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浅谈对桥梁结构的认识
作者: 发布日期:2019-04-10 11:15

      桥梁无处不在,成为人们生活的一部分。我们见过架设于水面的各种桥梁,也见过架设在通衢大道之上现代城市的行人天桥和行车天桥,还见过架设于高楼崇阁之间的阁道桥。这些桥梁形态各异、大小不同、材料不同、结构也不同。从桥梁的发展历史角度看,中国桥梁建筑确实取得了惊人的成就,尤其是改革开放后的四十年,从简单的独木桥到今天的钢铁大桥,从单一的梁桥到浮桥、索桥、拱桥、园林桥、栈道桥、纤道桥等;从材料上,由木料为主的桥梁逐渐发展到了以石料、钢铁和钢筋混凝土为主的桥梁。这些年限不同、大小不同、材料不同、结构不同的桥梁,其设计不仅起到了桥梁应有的作用和价值,而且还具有艺术的美感并蕴含了科学的物理知识。

 
桥梁的分类及结构
 
桥梁的分类
 
       桥梁各种各样,其用途、材料、结构、跨径及使用年限和行车位置都各不同。从用途来看,桥梁可以分为公路、公铁两用桥、人行桥、机耕桥和过水桥;按材料分,可以分为木桥、圬工桥、钢筋混凝土桥、预应力桥及钢桥;根据结构不同,桥梁还可分有梁式桥、拱桥、钢架桥、缆索承重桥(斜拉桥和悬索桥)及组合体系桥;桥梁的跨径及长度不同,可分为小桥、中桥、大桥、特大桥;按行车道位置分为上、中、下承式桥梁。有的桥梁设计为永久性使用,有的为半永久性或临时使用。


 
桥梁的构成
 
       不论何种类型的桥梁,都是由五大部件和五小部件组成。其中,桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台、墩台基础-这五部分是承受汽车或其他车辆运输荷载的桥跨上部结构与下部结构,是组成桥梁的五大部件。而五小部件是指与桥梁服务功能有关的桥面铺装、防排水系统、栏杆、伸缩缝、灯光照明。
 
对桥梁结构的认识
 
       桥梁从结构上来分主要分为梁式桥、拱桥、缆索承重桥,这三种桥梁的最大不同之处在于两个桥梁支柱之间的距离即单跨距的长度。现代梁式桥的跨距可以达到300m左右,现代拱桥的跨距比现代梁式桥更长,能达到500m以上。三种桥梁中单跨距最长的是缆索承重桥,跨距能够达到接近2000m,可以说是桥梁技术的金字塔尖。


 
       桥梁跨距的长度与物理中压力和拉力这两个力有很大关联。压力就是物体对接触物体所作用的挤压或收缩力;拉力是物体对接触物体施加的扩张或拉伸力,所有桥梁都会受压力和拉力,当压力超过桥的最大承受力时,桥就会发生弯曲,,当拉力超过桥的最大承受能力时,桥就会被拉断。为了避免设计的桥梁不出现压弯和拉断的现象,就必须要将过大的压力或拉力进行转移和分散。转移就是将某处受的强度较大的力转移到受力弱的区域或转移到专门设计的受力区域;分散就是将某强力散布到更大的面积,避免出现某个点集中受力的现象。
 
       缆索承重桥和拱桥跨距大的目的就是利用了将力进行转移或分散的原理来确保桥不出现压弯和拉断的现象。比如,缆索承重桥跨距大,目的就是为了能实现力的转移以保证桥的安全。而保障拱桥的安全,则是利用了力分散的原理,所以其跨距比梁式桥长。
 
梁式桥



 
       梁式桥是以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁,其中,简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥都是梁式桥。简支梁桥跨越能力最小,一般常规跨度在40m以内。由于梁式桥是以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁,为了提高梁式桥的受压能力则需要在混凝土预制桥梁梁片的承受张力的部位用钢筋来加固。因为,不同的材料作用不一样,混凝土虽坚硬,但缺乏弹性,容易在拉伸时断裂,而钢筋耐拉伸,为了避免混凝土在拉伸时断裂,需要在混凝土预制桥梁桥板承受张力的部位用钢筋来加固。由于物体压在梁桥梁上时,桥墩内侧桥板的上表面和桥墩外侧桥板下表面受的是压力,桥墩内侧桥板的下表面和桥墩外侧桥板上表面受的是拉力,所以,为了提高桥墩内侧桥板的下表面和桥墩外侧桥板上表面受的拉伸能力需要在桥墩内侧桥板的下表面和桥墩外侧桥板上表面用钢筋来加固。
 
拱式桥


 
       拱式桥是早期桥梁的经典作品,以承受压力为主的主拱圈作为主要承重构件的桥梁。拱桥由拱圈、拱上结构、墩台及基础等部分组成,其中,拱上结构也叫桥跨结构,用来支承道碴桥面及活载。桥跨结构由于有重力对下面的拱圈有压力,所以,拱圈是承载桥跨结构压力的主要承载部分。为了提高拱圈承载桥跨结构的压力,拱圈要用抗压性能强而抗拉性能弱的材料如砖石及混凝土。
 
       桥梁为什么要制成拱形,拱形桥梁有何优点呢?原来常见的直梁下侧受拉,上侧受压,而混凝土、石材、砖等廉价建筑材料的抗拉性能远远低于其抗压性能,若用混凝土、石材、砖等制作直梁,在活载等压力下,直梁下侧容易拉断。若制成拱形桥,则构件下侧的拉应力不仅可以大大减小,而且还可能使构件内不出现拉应力。所以,拱形桥梁的设计不仅充分发挥了材料的抗压性能,还提高了结构的承载能力,与此同时,拱形桥属于超静定结构,拱上结构由于重力,对支座不仅仅会产生垂直于支座的压力,而且还会产生水平推力。这样,拱上结构对支柱的压力就会减少,从而起到分散压力的作用。此外,车通过其他桥梁时,车对桥梁的压力等于车的重力,而车通过拱形桥梁时,由于做圆周运动,车受的重力和支持力之差成为向心力,所以,支持力会小于重力,根据力的作用是相互的,车对桥的压力会小于车的重力。所以,拱形桥梁的设计有利于减少活载对桥梁的压力,从而有利于提高桥梁的寿命。
 
       目前世界最大的钢拱桥是重庆朝天门长江大桥,主跨为552m。由中铁二院设计的云桂铁路南盘江特大桥和沪昆铁路北盘江特大桥的主跨长度也很长,分别达到了416m和445m。其中,南盘江特大桥为上承式钢筋混凝土拱桥,主拱圈采用劲性骨架法施工,其主要工序为:①采用缆索吊装的施工方法进行拱圈劲性骨架节段的拼装,利用两侧交界墩作为扣塔,吊装节段的同时张拉拱圈两侧的一次扣索,自拱脚起逐段对称拼装直至合拢;②劲性骨架合拢后拆除一次扣索,对骨架中钢管进行管内混凝土压注;③管内混凝土压注完成并达到设计强度后对称张拉两侧的二次扣索,并采用大节段跳跃式平衡加载的方法浇筑拱圈外包混凝土;④大节段进行外包混凝土施工,每一工作面上对应节段同时或依次浇筑。整个施工阶段为一个动态的平衡加载状态,就像天平的两端,逐级平衡加码,最终合拢达到平衡。

斜拉桥


 
 
       斜拉桥顾名思义,就是桥的主梁是通过斜钢索拉紧而实现静止横跨的桥梁,由主梁、斜钢索及支承钢索的索塔组成并且斜拉桥的钢索与索塔、桥面(主梁)构成稳定的三角形结构。斜拉桥是近年来应用最广的桥梁。目前世界上最大的斜拉桥主跨达1104m,是俄罗斯2012年建成的跨海大桥。我国的沪通长江大桥、苏通大桥、香港昂船洲大桥、鄂东长江大桥、上海长江大桥、南京长江三桥主跨分别达到1092m、1088m、1018m、926m、730m和648m,分别在世界排名第二、三、四、五、九、十,前十名中国就占了六位!
 
       斜拉桥的主梁受重力和斜钢索的拉力而静止,根据物理知识,斜钢索的拉力是小于主梁的重力的。比如,当重力为G的均匀吊桥处于水平位置时,三根平行钢索与桥面均成30°,点间距ab=bc=cd=dO,若每根钢索受力相同,则每根钢索受力大小F由力矩平衡关系可得F=2/3G。当然,这是斜拉桥的最简化模型,实际的斜拉桥是十分复杂的,钢索形式不仅有单面布索、双面布索,而且还有密索或少索及平行状或放射状钢索。斜拉索的受力计算需要综合诸多因素由大型计算机处理得出结果,此外,施工中也需要精密控制与调整钢索力以达到设计的要求。
 
        2018年10月23日正式开通的港珠澳大桥,其中的三座航道桥均为斜拉桥。青州航道桥为110+236+458+236+110m双塔双索面钢箱梁斜拉桥,索塔采用双柱门形框架塔,塔高163m;江海直达船航道桥为129+258+258+129m中央单索面三塔钢箱梁斜拉桥,中塔体量最大,高106m;九洲航道桥为85+150+298+150+85m双塔单索面钢混组合梁5跨连续斜拉桥,索塔为中央独柱型钢塔,塔顶标高136.190m。截至2018年10月,港珠澳大桥是世界上里程最长、寿命最长、钢结构最大、施工难度最大、沉管隧道最长、技术含量最高、科学专利和投资金额最多的跨海大桥,大桥工程的技术及设备规模创造了多项世界记录,如图2所示。
 
 
悬索桥


 
       悬索桥由主索、索塔、锚碇、吊索(或吊杆)、桥面等部分组成,其中,钢索或链索(均称为主索)是主要的承重构件,所以,作为承重构件的钢索或链索(均称为主索必须具有高的抗拉强度。由于悬索桥除了主梁就是钢索或链索等,因此悬索桥具有用料省、自重轻等特点。与此同时,悬索桥的跨越能力在各类桥梁中是最大的,l999年10月通车的江阴长江公路大桥就属于悬索桥,该桥主跨达到1385m,桥全长3071m,桥下通航高度为50m,两岸的桥塔高196m。悬索桥整个桥面和主缆的重量都悬在主缆上。江阴悬索桥整个桥面和主缆重量达到4.8万t,两根主缆由锚碇固定并且绕过桥塔顶鞍座对主梁施加拉力。
 
       将悬索桥看作最简单的模型来分析,从受力分析角度,大桥受整个桥面和主缆的总重力以及四段钢索的拉力,而桥是静止处于平衡状态的,所以,这些力的合力为零。而作用在桥上的这些力可等效为平面共点力,其延长线会相交于同一个点。根据共点力的平衡知识,可以得到四段钢缆每段拉力F为5.8×108N即6万t。当然,实际的悬索桥计算更为复杂。
 
       江阴长江公路大桥跨度目前世界排名第七。另外武汉杨泗港长江大桥、舟山西堠门大桥、润扬长江公路大桥、香港青马大桥以主跨1700m、1650m、1490m、1377m分别位列世界第二、三、五、八位。
 
 
        半个世纪前,中国用举国之力建成了一座武汉长江大桥。二十多年前,中国能否修建跨径超过400m的桥还在广受质疑。如今,随着一个又一个超级工程的建成,世界排名前十的拱桥、斜拉桥、悬索桥、中国已占据半壁江山甚至更多。“中国跨度”见证着中国跨越。桥梁建设的发展凝聚了我国桥梁建设者不断超越自我的勇气和智慧,必将会有越来越多的有志之士投身于桥梁建设的热

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