认识我们常见的桥梁分析

认识我们常见的桥梁

桥梁是跨越峡谷、山谷、道路、铁路、河流、其他水域、或其他障碍而建造的结构，是一种由水面或地面突出来的高架，用来连着桥头桥尾两边路。桥梁的目的是允许人、车辆、火车或船舶穿过障碍。桥可以打横搭着谷河或者海峡两边，又或者起在地上升高，槛过下面的河或者路，让下面交通畅通无阻。桥是一种用来跨越障碍的大型构造物。确切的说是用来将交通路线（如道路、铁路、水道等）或者其他设施（如管道、电缆等）跨越天然障碍（如河流、海峡、峡谷等）或人工障碍（高速公路、铁路线）的构造物。

“桥”原本是一种高大的树（参见乔木），因为够高大，砍下来就够长放在河面，可以连着两边岸，即独木桥。

直到公元19世纪，石头和木材一直是最重要的桥梁建筑材料。公元前6世纪巴比伦人用柏木和松木建造桥梁。罗马人开始用石头和混凝土建造拱桥。工业化开始后，1779年，世界上第一座铁桥出现在英国。这是一座由工程师Abraham Darby III用新材料—铸铁——修筑的主跨30米的拱桥。随着桥梁建筑材料的进一步发展，锻铁这种具有更高抗拉强度的材料开始使用，使长距离的铁索吊桥成为可能。一个具有代表性的例子是威尔士的Menai桥，全长521米，主跨177米，由Thomas Telford在1818年至1826年间建造。1860年由罗伯特·史蒂芬逊（Robert Stephenson）在威尔士建造的桁架梁桥不列颠大桥，跨径146米。现代混凝土从1860年开始运用在桥梁工程中，由Joseph Monier建造的第一座钢筋混凝土梁桥出现在一个农

庄，并且只是跨过一条小河。大跨径钢筋混凝土梁桥从20世纪起才开始建造，例如1930年建造的90米跨径的Salginatobel桥。第二次世界大战之后发展起来的预应力混凝土技术终于使纤细预应力梁桥成为可能。1965年在德国本多夫修建的跨径208米的莱茵河大桥，在世界范围内拉开了修建大跨径梁桥的序幕。直到今天这种大跨径梁桥依然活跃在世界桥梁工程当中。随着预应力混凝土桥梁同时发展起来的还有钢结构形式和斜拉桥，世界上第一座此形式的大型的桥梁于1957年出现在德国的杜塞尔多夫，总长914米，跨径260米。

我们常见的桥可以按照不同的分类方法进行分类。常见的分类方法是根据形式和构造、材料以及功能等。

一、按形式和构造分类

按形式和构造主要分为梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥。

1.梁式桥

梁桥是以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁（见下图）。主梁可以是实腹梁或桁架梁。实腹梁构造简单，制造、架设和维修均较方便，广泛用于中、小跨度桥梁，但在材料利用上不够经济。实腹梁桥的最早形式是用原木做成的木梁桥和用石材做成的石板桥，由于天然材料本身的尺寸、性能、资源等原因，木桥现在已基本不采用，石板桥也只用作小跨度人行桥。桁架梁的杆件承受轴向力，材料能充分利用，自重较轻，跨越能力大，多用于建造大跨度桥梁。按照主梁的静力体系，分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。

简支梁桥

梁桥主梁以孔为单元，两端设有支座，是静定结构。一般适用于中、小跨度，结构简单，制造、运输和架设均甚方便，多做成标准设计，以便于构件生产工艺工业化、施工机械化，提高质量，降低造价。

连续梁桥

主梁若干孔为一联，连续支承在几个支座上，是超静定结构。当跨度较大时，采用连续梁较省材料，更适合用悬臂拼装或悬臂灌筑、纵向拖拉或顶推法施工。

悬臂梁桥

上部结构由锚固孔、悬臂和悬挂孔组成，悬挂孔支承在悬臂上，用铰相联。有单悬臂梁桥（三跨构成，中跨较大以满足通航要求）和双悬臂梁桥（可构成多跨的长大梁桥）。

梁桥为桥梁的基本体系之一，使用广泛，在桥梁建筑中占有很大比例，其上部结构可以是木结构、钢结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构或钢筋混凝土桥面板和钢梁的组合结构。

2.拱式桥

以承受轴向压力为主的拱（称为主拱圈）作为主要承重构件的桥梁（见下图）。

a.按照主拱圈的受静力形式，拱轿可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱。拱的种类：三铰拱、两铰拱、无铰拱、带拉杆拱。带拉杆的拱：在屋架中，为消除水平推力对墙或柱的影响，在两桥梁支座间增加一拉杆，由拉杆来承担水平推力。

b.按照主拱圈的构成形式，拱又可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱等。

板拱：拱圈横截面呈矩形实体截面，它横向整体性较好、拱圈截面高度小、构造简单，但抵抗弯矩能力较差，一般用于圬工拱桥。

肋拱：拱圈是由两条或多条拱肋组成，肋与肋之间用横系梁相联系，拱肋形状可以是矩形、工字形、箱形或圆管形，它的抗弯能力较板拱为优，用料较省，但制作较板拱复杂，多用于钢筋混凝土拱桥或钢拱桥。

双曲拱：60年代以后，在中国普遍采用的一种拱式桥梁。它在横向除有拱肋外，还有由拱波、拱板等构成的小拱将整个拱圈联结成整体，它在施工时可以将拱肋、拱波预制，安装后再浇筑拱板，减轻吊装重量，并可以不用拱架，或只需用简单支架，为混凝土拱桥提供了一种新的结构形式和简便易行的施工方法。但需采取措施保证拱圈的整体性。

箱形拱：横截面可为整体多室箱形或分离箱形。混凝土或钢筋混

凝土箱形拱也可采用无支架施工。它的整体性、横向稳定性和抗扭性能都较双曲拱的结构为好，但在中、小跨径时不如双曲拱简便和节省钢材。

桁架拱：拱圈由桁架构成，可做成桁肋拱或肩拱形式。桁架拱的材料用量较经济，但桁架的某些杆件将承受拉力，故主要用在钢拱桥或预应力混凝土拱桥中。

c.拱还可按拱上建筑的形式不同而分为实腹式拱和空腹式拱。实腹式拱是将主拱圈以上至桥面间的空间全部用填料填实，一般用于小跨径的桥梁；空腹式拱则在主拱圈以上设有横桥向贯通的腹孔，一般用于中等以上跨径的桥梁。赵州桥是现存修建最早的空腹式拱桥。

拱的受力特点：在竖向荷载作用下产生水平推力。拱与梁的区别：看是否有水平推力。拱的内力特点：与简支梁相比拱的弯矩、剪力较小，轴力较大（压力），应力沿截面高度分布较均匀。节省材料，减轻自重，能跨越大跨度。宜采用砖、石、混凝土等材料。缺点：拱对基础或下部结构施加水平推力，增加了下部结构的材料用量，对地基要求高。

3.斜拉桥

斜拉桥作为一种拉索体系，斜拉桥比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。斜拉桥由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面，斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。第一座现代斜拉桥是1955年德国DEMAG 公司在瑞典修建的主跨为182.6米的斯特伦松德（Stromsund）桥。目前世界上建成的最大跨径的斜拉桥为俄罗斯的俄罗斯岛大桥，主跨径为1104米,于2012年7月完工。

斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受。梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。

斜拉桥桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车，而是其自重，主要是主梁。以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成

为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。斜拉索数量再多，道理也是一样的。之所以要很多条，那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。

4.悬索桥

吊桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁（见下图）。悬索桥由悬索、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。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。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形，对行车不利，但它的构造简单，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。加劲梁能同桥梁整体结构承受竖向荷载。除以上形式外，为增强悬索桥刚度，还可采用双链式悬索桥和斜吊杆式悬索桥

等形式，但构造较复杂。

桥面支承在悬索（通常称大揽）上的桥称为悬索桥。英文为Suspension Bridge，是"悬挂的桥梁"之意，故也有译作"吊桥"的。"吊桥"的悬挂系统大部分情况下用"索"做成，故译作"悬索桥"，但个别情况下，"索"也有用刚性杆或键杆做成的，故译作"悬索桥"不能涵盖这一类用桥。和拱肋相反，悬索的截面只承受拉力。简陋的只供人、畜行走用的悬索桥常把桥面直接铺在悬索上。通行现代交通工具的悬索桥则不行，为了保持桥面具有一定的平直度，是将桥面用吊索挂在悬索上。和拱桥不同的是，作为承重结构的拱肋是刚性的，而作为承重结构的悬索则是柔性的。为了避免在车辆驶过时，桥面随着悬索一起变形，现代悬索桥一般均设有刚性梁（又称加劲梁）。桥面铺在刚性梁上，刚性梁吊在悬索上。现代悬索桥的悬索一般均支承在两个塔柱上。塔顶设有支承悬索的鞍形支座。承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中，个别也有固定在刚性梁的端部者，称为自锚式悬索桥。

二、按建筑材料分类

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。

木桥

用木料建造的桥梁。木桥的优点是可就地取材，构造简单，制造方便，小跨度多做成梁式桥，大跨度可做成行架桥或拱桥。其缺点是容易腐朽、养护费用大、消耗木材、且易引起火灾。多用于临时性桥梁或林区桥梁。

钢桥

桥跨结构用钢材建造的桥梁。钢材强度高，性能优越，表观密度与容许应力之比值小，故钢桥跨越能力较大。钢桥的构件制造最合适工业化，运输和安装均较为方便，架设工期较短，破坏后易修复和更换，但钢材易锈蚀，养护困难。

圬工桥

用砖、石或素混凝土建造的桥。这种桥常作成以抗压为主的拱式结构，有砖拱桥、石拱桥和素混凝土拱桥等。由于石料抗压强度高，且可就地取材，故在公路和铁路桥梁中，以石拱桥用的较多

钢筋混凝土桥

又称普通钢筋混凝土桥。桥跨结构采用钢筋混凝土建造的桥梁。这种桥梁，沙石骨料可以就地取材，维修简便，行车噪音小，使用寿命长，并可采用工业化和机械化施工，与钢桥相比，钢材用量与养护费用均较少，但自重大，对于特大跨度的桥梁，在跨越能力与施工难易度和速度方面，常不及钢桥优越预应力钢筋混凝土桥桥跨结构采用预应力混凝土建造的桥梁。这种桥梁，利用钢筋或钢丝（索）预张力的反力，可使混凝土在受载前预先受压，在运营阶段不出现拉应力（称全预应力混凝土），或有拉应力而未出现裂缝或控制裂缝在容许宽度内（称部分预应力混凝土）。

其优点是：能合理利用高强度混凝土和高强度的钢材，从而可节约钢材，减轻结构自重，增大桥梁的跨越能力；改善了结构受拉区的工作状态，提高结构的抗裂性，从而可提高结构的刚度和耐久性；在使用荷载阶段，具有较高的承载能力和疲劳强度；可采用悬臂浇筑法或悬臂拼装法施工，不影响桥下通航或交通；便于装配式混凝土结构的推广。

随着材料科学的发展，尤其是复合材料性能的不断进步，越来越

多的桥梁开始应用复合材料制造核心部件。日本与美国将FRP材料制造的钢筋或预应力索应用在钢筋混凝土桥中；而世界各国军队都将复合材料用在舟桥车上，以便可以快速架设大跨度浮桥；对于一些拥有较长历史的桥梁，出于保护目的，一般会在不改变桥梁结构的基础上对桥面进行翻修、加固甚至拓宽，这种情况下通常也会采用复合材料，例如瑞士在翻新沃州阿旺河上已有100年历史的道路桥时，采用了思瑞安COLEVO桥架板，使得桥梁在具有较好的承载能力的同时，具有较低的密度，降低了桥梁的质量。常用于桥梁的复合材料有FRP（纤维增强复合塑料），CFRP（碳纤维增强复合材料），GFRP（玻璃纤维增强塑料），此外，作为夹层结构材料的芯材常采用BALTEK（巴沙轻木）、PET泡沫（AIREX）等等。

三、按跨径分类

按跨径分类是一种行业管理的手段，与桥梁工程设计和施工的技术难度无关。按照2003年最新的公路工程技术标准（JTG B01-2003）第五章：桥涵分类规定

特大桥：桥梁总长L>1000m或计算跨径L0>150m。

大桥：桥梁总长100m≤L≤1000m或计算跨径40m≤L0＜150m。

中桥：桥梁总长30m＜L＜100m或计算跨径20m≤L0＜40m。

小桥：桥梁总长8m≤L≤30m或计算跨径5m≤L0＜20m。

涵洞：计算跨径小于5米

四、按桥面位置分类

上承式：桥的桥面布置在桥跨结构的顶面，其桥垮结构的宽度可以较

小，构造简单，桥上视线不受阻挡；

下承式：下承式桥的桥面布置在桥跨构的下都，其建筑高度（自轨底至梁底的尺寸）较小，增加桥下净空，但桥跨结构较宽，构造比较复杂；

中承式：中承式桥的桥面置于桥跨结构的中部，主要用于拱式桥跨结构

五、按使用功能分类

按使用功能可分为公路桥、人行桥、铁路桥、运河桥等。

六、按使用年限分类

分为临时性桥、永久性桥和半永久性桥。

七、桥梁主要构件

这里用公路桥的各部分构件举例（见下图），并不是所有的桥都有这些全部构件，而有些桥还会增加一些附加构件，也不是每一个公路桥都拥有全部这些构件，而是根据设计要求选择使用。

上部结构

桥梁的上部结构主要由行车道板、主承重结构、可能包含支架、横梁的组成。上部结构将桥梁荷载传给下部结构。

下部结构

桥的下部结构主要指桥台和桥墩。下部结构承受上部结构和车辆荷载，并将其传给墩台基础。

桥台：桥台通常位于桥的终端，将路堤上的道路同桥梁行车道连接起来。他们将桥台上部荷载传给基础并承受桥台背面的土压力。

桥墩：桥墩用来减小上部结构在两个桥台之间的跨径，并能减小上部结构的高度。他们将相应跨径内的上部结构自重和车辆荷载传到基础。他们主要由柱和支座组成。在斜拉桥和悬索桥上，“桥墩”主要通过拉杆或拉索扮演。这时它称为“塔”。

基础：桥梁的基础位于桥台和桥墩之下，它承受整个桥的全部荷载并将其传导到地基土石。基础可分为深基础和浅基础。