端部产生负弯矩,减 少了跨中截面正弯矩,而支座不仅提供竖向力还承受弯矩。主要材料为钢筋混凝土, 适宜于中小跨度,常用于需要较大的桥下净空和建筑高度受到限制的情况(比如立 交桥、高架桥、等)。刚架桥又可分为门式刚架桥、T型刚构桥、连续刚构桥。 门式刚架桥在竖向荷载作用下,柱脚处具有水*反力,梁部主要受弯,但弯矩 值较同跨径的简支梁小,梁内还有轴压力H,因而其受力状态介于梁桥与拱桥之间, 但普通混凝土修建的刚架桥在梁柱刚结处较易产生裂缝,需在该处多配钢筋。在温 度变化时,内部易产生较大的附加内力,应引起重视。 T型刚构桥由于T构长悬臂处于一种不受约束的自由变形状态,在车辆荷载作用 下,悬臂内的弯、扭应力较大,因而各方向均易于产生裂缝;由于混凝土的徐变, 会使悬臂产生一定的下挠,在悬臂端部和挂梁的结合处形成一个折角,不仅损坏了 伸缩缝,而且车辆会在此跳车。 连续刚构桥属于多次超静定结构,在设计中一般应减小墩柱顶端的水*抗推刚 度,使得温度变化下在结构内不致产生较大的附加内力。往往在两侧的一个或数个 边跨上设置滑动支座,形成刚构---连续组合体系桥型。 刚架桥的优点是外形尺寸小、桥下净空大、桥下视野开阔、混凝土用量少。刚 架桥的缺点是基础造价较高、钢筋的用量较大、为超静定结构会产生次内力。

5.1.1.1.4 斜拉桥 斜拉桥由塔柱、主梁和斜拉索组成。它的基本受力特点是受拉的斜索将主 梁多点吊起,并将主梁的恒载和车辆等其他荷载从梁传递到索再到塔柱,再 通过塔柱基础传至地基。塔柱基本上以受压为主。跨度较大的主梁就像多点 弹性支承(吊起)的连续梁一样工作,从而使主梁内的弯矩大大减小。由于 同时受到斜拉索水*分力的作用,主梁界面的基本受力特征是偏心受压构件。 斜拉桥利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承,减小了梁内 弯矩而增大了跨径。主要材料为预应力钢索、混凝土、钢材。适宜于中等或 大型桥梁。1999年,日本多多罗大桥(主跨890米)是斜拉桥跨径上的一个 重大突破,世界斜拉桥建设史上的一个里程碑。 斜拉桥的优点是由于受到斜拉索的弹性支承,弯矩较小,使得主梁尺寸大 大减小,结构自重显著减轻,大幅度提高了斜拉桥的跨越能力。受桥下净空 和桥面标高的限制小。由于塔柱、拉索和主梁构成稳定的三角形,斜拉桥的 结构刚度较大,斜拉桥的抗风能力较悬索桥要好得多且不需要集中锚锭构造, 便于无支架施工。 斜拉桥的缺点是由于属多次超静定结构、计算复杂。索与梁或塔的连接构 造比较复杂,施工中高空作业较多且技术要求严格。主梁悬臂长度过长,承 受压力过大,风险过大。外索过长,索垂度的影响使索的刚度大幅下降。

5.1.1.1.5 悬索桥 悬索桥用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构。受力特点是外荷 载从梁经过系杆传递到主缆再到两端锚锭。,在桥面系竖向荷载作用下,通过吊 杆使缆索承受很大的拉力,缆索锚于悬索桥两端的锚锭结构中。缆索传至锚锭的 拉力可分解为垂直和水*两个分力,因而悬索桥也是具有水*反力的结构。悬索 桥的承载系统包括缆索、塔柱和锚锭三部分,结构较轻,能够跨越任何其他桥型 无与跨越的特大跨度。悬索桥的刚度最小,属柔性结构,在车辆荷载作用下,悬 索桥将产生较大的变形(例如跨度1000m的悬索桥,在车辆荷载的作用下,L/4 区域的最大挠度可达3m左右)。主要材料为预应力钢索、混凝土、钢材,适宜 于大型及超大型桥梁。有代表意义的悬索桥有1883年建成纽约布鲁克林悬索桥 (跨径483m)、1937年建成的旧金山金门大桥(主跨1280m)、日本的明石海 峡公铁两用桥(跨径1991m)。 悬索桥的优点是主缆采用高强钢材、受力均匀,具有很大的跨越能力。悬索 桥的缺点是整体刚度小、抗风稳定性不佳,需要极大的两端锚锭,费用高,难度 大。

5.1.1.2 按跨径分类
桥梁按跨径可分为特大桥、大桥、中桥、小桥。按跨径分类是一种行业管理的手段,不反 映桥梁工程设计和施工的复杂性。我国《公路工程技术标准(JTJ001-97)》规定的按跨径划 分桥梁的方法是桥梁总长L≥500m、计算跨径L0≥100m为特大桥;桥梁总长100m≤L<500m、 计算跨径40m≤L0<100m为大桥;桥梁总长30m<L<100m、计算跨径20m≤L0<40m为中桥; 桥梁总长8m≤L≤30m、计算跨径5m≤L0<20m为小桥。

5.1.1.3 按桥面位置分类
桥梁按桥面位置可分为上承式桥,下承式桥和中承式桥。桥面布置在桥跨结构上面的为上 承式桥;桥面布置在桥跨结构下面的为下承式桥;桥面布置在桥跨结构中间的为中承式桥。

5.1.1.4 按建造材料分类
桥梁按主要承重结构所用的材料来划分,有木桥、钢桥、圬工桥(包括砖、石、混凝土 桥)、钢筋混凝土桥和预应力钢筋混凝土桥。

5.1.1.5 按跨越方式分类
桥梁按跨越方式可分为固定式桥梁、开启桥、浮桥、漫水桥、等。固定式桥梁指一经建成 后各部分构件不再拆装或移动位置的桥梁。开启桥指上部结构可以移动或转动的桥梁。浮桥指 用浮箱或船只等作为水中的浮动支墩,在其上架设贯通的桥面系统以沟通两岸交通的架空建筑 物。漫水桥又称过水桥,指洪水期间容许桥面漫水的桥梁。

5.1.1.6 按施工方法分类
桥梁按施工方法有很多种分类,混凝土桥梁可分为整体式施工桥梁的和节段式施工桥梁。 整体式施工桥梁是在桥位上搭脚手架、立模板、然后现浇成为整体式的结构。 节段式施工桥梁是在工厂(或工场、桥头)预制成各种构件,然后运输、吊装就位、拼装 成整体结构。或在桥位上采用现代先进施工方法逐段现浇而成整体结构。用于大跨径预应力混 凝土悬臂梁桥、T型刚构桥、连续梁桥、拱桥以及斜拉桥、悬索桥的施工。

5.1.2 桥梁的组成 桥梁的三个主要组成部分是上部结构、下部结构和附属结构。见图5-1-1。

图5-1-1 桥梁的组成

5.1.2.1 上部结构 上部结构由桥跨结构、支座系统、等组成。 桥跨结构或称桥孔结构,是桥梁中跨越桥孔的、支座以上的承重结构部分。按受力 特点的不同,分为梁式、拱式、刚架和悬索等基本体系,并由这些基本体系构成各 种组合体系。它包含主要承重结构、纵横向联结系、拱上建筑、桥面构造和桥面铺 装、排水防水系统,变形缝以及安全防护设施等部分。 支座系统是设置在桥梁上、下结构之间的传力和连接装置。其作用是把上部结构的 各种荷载传递到墩台上,并适应活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素所产生 的位移,使桥梁的实际受力情况符合结构计算。一般分为固定支座和活动支座。 5.1.2.2 下部结构 下部结构由桥墩、桥台、墩台基础几部分组成。 桥墩、桥台是在河中或岸上支承两侧桥跨上部结构的建筑物。桥台设在两端,桥墩 则在两桥台之间,见图5-1-1。而桥台除此之外,还要与路堤衔接,并防止其滑塌。 为保护桥台和路堤填土,桥台两侧常做一些防护和导流工程。 墩台基础是保证桥梁墩台安全并将荷载传至地基的结构部分。 5.1.2.2.1 桥梁墩台类型与构造 桥梁墩台由墩台帽、墩台身、基础3部分组成。桥梁墩台承受的荷载是上部结构的 竖向力、水*力、弯矩,地震力、风力、流水压力、等。桥墩按受力特点分为刚性 墩和柔性墩;按构造分为实体墩、空心墩、柱式墩、框架墩、等;按截面形式分为 矩形、圆形、园端形、尖端形、等。

5.1.2.2.2 桥墩的防撞 流冰对桥墩的危害主要表现在大面积流冰对桥墩的撞击力和大面积流冰堆积现象以 及流冰对桥墩的磨损。对此,在中等以上流冰河道(冰厚大于0.5 m,流水速度1 m/s 左右)及有大量漂流物的河道,应在迎水方向设置破冰棱体。 航运繁忙的河道,船只往往因突发原因引起航行失控,或是因能见度低造成船舶与 桥墩相撞。桥墩在设计中不但要有一定抵抗船舶冲击荷载的能力,还要考虑采用缓冲 装置和保护系统,预防或改变船只冲击荷载的方向或减少对桥墩的冲击荷载,不使其 破坏。 5.1.2.2.3 桥台的类型与构造 桥台种类很多,可分为重力式桥台、轻型桥台、框式桥台、组合式桥台、承拉式桥 台、等几种。 5.1.2.2.4 桥梁支座 桥梁支座的作用是传递上部结构的各种荷载,适应温度、收缩徐变等因素产生的位 移。按受力特性桥梁支座可分为固定支座(传递竖向力、水*力)、活动支座(传递 竖向力)。 简支梁桥一般一端采用固定支座,一端采用活动支座;连续梁桥一般每一联中的一 个桥墩设固定支座,支座的设置应有利于墩台传递水*力;弯桥上可根据结构朝固定 一点沿径向位移的趋势或结构沿曲线半径的切线方向定向位移的趋势确定。 桥梁支座通常用钢,橡胶等材料来制造,主要有简易支座、弧形钢板支座、橡胶支 座、等,具体应根据桥梁结构的跨径、支点反力的大小、梁体的变形程度等因素来选 取支座类型。中小跨度公路桥一般采用板式橡胶支座,大跨度连续梁桥一般采用盆式 橡胶支座,铁路桥一般采用钢支座。

5.1.2.3 附属结构 附属构件主要包括伸缩缝、灯光照明、桥面铺装、排水防水系统、栏杆(或防撞 栏杆)等几部分。 5.1.2.3.1 伸缩缝 伸缩缝在桥跨上部结构之间,或桥跨上部结构与桥台端墙之间,设有缝隙保证结 构在各种因素作用下的变位。为使桥面上行驶顺直,无任何颠动,此间要设置伸缩 缝构造。特别是大桥或城市桥的伸缩缝,不但要结构牢固,外观光洁,而且需要经 常扫除深入伸缩缝中的垃圾泥土,以保证它的功能作用。 为协调自然因素引起的桥梁端部的转动和纵向位移,如桥梁在气温变化时,桥面 有膨胀或收缩的纵向变形,车辆荷载也将引起梁端的转动和纵向位移。为使车辆* 稳通过桥面并满足桥面变形,需要在桥面伸缩缝处设置一定的伸缩装置。这种装置 称为桥面伸缩缝装置。 对桥面伸缩缝的设计与施工,应全面考虑以下7方面要求: (1)、能够适应桥梁温度变化所引起的伸缩。 (2)、桥面*坦,行驶性良好的构造。 (3)、施工安装方便,且与桥梁结构联为整体。 (4)、具有能够安全排水和防水的构造。 (5)、承担各种车辆荷载的作用。 (6)、养护、修理与更换方便。 (7)、经济价廉。 到目前为止,在我国公路桥梁和城市桥梁工程上使用的伸缩缝种类很多,按伸缩 缝的传力方式和构造特点,伸缩缝可分成5大类,即:对接式伸缩缝、钢制支承式 伸缩缝、橡胶组合剪切式伸缩缝、模数支承式伸缩缝和无缝式伸缩缝。

5.1.2.3.2 人行道 桥梁上的人行道由人行交通量决定,可选用0.75m、1m;大于1m时,按0.5m 倍数递增,行人稀少地区可不设人行道,为保障交通安全,在行车道边缘设安全 带。 人行道是用路缘石或护栏及其它类似设施加以分隔的专门供人行走的部分。 5.1.2.3.3 安全带 安全带是为保障交通安全,在行车道边缘设置高出行车道的带状构造物。 不设人行道的桥上,两边应设宽度不小于0.25m,高为0.25---0.35m的护轮安 全带。 安全带可以做成预制块件或与桥面铺装层一起现浇。预制的安全带有矩形截 面和肋板式截面两种,前者最为常用。现浇的安全带宜每隔2.5---3m做一断缝, 以免参与主梁受力而被损坏。 5.1.2.3.4 栏杆 栏杆是桥上的安全设施,要求坚固;它也是桥梁的表面建筑,要求有一个美 好的艺术造型。栏杆(或防撞栏杆)既是保证安全的构造措施,又是有利于观赏 的最佳装饰件。公路与城市道路的栏杆常用混凝土、钢筋混凝土、钢、铸铁或钢 与混凝土混合材料制作。栏杆从型式上分节间式与连续式2种。 5.1.2.3.5 灯柱 在城市及城郊行人和车辆较多的桥梁上,要有照明设备,一般采用灯柱在桥 面上照明。灯柱可以利用栏杆柱,也可单独设在人行道的内侧。灯柱的设计要经 济合理,要确实能起到照明作用。同时也要符合在全桥的立面上具有统一的格调 和型式。

5.1.2.3.6 桥面铺装
桥面铺装或称行车道铺装,亦称桥面保护层,它是车轮直接作用的部分。铺装的*整、耐磨 性、不翘壳、不渗水是保证行车舒适的关键。特别在钢箱梁上铺设沥青路面的技术要求甚严。 桥面铺装的作用在于防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板,保护主梁免受雨水侵湿,并对车 辆轮重的集中荷*浞植甲饔谩G琶嫫套耙笥幸欢ǖ那慷龋乐箍眩⒈Vつ湍ァP谐档 铺装可采用水泥混凝土、沥青混凝土、沥青表面处治和泥结碎石等各种类型。水泥混凝土和沥 青混凝土桥面铺装用得较广,能满足各项要求。装配式桥梁的水泥混凝土铺装层内宜配置钢筋 网。沥青表面处治桥面铺装,耐久性较差,仅在中级或低级公路桥梁上使用。

5.1.2.3.7 桥面纵横坡
桥面设计纵横坡,以利雨水迅速排除,防止或减少雨水对铺装层的渗透,从而保护行车道板, 延长桥梁使用寿命。桥面上设置纵坡有利于排水,同时,*原地区,在满足桥下通航净空要求 的前提下,降低墩台标高,减少引桥跨长或桥头引道土方量,从而节省工程费用。桥面纵坡, 一般做成双向纵坡,在国内,纵坡一般以不超过3%---4%为宜。

5.1.2.3.8 防水层
《桥梁规范》要求,对于防水程度要求高,或桥面板位于结构受拉区而可能出现裂缝的须做 防水层。

5.1.2.3.9 桥面排水系统
为了迅速排除桥面积水,防止雨水积滞于表面并渗入梁体而影响桥梁的耐久性,在桥梁设计 时除了通过纵横坡和排水外要有一个完整的排水系统。排水系统由多个泄水管组成。泄水管的 布置与桥面纵坡和桥梁长度有关。通常当桥面纵坡大于2%;而桥长小于50m时,一般能保证从 桥头引道上排水,桥上就可以不设泄水管。此时,可在引道两侧设置流水槽,以免雨水冲刷引 道路基。泄水管可沿行车道两侧左右对称排列,也可交错排列。泄水管也可布置在人行道下面。 混凝土梁式桥的泄水管道主要有以下4种型式,即:1)金属泄水管;2)钢筋混凝土泄水管; 3)横向排水孔道;4)封闭式排水系统。

5.2 桥梁规划与设计
5.2.1 桥梁总体设计的基本术语 桥梁总体设计的基本术语主要有计算跨径、桥梁全长、桥梁总长、净跨径、总 跨径、设计水位、桥下净空高度、建筑高度、等。参见图5-1-1。 计算跨径是指桥跨结构两支点间的距离l,桥跨结构的力学计算是以计算跨径为 准的。 桥梁全长对于梁式桥而言,是指桥梁两个桥台侧墙或八字尾端间的距离L。无桥 台的桥梁为桥面系行车道的长度。 桥梁总长通常是指两桥台台背前缘间距离L1。 净跨径是指设计洪水位线上相邻两桥墩(或桥台)间的水*净距l0 。 桥梁的总跨径是指各孔净跨径的总和。桥梁的总跨径反映了它排泄洪水的能力。 设计水位是指相应于设计洪水频率的洪峰流量水位(即设计流量的水位),用 标高表示设计水位的高低。 桥下净空高度是指设计洪水位或设计通航水位对桥跨结构最下缘的高差H。它不 得小于因排洪所要求的以及对该河流通航所规定的净空高度。 桥梁的建筑高度是指桥面对桥跨结构最低边缘的高差h。桥梁的建筑高度不得大 于它的容许建筑高度,否则不能保证桥下的通航或排洪要求。

5.2.2 桥梁设计的基本程序 我国的桥梁设计程序分前期工作及设计工作2部分。前期工作包括编制预可行性 研究报告和可行性研究报告。设计工作通常按"三阶段设计"进行,即初步设计、技 术设计和施工设计。 5.2.2.1 前期工作 预可行性研究报告与可行性研究报告均属建设的前期工作。预可行性研究报告 是在工程可行的基础上,着重研究建设上的必要性和经济上的合理性。可行性研究 报告则是在预可行性研究报告审批后,在必要性和合理性得到确认的基础上,着重 研究工程上的和投资上的可行性。这两个阶段的研究都是为科学地进行项目决策提 供依据,避免盲目性及带来的严重后果。 5.2.2.2 设计工作 设计工作包括初步设计、技术设计、施工设计等三阶段设计。 5.2.2.2.1 初步设计 按照基本建设程序为使工程取得预期的经济效益或目的而编制的第一阶段设计 工作文件。该设计文件应阐明拟建工程技术上的可行性和经济上的合理性,要对建 设中的一切基本问题作出初步确定。 5.2.2.2.2 技术设计 技术设计是基本建设工程设计分为三阶段设计时的中间阶段的设计文件。它是 在已批准的初步设计的基础上,通过详细的调查、测量和计算进行的。其内容主要 为协调编制拟建工程中有关工程项目的图纸、说明书和概算、等。经过审批的技术 设计文件,是进行施工图设计及订购各种主要材料、设备的依据,也是为基本建设 拨款(或贷款)和对拨款的使用情况进行监督的基本依据。

5.2.2.2.3 施工设计 施工设计又称为施工图设计,是设计部门根据审核批准的三阶段设计中的技术设 计、或两阶段设计中的扩大初步设计、或一阶段设计中的设计任务书,所编制的设 计文件。 该文件应提供为施工所必须的图纸、材料数量表及相关说明。与前一设*锥伪 较,设计图的设计和绘制应有更加详细的具体的细部构造和尺寸以及用料和设备等 图纸的设计和计算书,其主要内容有*面图、立面图、剖面图及结构与构造的详图、 工程设计计算书、工程数量表、等。施工图设计一般应全面贯彻技术设计或扩大初 步设计的各项技术要求。除上级指定需要审查者外,一般均不需再审批,可直接交 付施工部门据以施工,设计部门必须保证设计文件的质量。同时施工图文件也是安 排材料和设备、加工制造非标准设备、编制施工图预算和决算的依据。主要工作是 编制施工图、编制工程预算。 5.2.3 桥梁的规划设计过程 桥梁设计的原则是“适用、经济、安全和美观”。桥梁的规划设计过程包括野外 勘测与调查研究、纵断面设计、横断面设计、*面布置、等内容。 5.2.3.1 野外勘测与调查研究 野外勘测与调查研究的主要工作包括以下6个方面,即:1)根据桥梁设计任务确 定桥梁的规模;2)选择桥位、确定路桥关系、等;3)踏勘地形、测绘地形图;4) 钻探桥位、获得工程地质报告;5)水文调查、确定桥梁的跨径和净空;6)其它情 况的调查与搜集,包括材料供应、电力、施工道路、等。

5.2.3.2 纵断面设计

纵断面设计主要有以下5项内容: (1)、确定总跨径; (2)、桥梁分孔设计; (3)、确定桥面标高 (4)、确定桥下净空,以满足通航要求及排洪要求(考虑洪水位); (5)、纵坡设计,按相关规定(比如《公路工程技术标准》、等)进行。
5.2.3.3 横断面设计 横断面设计主要有以下2项内容: (1)、确定桥梁的宽度,按相关规定(比如《公路工程技术标准》、等) 进行,包括各级公路行车道的宽度、中间带的宽度、路肩的宽度、等。 (2)、桥面净空,应满足相关规定(比如《公路工程技术标准》、等)中 的建筑界限规定。

5.2.3.4 *面布置设计
*面布置设计主要是确定路、桥、水流的关系。

5.3 桥梁的设计荷载
确定结构计算模式、选定荷载和结构分析计算是桥梁计算工作中的三个主要内 容。其中荷载的种类、型式和大小选择是否恰当,直接关系到桥梁结构在它的有限 寿命期限内的安全,也关系到桥梁建设费用的合理投资。实际上,荷载分析是比结 构分析更为重要的问题。随着科学技术的进步和桥梁工程的发展,实际与可能作用 在桥梁结构上的荷载越来越复杂(比如,对于大跨径桥梁结构,风载、地震荷载的 重要性愈显突出。又比如预应力混凝土桥梁结构,*代各国规范都将预应力、混凝 土徐变与收缩的影响,温度变化的影响等列入荷载对待。),由于荷载种类、型式 的高度复杂性,在桥梁设计中,考虑哪些荷载可能同时出现的组合也就复杂了。 桥梁设计荷载又称计算荷载。在结构极限状态设计中是指荷载的标准值或代表 值与其分项系数的乘积。 5.3.1 荷载分类 荷载可以根据不同的观点进行分类,通常*惯将荷载分为主要荷载、次要荷载 及特殊荷载。主要荷载是结构设计中必须考虑的经常起作用的荷载。次要荷载在结 构主要部分设计时虽非经常起作用,但在荷载组合时必须考虑的荷载。特殊荷载决 定于桥梁结构特性、建桥地点具体情况、施工方法、等,是需要特别加以考虑的荷 载。在我国现行的公路桥梁设计规范中荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

5.3.1.1 永久荷载 永久荷载(又称恒载)是指结构在设计使用期内其值不随时间变化,或其变化 与*均值相比可忽略不计的荷载。作用在桥梁上部结构的恒载主要是结构物的重力 及附属设备等的外加重力。作用在墩台的恒载主要是上部结构的恒载支座作用力、 墩台本身重力、土压力及其引起的土侧压力或水浮力(水中墩台)。预应力在结构 使用极限状态设计时应作为永久荷载计算其效应,在承载能力极限状态设计时,作 为结构抗力的一部分对待,而非永久荷载。 5.3.1.2 可变荷载 可变荷载是指结构在设计使用期内其值随时间变化,且其变化与*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(活载)和其它 可变荷载2类。 5.3.1.2.1 基本可变荷载 基本可变荷载又称活载,包括车辆荷载及其影响力;人群荷载和汽车冲击力、 离心力;汽车、*板挂车或履带车引起的土侧压力(即这些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);等。车辆荷载是指按照各种车辆统计值 确定的轴重及轴距。按出现的几率可分为计算荷载和验算荷载。计算荷载又称车列 荷载,比如汽车-15级、汽车-20级、汽车超-20级,应大概估计一列车队中可以有 多辆车、全桥可以有多列车队、等。验算荷载比如履带-50、挂车-80、挂车-100和 挂车-120,全桥只允许布置一辆车。人群荷载的取值是公路桥涵3kN/m2、城市郊 区3.5kN/m2,人群荷载只与计算荷载同时考虑。目前规范规定的汽车冲击力与桥 型及跨径有关,跨径越大冲击系数越小,理论上应与结构自振频率有关。曲线桥梁 半径小于250米时应计算汽车荷载的离心力。汽车、*板挂车或履带车引起的土侧 压力只在计算桥台时使用。

5.3.1.2.2 其它可变荷载 其它可变荷载包括自然和人为产生的各种变化力,比如风力(风荷载)、汽车制 动力、温度影响力、支座摩阻力、流水压力及冰压力等。风力对于中小桥来讲一般 应按静风压进行计算,大桥则应按动力计算。汽车制动力一般只在计算支座及桥墩 时使用。温度影响力着重考虑日照及常年温差。支座摩阻力、流水压力及冰压力一 般只在计算桥墩时使用。 5.3.1.3 偶然荷载 偶然荷载是指结构在设计使用期内不一定出现,但一旦出现其值很大、且持续时 间很短的荷载。主要是指地震荷载和船只或漂流物的撞击力。 5.3.2 荷载组合 荷载组合是荷载效应组合的简称,指各类构件设计时不同极限状态所应取用的各 种荷载及其相应的代表值的组合。荷载组合应根据使用过程中可能同时出现的荷载 进行统计组合,取其最不利情况进行设计。根据各种荷载的重要性,荷载的组合分 为六类,即组合Ⅰ-Ⅵ。组合Ⅰ是基本可变荷载(*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是基本可变荷载(*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和其它可变荷载的一种或几种相 组合。组合Ⅲ是*板挂车或履带车,与结构重量、预加应力、土的重力及土侧压力 的一种或几种相组合。组合Ⅳ是基本可变荷载(*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和偶然荷载中的船只或漂流物的撞击力相组合。组 合Ⅴ是桥涵在进行施工阶段验算时,根据可能出现的施工荷载(如结构重力、脚手 架、材料机具、人群、风力以及拱桥的单向推力等)进行组合。构件在吊装时,其 自重应乘以动力系数1.2或0.85,并可视构件具体情况适当增减。组合Ⅵ是结构重力、 预加应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。

5.3.3 荷载的确定与选用原则 荷载的确定与选用应注意以下4点: (1)、确保桥梁设计基准使用期内结构总体的正常使用; (2)、兼顾主要承重结构与局部受力构件强度储备的合理性; (3)、兼顾对长、短桥跨的不同影响; (4)、对大跨结构必须充分估*峁故导使ぷ髯刺锌赡苡龅降囊恍└ 杂而巨大的荷载。

5.4 桥面布置与桥型
5.4.1 桥面布置 桥面构造包括行车道铺装、排水防水系统、人行道(或安全带)、缘石、栏杆、 护栏、照明灯具和伸缩缝等。桥面的布置应在桥梁的整体设计中考虑,它根据道路 的等级、桥梁的宽度、行车的要求等条件确定。对混凝土梁式桥的桥面布置有双向 车道布置、分车道布置和双层桥面布置等。 5.4.1.1 双向车道布置 双向车道布置是指行车道的上下行交通布置在同一桥面上,上下行交通由划线分 隔,没有明显的界限。车辆在桥梁上行驶的速度只能是中速或低速,对交通量较大 的道路,桥梁往往会形成交通滞流状态。 5.4.1.2 分车道布置 在桥面上设置分隔带,用以分隔上下行车辆,因而上下行交通互不干扰,可提高 行车速度,便于交通管理。在城市道路和高等级公路中常采用。 5.4.1.3 双层桥面布置 双层桥面布置是桥梁结构在空间上可以提供两个不在同一*面上的桥面构造。可 以使不同的交通严格分道行驶,提高了车辆和行人的通行能力,并便于交通管理。 同时,可以充分利用桥梁净空,在满足同样交通要求之下,减小桥梁宽度,缩短引 桥长度,达到较好的经济效益。公路铁路两用桥梁中也常常采用将公路、铁路线路 分别在两个*面中布置。典型的有南京长江大桥、青马大桥等。

5.4.2 梁桥 5.4.2.1 梁桥的特点 梁桥指结构在垂直荷载作用下,支座只产生垂直反力而无推力的梁式体系桥的总称。 根据预应力度的不同它包括了普通钢筋混凝土、部分预应力混凝土和全预应力混凝土 梁桥。按静力特性可分为简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥及T形刚构桥 等。目前的梁桥大多为混凝土梁桥。 混凝土梁桥的受力特点是以主梁受弯承担使用荷载、结构不产生水*反力。钢筋混 凝土梁桥是钢筋混凝土结构的一种结构类型,它具有钢筋混凝土结构的所有特点。其 耐久性好、可塑性强,可按照设计意图做成各种形状的结构(例如适应线形的变化做 成曲线桥),刚度大、噪音小。缺点是自重大。在钢筋混凝土梁桥中,在梁的受拉区 布置有受力钢筋,以承担外荷载产生的拉应力,钢筋和混凝土粘结在一起共同变形, 由于受到混凝土裂缝宽度的限制,所以钢筋的拉应变或应力也将受到相应的制约。所 以,钢筋混凝土结构无法利用高强度材料来减轻结构自重,增大跨越能力。任何一种 建筑材料,它的材料强度与材料容重是影响结构极限跨越能力的两大因素。钢筋混凝 土梁是带裂缝工作的,由于混凝土材料本身是抗拉性能极差的一种材料。所以,处于 受拉区的混凝土容易出现裂缝。 5.4.2.2 梁桥的主要类型 5.4.2.2.1 按截面分类法 梁桥按截面类型可划分为板梁桥、肋板式截面桥、箱形截面桥。 5.4.2.2.2 按体系分类法 梁桥按体系可划分为简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、T形刚构桥、连续刚构桥、 等。

图5-4-6 简支梁桥

图5-4-7 双悬臂梁桥

图5-4-8 单悬臂梁桥

图5-4-9 多跨悬臂梁桥

悬臂梁桥分单悬臂、双悬臂,见图5-4-7~图5-4-9。特点是卸载弯矩使跨中弯 矩大大减小,静定体系对地基要求不高,跨中有接缝、行车条件不好,跨中的 牛腿、伸缩缝易损坏,施工不方便,适合于中等以上跨径桥梁。

连续梁桥是将简支梁梁体在支点上连结形成连续梁(见图5-4-10、图5-4-11)。 连续梁在恒载作用下,由于支点负弯矩的卸载作用(恒载、活载均有卸载弯 矩),跨中正弯矩显著减小,其弯矩图形与同跨悬臂梁相差不大。连续梁的突 出优点是结构刚度大、变形小、动力性能好、主梁变形挠曲线*缓、行车条件 好(有利于高速行车)。
T形刚构桥(见图5-4-12)是一种墩梁固结、具有悬臂受力特点的梁式桥,其 卸载弯矩类似于悬臂梁。由于悬臂梁承受负弯矩,T形刚构桥几乎都是预应力 混凝土结构。分跨中带剪力铰和跨中设挂梁等基本类型。

连续刚构桥(见图5-4-13)是预应力混凝土大跨梁式桥的主要桥型之一,它综 合了连续梁和T形刚构桥的受力特点,将主梁做成连续梁体,与薄壁桥墩固结 而成。随着墩高的增加,薄壁桥墩对上部梁体的固作用愈来愈小,逐步蜕化为 柔性墩的作用。薄壁墩底部所承受的弯矩,梁体内的轴力随着墩高的增大而急 剧减小。在跨径大而墩高小的连续刚构桥中,由于体系温度的变化,混凝土收 缩等将在墩顶产生较大的水*位移。为减小水*位移在墩顶产生的弯矩,连续 刚构桥常采用水*抗推刚度较小的双薄壁墩。连续刚构桥综合连续梁与T形刚 构桥的优点,其超静定体系对地基要求高,适合于中等以上跨径的高墩桥梁。

图5-4-10 连续梁桥

图5-4-11 多跨连续 梁桥 图5-4-12 T形刚构 桥 图5-4-13 连续刚构 桥

5.4.3 拱桥
拱桥是公路上常用的一种桥梁型式。拱桥在竖向荷载作用下,两端支承处产生竖向 反力和水*推力,使拱内产生轴向压力,减小了跨中的弯矩,使跨越能力增大。混 凝土拱桥极限跨度为500m左右、钢拱桥为1200m左右。拱桥的拱是主要承受压力 的结构,可采用圬工材料,成为圬工拱桥。 拱桥的受力特点是,主拱为承重结构,支承处不仅产生竖向反力,而且还产生水* 推力,从而使拱主要受压。拱桥的主要优点是跨越能力大,能充分做到就地取材, 耐久性好,养护、维修费用小,外形美观,构造较简单,有利于广泛采用。 拱桥的主要缺点是属于有推力的结构,自重较大,因而水*推力也较大,增加了下 部结构的工程量,对地基要求高。由于水*推力较大,在连续多孔的大、中桥中, 为防止一孔破坏而影响全桥的安全,需要采取较复杂的措施,或设置单向推力墩, 增加了造价。上承式拱桥的建筑高度较高。随着科学技术的发展,拱桥的缺点正在 逐步得到改善和克服,200m---600m范围内,拱桥仍然是悬索桥和斜拉桥的竞争对 手。 5.4.3.1 拱桥的结构体系 根据行车道位置的不同,拱桥可分为上承式拱桥、下承式拱桥和中承式拱桥三种类 型,见图5-4-2。 一般上承式拱桥(见图5-4-3),桥跨结构是由主拱圈、拱上建筑、等组成。

图5-4-2 拱桥的三种类型

图5-4-3 上承式拱桥的基本组成

5.4.3.2 拱桥的分类

拱桥按建桥材料的不同可分为圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢拱桥、等。拱桥按 结构体系的不同可分为简单体系拱桥(三铰拱、两铰拱、无铰拱)和组合体系拱桥 (无推力拱桥、有推力拱桥)。拱桥按主拱圈截面形式的不同可分为分板拱桥、肋 拱桥、双曲拱桥、箱形拱桥。拱桥按拱轴线型式的不同可分为圆弧拱桥、抛物线拱 桥、悬链线拱桥。拱桥按桥面位置的不同可分为上承式拱桥、中承式拱桥、下承式 拱桥。拱桥按拱上建筑形式的不同可分为实腹式拱桥、空腹式拱桥。 5.4.3.2.1 简单体系拱桥 简单体系拱桥均为有推力拱,可做成上承式、中承式和下承式。 5.4.3.2.2 组合体系拱桥 组合体系拱桥是在拱式桥跨中,行车系与拱组合,共同受力。同样,组合拱也可 做成上承式、中承式和下承式。常用的有系杆拱、蓝格尔拱、洛泽拱、尼尔森系杆 拱、尼尔森蓝格尔拱、尼尔森洛泽拱、等几种形式。 5.4.3.2.3 拱片桥 拱片桥按照主拱截面型式的不同可分为板拱桥、肋拱桥、双曲拱桥、箱形拱桥。 5.4.3.3 拱桥的总体设计 拱桥的总体设计(见图5-4-18)包括以下5项工作,即:1)总体布局设计;2) 确定桥梁长度及分孔;3)确定桥梁的设计标高和矢跨比(混凝土拱桥矢跨比1/4~ 1/8,箱型拱桥矢跨比1/6~1/10);4)确定桥面标高,拱定底面标高,起拱线标高, 基础标高;5)正确处理不等分孔问题(采用不同的矢跨比、采用不同的拱脚标高、 调整拱上建筑的重力、采用不同的拱跨结构、等),见图5-4-19。

图5-4-18 拱桥设计参数

图5-4-19 拱桥的不等跨分孔

5.4.4 斜拉桥 斜拉桥(见图5-4-22)的发展经历了3个阶段,第一阶段采用稀索布置,主梁 基本上是弹性支承连续梁;第二阶段采用中密索,主梁既是弹性支承连续梁,又 承受较大的轴向力;第三阶段采用密索布置承受强大的轴向力。研究分析表明, 混凝土斜拉桥的最大跨径可达700m,钢斜拉桥跨径可达1300m,结合梁斜拉桥 (主梁为钢---混凝土结合梁)最大跨径可达1000m,斜拉桥经济跨径在200m--500m之间。

图5-4-22 斜拉桥

5.4.4.1 斜拉桥的总体布置 斜拉桥总体布置主要解决塔索布置与跨径布置;拉索及主梁关系;塔高与跨径关 系问题。 5.4.4.1.1 跨径布置 现代斜拉桥最典型的跨径布置有两种,即双塔三跨(见图5-4-23)和单塔二跨 (见图5-4-24),特殊情况下也可布置成独塔单跨式、双塔单跨式及多塔多跨式 (见图5-4-25)。

图5-4-23 双塔三跨

图5-4-24 单塔二跨

图5-4-25 多塔多跨 式

图5-4-26辅助墩及外边孔

5.4.4.1.2 索塔高度 索塔高度不仅与斜拉桥的主跨径有关,还与拉索的索面型式(辐射式,竖琴式 或扇式)、拉锁的索距和拉索的水*倾角有关。一般在主跨相同的情况下,索塔 高度底,拉索的水*倾角就小,则拉索的垂直分力对主梁的支承效果小,导致拉 索的钢材用量增加。拉索的高度应由经济比较来确定。 5.4.4.1.3 拉索布置形式 拉索对主梁有弹性支承作用,对整个斜拉桥的结构刚度和经济合理性起着重要 的作用。拉索一般采用抗拉强度高、疲劳强度好和弹性模量较大的高强钢丝、钢 铰线及高强粗钢筋等。拉索在空间可布置成单索面和双索面的型式,见图5-4-27。 双索面又分为竖直双索面和倾斜双索面。 单索面时,对抗扭不起作用,因此要求主梁应采用抗扭刚度较大的截面,跨度 也不宜过大。双索面时,两个拉索面能加强结构的抗扭刚度,不需要强调主梁采 用抗扭刚度大的箱型截面。倾斜双索面抗风效果好。较窄的双车道桥梁不宜采用 单索面布置,中央要设中央分隔带。 拉索在索面内的布置型式有辐射式、竖琴式、扇式3种,见图5-4-28。 图5-4-27 单索面和 双索面型 式

辐射式

竖琴式 图5-4-28 拉索在索面内的布置型式

扇式

5.4.4.1.4 拉索间距 早期采用拉索很少而刚性大的稀索布置,索距达15m---30m(混凝土主梁), 30m---50m(钢主梁),拉索索力容易控制在设计预期值。索距大,主梁的弯矩 和剪力大,要求较高的主梁高度。拉索内力大,锚固区需要进行补强,施工困难。 现代采用密索布置,使主梁弯矩减小,轴力增大。梁高降低,可做成梁板式截 面,改善了动力性能,提高了结构的抗风、抗震能力。多索布置与悬臂*衡施工 方法相似,有利于施工控制。可在行车时更换拉索。可能产生分振问题,边跨主 梁可能产生较大负弯矩及端锚索刚度较小问题。混凝土斜拉桥索距达4m---12m, 钢斜拉桥索距达8m-24m。 5.4.4.1.5 拉索倾角α(边索) 拉索的倾角与拉索受力情况有关。当索与梁之间的倾角增大,则拉索索力减小, 索塔的高度与索的长度都要增加,索塔截面可减小。α角控制在25°---45°,竖 琴形布置较多取26°---30°,辐射形或扇形布置在25°范围内,25°最为普遍。

5.4.4.1.6 主梁的布置 主梁可为连续体和非连续体。 1)主梁为连续体系。主梁为连续梁或连续刚构(拉索为跨内的弹性支承),为 改善受力布置外边孔时,斜拉桥主梁梁体还与边跨或引桥的上部结构主梁相连续。 见图5-4-29。 2)主梁为非连续体系。主梁为非连续体系(见图5-4-30)指在双塔三跨式斜拉 桥的主跨中央部分,带有一个简支挂孔或剪力铰。

图5-4-29 主梁为连续体系

图5-4-30 主梁为非连续体系

5.4.4.2 斜拉桥的结构体系 斜拉桥的结构体系可以由主梁、拉索、索塔和桥墩以不同结合方式形成,也可根 据拉索的锚拉体系来形成斜拉桥的不同结构体系。 由梁、索、塔、墩的不同结合可构成四种不同的结构体系,即塔墩固结、塔梁分 离---漂浮体系;塔墩固结、塔梁分离,在塔墩处主梁下设置竖向支承---半漂浮体 系;塔梁固结、塔墩分离---塔梁固结体系;主梁、索塔、桥墩三者互为固结---刚 构体系。

图5-4-31 塔墩固结、塔梁分离--漂浮体系

图5-4-33 塔墩固结、塔梁分离,在 塔墩处主梁下设置竖向支承---半漂 浮体系

图5-4-34 塔梁固结、塔墩 分离---塔梁固结体系

图5-4-35 主梁、索塔、桥墩 三者互为固结---刚构体系

按拉索的锚拉体系不同可形成三种结构体系,即自锚式斜拉桥、地锚式斜拉桥、部 分地锚式斜拉桥。

图5-4-36 自锚式斜 拉桥

图5-4-37 地锚式斜 拉桥

5.4.4.4 混凝土斜拉桥的拉索与锚具 5.4.4.4.1 拉索的种类、构造及防护 拉索是混凝土斜拉桥的重要组成部分,必须具备抗疲劳性能、耐久性和良好的抗 腐蚀性。拉索的造价约占全桥总造价的25%---30%。 (1)、拉索种类与构造 每一根拉索都包括钢索和锚具两大部分。钢索承受拉力,设置在钢索两端的锚具 用来传递拉力。钢索作为斜拉索的主体主要有如下5种形式,即*行钢筋索(见图54-40之a)、钢丝索(见图5-4-40之b)、钢铰线索(见图5-4-40之c)、封闭式钢缆 (见图5-4-40之d)、单股钢铰线(见图5-4-40之e)。

图5-4-40 拉索种类与构造

5.4.4.4.2 拉索端部的锚具 拉索端部的锚具必须能顺畅地将索力传递给索塔和主梁。常用的拉索锚具有热铸 锚、镦头锚、冷铸锚及夹片群锚等。前三种是拉锚式锚具。配装夹片式群锚的拉索, 张拉千斤顶直接拉钢索,结束后锚具才发挥作用。成为拉丝式锚具。热铸锚的结构 见图5-4-41。

图5-4-41 热铸锚

图5-4-42 主梁端部处理

5.4.4.5 混凝土斜拉桥桥塔的结构形式和截面尺寸

索塔上的作用力除了索塔自身的重力外,还有拉索索力的垂直分力引起 的轴向力、拉索的水*分力引起的弯矩和剪力,此外,温度变化、日照温 差支座沉降、风荷载、地震力、混凝土收缩和徐变等都将对索塔轴向力、 剪力、扭矩和顺、横桥向的弯矩产生影响。索塔设计应满足强度、刚度和 稳定性要求。 索塔在顺桥向的型式有单柱型、A型及倒Y型等,见图5-4-45。单柱型 构造简单、外形轻盈美观、施工方便,是最常用的桥型。A型和Y型在顺 桥向索塔刚度大,有利于抵抗索塔两侧拉索的不*衡拉力,能承受较大的 顺桥向弯矩,有良好的抗震能力。 索塔在横桥向的型式有单柱型、双柱型、门型、H型、梯形等,见图54-46。 顺桥向、横桥向均采用单柱型的索塔仅适用于单索面斜拉桥。这类斜拉 桥可采用两种结构体系:塔梁固结、塔墩分离和塔、梁、墩固结。塔梁固 结、塔墩分离时,作用在主梁和索塔上的荷载通过塔梁连接处设置在塔梁 下的支座传递给下部结构。塔、梁、墩固结时塔梁上的荷载通过桥墩直接 传到基础中去。这类斜拉桥的抗扭由主梁提供,因此,主梁多为抗扭刚度 大的箱形截面,特别是梯形箱(因地板尺寸小,塔墩和基础的尺寸可相应 减小)。

图5-4-45 索塔顺桥向的结构型式

图5-4-46 索塔横桥 向的结构 型式

5.4.4.6 拉索锚固结构 拉索和主梁、索塔的连接应考虑拉索布置(稀索、密索、单索面、双索面、拉索的 构造)、主梁和索塔的截面型式与构造、拉索锚具的型式、拉索索力的大小、拉索的 张拉工具与方法、梁上张拉或塔上张拉以及主梁和索塔的材料。索塔是以受压为主的 压弯构件,多采用混凝土材料,施工方便、便于调节索塔轴线的偏差、有利于施工控 制。 5.4.4.7 斜拉桥的支承 斜拉桥的支承体系包括主梁的支承和索塔的支承两种。斜拉桥的支承除应满足在正 常使用阶段的各种受力情况外,还应考虑在环境较差时保持良好的工作性能。 索塔的支承一般分为四种体系,见图5-4-59。1)塔墩固结、塔梁分离(见图5-459之a。塔柱与桥墩固结,增加了索塔的整体刚度,对施工有利,但对地基要求高。 当主梁连续通过塔墩处时,可在墩顶或塔柱横梁上设置竖向、横向、顺桥向支承); 2)塔梁固结、墩梁分离(见图5-4-59之b。可减小塔柱弯矩,对地基要求低。在塔梁 固结处出现负弯矩峰值,主梁必须加强,且索塔处主梁还需设置竖向支承,并对支座 吨位要求高。主跨满载时因索塔随主梁挠曲变形而发生向主跨方向的倾斜,使主跨的 跨中挠度和主梁负弯矩显著增大,故很少采用);3)塔墩(或塔梁)铰结、梁墩分 离(见图5-4-59之c可减少塔柱的弯矩,降低结构的超静定次数,当地基条件很差时, 可改善地基的受力条件,但需在塔底设置大吨位的铰支承,并需在施工期间保证索塔 结构的整体稳定性);4)塔、梁、墩固结(见图5-4-59之d。塔索刚度大,对施工有 利。温度内力大,适用于中小跨径的独塔双跨式斜拉桥。对塔墩抗震不利,宜在地基 条件好,地震烈度低的地区采用)。 斜拉桥的主梁除了以拉索作为弹性支承外,在主梁与塔的交叉部位和梁端支承部位, 一般应设置顺桥向、横桥向及竖向支承构造。

图5-4-59 索塔的四 种支承体 系

5.4.5 悬索桥 5.4.5.1 悬索桥的特点 悬索桥又名吊桥(Suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸 (或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形 状由力的*衡条件决定,一般接*抛物线。从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在 桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变 形。悬索桥的构造方式是19世纪初被发明的,现在许多桥梁使用这种结构方式。 现代悬索桥,是由索桥演变而来。适用范围以大跨度及特大跨度公路桥为主,当今 大跨度桥梁全采用此结构。悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的 桥梁,由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。

悬索桥的主要承重构件是悬索,它主要承受拉力,一般用抗拉强度高的钢材(钢 丝、钢绞线、钢缆等)制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度,并具有用料 省、自重轻的特点,因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大,跨径可以达 到1000米以上。1981年建成的英国恒比尔悬索桥的跨径为1410米,是目前世界 上跨径最大的桥梁。悬索桥的主要缺点是刚度小,在荷载作用下容易产生较大的 挠度和振动,需注意采取相应的措施。按照桥面系的刚度大小,悬索桥可分为柔 性悬索桥和刚性悬索桥。 悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的 力,它的结构可以做得相当纤细,此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在 计算时忽视悬索的重量的话,那么悬索形成一个双曲线。这样计算悬索桥的过程 就变得非常简单了。老的悬索桥的悬索一般是铁链或联在一起的铁棍。现代的悬 索一般是多股的钢筋。 悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一,除苏通、香港昂船洲大桥这两座斜拉桥 以外,其它的跨径超过1000m以上的都是悬索桥。如用自重轻、强度很大的碳 纤维作主缆理论上其极限跨径可超过8000m。 悬索桥的历史是古老的。早期热带原始人利用森林中的藤、竹、树茎做成悬式桥 以渡小溪,使用的悬索有竖直的,斜拉的,或者两者混合的。婆罗洲、老挝、爪 哇原始藤竹桥,都是早期悬索桥的雏形。不过具有文字记载的悬索桥雏形,最早 的要属中国,直到今天,仍在影响着世界吊桥形式的发展。 一般索桥的主要承重构件主缆都锚固在锚碇上,在少数情况下,为满足特殊的设 计要求,也可将主缆直接锚固在加劲梁上,从而取消了庞大的锚碇,变成了自锚 式悬索桥。

悬索桥通常由主缆(main cable)、加劲梁(stiffening girder)、塔柱(tower)和 锚碇(anchorage)构成,见图5-4-60。同其它桥式相比,当跨度越大时,悬索桥的 优势越明显。1)在材料用量和截面设计方面,其截面积并不需要随着跨度增大而增 加;2)在构件设计方面,悬索桥的主缆、锚碇和塔这三项主要承重构件在扩充其截 面积或承载能力方面所遇到的困难则较小;3)作为主要承重构件的主缆具有非常合 理的受力形式;4)在施工方面,风险较小。 悬索桥的结构体系主要有单跨、三跨简支加劲梁、三跨连续加劲梁等几种。 悬索桥的四个发展阶段: 第一代悬索桥,采用天然材料修建,后期也采用了铁索等,一般没有吊杆或吊索, 承重结构与使用构造合二为一。 第二代悬索桥,开始采用了吊杆将桥面与主索分开。 第三代悬索桥,形成了美式悬索桥体系,主缆采用纺丝法,加劲梁采用桁架梁,桥 塔以钢塔为主。 第四代悬索桥,以流线形扁*钢箱为主要特征的英式悬索桥。

图5-4-60 悬索桥的基本构造

图5-4-61 美式悬 索桥

图5-4-62 单跨悬 索桥

图5-4-63 三跨简 支悬索 桥

图5-4-64 三跨连续 悬索桥

图5-4-65 单塔双 跨自锚 式悬索 桥

图5-4-66 双塔三 跨自锚 式悬索 桥

带斜拉索的悬索桥 ------1883年建成的纽约布鲁克林大桥,主跨484m,是最早的带斜拉索的吊桥。

斜拉~悬吊混合式悬索桥 ---------1997年建成的乌江大桥,主跨288m,主梁为高强预应力薄壁箱梁,采用 全截面缆吊预应力悬拼施工,最大吊重为76吨,是世界首座吊拉组合桥。

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