1.橋梁按受力體(tǐ)係分類
按照受力體係分類,橋(qiáo)梁有梁式橋、拱式橋、剛架橋、吊橋四種基本體係,其中梁式橋以受彎為主,拱式橋以受壓為主,吊橋以受拉為主。另外,由上述四大基本體係的相互組(zǔ)合,派生出在受力上也具組合特征的組合體係橋型,如斜拉橋等。下麵分別闡述各種(zhǒng)橋梁體(tǐ)係的(de)主要特點。
(1)梁式橋
梁式橋是一種在豎(shù)向荷載(zǎi)作用下無水平反力的結構。由於外力作用(永久作用和可變作用)的作(zuò)用方向與(yǔ)承(chéng)重結構的軸線(xiàn)接(jiē)近垂直,因而與同樣跨徑的其他結構體係相比,梁橋內產生的彎矩最大(dà),通常需用抗彎、抗拉能力強的材料來建造。對於中、小跨徑橋梁,目前在公路上應用最廣的是標準(zhǔn)跨徑的鋼筋混凝土或(huò)預應力混凝土簡支梁橋,施工方法有(yǒu)預製裝配和(hé)現澆兩種。這種梁橋的結構簡單、施工方便,簡支梁對(duì)地基(jī)承載力的(de)要求也不高,鋼筋混凝土及先張法預應力混凝土簡支梁橋的常用跨徑在25m以(yǐ)下;當跨徑較大時,需采用後張法(fǎ)預應力混凝土簡支梁橋,但跨度一般不超過50m。為了改善受力條件和使用性能,地質條件較好時,中、小跨徑梁橋可修建等截麵連續梁橋。對於很大跨徑的大橋和特大橋(qiáo),可采用預應力混凝土變截麵梁橋、鋼橋和鋼一混凝土組合梁橋。
(2)拱式橋
拱式橋的主要承重結構是拱圈或拱肋(拱圈橫截麵設計(jì)成分離形式對稱為拱肋)。拱式結構在(zài)豎向荷載作用下,橋墩(dūn)和橋台將承受水平推力。同時,根據作(zuò)用力和反作用力原理,墩台向拱圈(或(huò)拱肋)提供一對水平反力,這種水平反力將大大抵消在拱圈(或拱肋)內由(yóu)荷載(zǎi)所引起的彎矩。因此,與(yǔ)同跨徑的梁(liáng)相比(bǐ),拱的(de)彎矩、剪力和變形都要小得多。鑒(jiàn)於拱橋的承重結構(gòu)以(yǐ)受壓為主,通常可(kě)用抗壓能力強的(de)圬工材料(如(rú)石料、混凝土)和鋼筋混凝土等(děng)來建造。
拱橋不僅跨越能力很大,而(ér)且外形酷似彩虹臥波,十分美觀,在(zài)地質情(qíng)況許可的情況下,修建拱橋往往(wǎng)是經濟(jì)合理(lǐ)的,一般在跨徑500m以內均可作為比選方案。應當注意(yì),為了確保拱橋的(de)安全,下部結構和地基(特別是橋台)必須能(néng)經受住很大的水平(píng)推力作用。此外,與梁式橋不同,由於拱圈(或拱肋)在(zài)合龍(lóng)前自(zì)身不能維持平衡,因而(ér)拱橋在施工過程中的(de)難度和危險性要遠大於梁式橋。
(3)鋼架橋
剛架(jià)橋的主要承重結構是梁(或板(bǎn))與立柱(或豎牆)整體結合在一起的剛架結構,梁和柱的連接處具有很大的(de)剛性,以承擔負彎(wān)矩的作用。所示的門式剛架橋,在豎向荷(hé)載作用下,柱腳處具(jù)有水平反力,梁部主(zhǔ)要受彎,但彎矩值較同跨徑的簡支梁小,梁內還有軸壓力 Ⅳ,因而其受力狀態介於梁橋與拱橋之間。剛架橋的跨中建築高度可做得較小,但普通鋼筋混凝土修(xiū)建的剛架橋在梁柱(zhù)剛結處(chù)較易產生裂縫,需在該處多配鋼筋。另外,門(mén)式剛架(jià)橋在溫度變化(huà)時,內(nèi)部易(yì)產生(shēng)較大的附加內力,應引起重視。
所示的T形剛(gāng)構(gòu)橋(帶掛孔的或不帶掛孔的)是修建較大跨徑混凝土橋(qiáo)梁曾采用的橋型,屬(shǔ)靜定或低次超靜定結構。對於這種橋型,由(yóu)於T構(gòu)長懸臂處於一(yī)種不(bú)受約束的自由變形狀態,在車輛(liàng)荷載(zǎi)作用下,懸臂內的彎(wān)、扭應(yīng)力均較大,受力比較複雜,當配筋不當時易產生裂縫。另外,由於混凝土(tǔ)徐變,會使懸臂端產生一定的下撓,從而在懸臂端部和掛梁的結合(hé)處形成一個折角,不僅會損壞伸縮縫,而且車(chē)輛在此跳車,給懸臂以附加衝擊力,使行車不適,對橋梁受力也不利。目前這(zhè)種橋型已較(jiào)少采(cǎi)用。
連(lián)續剛構橋它是為(wéi)避免設置大型支座和結構體係轉換從連續梁橋而發展出來(lái)的一種橋型,屬於多(duō)次(cì)超靜定結構,在設計中一般應減(jiǎn)小墩柱頂端的(de)水平抗推剛(gāng)度,使得溫(wēn)度變化下在結構內(nèi)不致產生較大的附加內力。對於很長的橋,為了降低這種附加內力,往往在兩側的一個(gè)或數個邊跨上設置滑動支座,從而形成的剛構一連續組合體係橋型。
當跨(kuà)越陡峭(qiào)河岸和(hé)深穀時,修建斜腿剛架橋往往既經濟合理又造型輕巧美觀。由於斜腿墩柱置於岸坡上,有較大斜角,中跨梁(liáng)內的軸壓力也很大,因而斜腿剛架橋的跨越(yuè)能力比門式剛構橋要大得(dé)多,但斜腿的(de)施工難度較直(zhí)腿大些(xiē)。
(4)吊(diào)橋(懸索橋)
吊橋是用懸掛在兩邊(biān)塔架上的強大纜索作為主要承重結構。在(zài)橋麵係豎向荷載(zǎi)作用下,通過吊杆使纜索承受很大的拉力,纜索錨於吊橋兩端的錨(máo)碇結構中。為了承受巨大的纜索拉力,錨碇結構需做得(dé)很大(重力式錨碇),或者依靠天然完整的岩體來承受(shòu)水平拉力(隧道(dào)式錨碇)。纜索傳至錨(máo)碇的拉力可分(fèn)解為垂直(zhí)和(hé)水平兩個分力,因(yīn)而吊橋也是具有水平反(fǎn)力(拉力)的(de)結構。纜索一般由鋼(gāng)絲成股編製(zhì)形成鋼纜,以充分發揮其優良的抗拉性能。吊橋的(de)承載係統(tǒng)包括纜索、塔柱和錨碇三部分,因此結(jié)構自重較輕,與其他橋型相比,吊橋具有較大的跨越能力。吊橋的另(lìng)一特點是受力簡單明了,成(chéng)卷的鋼纜易於運輸,在將纜索(suǒ)架設完成後,便形成了一個(gè)強大穩定的(de)結構支承係統,施工過程中的風險相對較(jiào)小(xiǎo)。吊橋的(de)剛度(dù)較小,屬(shǔ)柔性結構,在車輛荷載作用下(xià),吊(diào)橋(qiáo)將產生較大的變形。例如跨度 1000m的吊橋,在車輛荷載作用下,1/4區域的最大(dà)撓(náo)度可達3m左右。另外,吊橋風致振動及穩定性在設計和施工中也需予以特別重(chóng)視。
(5)組合體係橋梁
由拉、壓、彎等幾個(gè)基本受(shòu)力體係的結構組合而成的(de)橋梁稱為組合體係橋梁。梁、拱組(zǔ)合體係(圖1-7)中有係杆拱、桁架拱(gǒng)等。它們利用梁的(de)受(shòu)彎與拱的承壓、吊杆或拉杆受拉的特點組成聯合結(jié)構。在預應力混凝土結構中,因梁體內(nèi)可(kě)以儲備巨大的壓力來承受(shòu)拱的水平推力,使這類結構既具有拱(gǒng)的特點,又(yòu)沒有水平推力,故對地基要求不高,但這種結構施工複雜。
斜拉橋是由承(chéng)壓的塔、受拉的索與承(chéng)彎(wān)壓的梁體組合起來的一種結構(gòu)體係。主要承重的主梁,由於斜拉索(suǒ)將主梁吊(diào)住,使主梁變成(chéng)類似於(yú)多點彈性支承的連續(xù)梁,由(yóu)此減小主梁截麵彎矩和(hé)梁高,增加橋跨跨徑(jìng)。斜(xié)拉橋的受力特點是:受拉的斜索將主梁多點吊起(qǐ),並將主(zhǔ)梁的永久荷載作用和車輛等其(qí)他荷載作用傳至塔柱,再(zài)通過(guò)塔柱基礎傳至地基。塔(tǎ)柱基本上以(yǐ)受壓為主。主梁同時(shí)受到斜拉索豎(shù)向和水平分力的作用,為偏心受壓構件。斜拉橋屬於高次超靜定結構,主梁(liáng)所受彎矩大小與斜拉索的初張力密切相關,存在著最(zuì)優索力分布,即使主梁在受力狀態下的(de)彎(wān)矩(jǔ)(或應力)最小。
主梁由於(yú)受到斜拉索的彈性支承,彎矩較(jiào)小(xiǎo),使得主梁尺寸大大減小,結構自重顯著減輕,從而大幅度地(dì)提高了斜拉橋的(de)跨越能力。此(cǐ)外,由於(yú)塔(tǎ)柱、拉索和主梁構成穩定的三角形,斜拉橋的結構剛度較大,斜拉(lā)橋(qiáo)的抗風能力較吊橋(懸索橋)要好得多。但是,當跨(kuà)度很大時,懸臂施工(gōng)的(de)斜(xié)拉橋因主梁懸臂長度過長,承受壓力過大,易產生失穩(wěn)破壞,因而風險較大。塔高也過(guò)高,外索過長,索垂度的影響使索的剛度大幅(fú)下降。
斜拉索的組成和布置、塔柱形式及主梁(liáng)的截麵形狀是多種(zhǒng)多樣的,主梁的截麵形狀與(yǔ)拉索的布置情況要相互配合。我國常用高強平行鋼絲或鋼絞線等製成斜拉索。斜拉索按(àn)施工工(gōng)藝有工廠預製(成品索)和現場(chǎng)防護兩種。我國20世(shì)紀80 年代末、90 年代初修建的斜拉橋中,斜拉索大(dà)多采用現(xiàn)場(chǎng)防護的方法。由於現場防護環境(jìng)不利,不確定因(yīn)素(sù)多,加上施工技術不夠成熟,拉索在使用7-8 年後,索內高強鋼材均出現了不同(tóng)程度的鏽蝕現(xiàn)象,影響(xiǎng)了(le)大橋的安全,近年來已(yǐ)有幾座斜拉橋(qiáo)對拉索進(jìn)行了更換。目前常用的平行鋼絲斜拉(lā)索完全在(zài)工廠內製成,在鋼絲束上包一(yī)層高密度( HD)的聚乙烯(PE)外套進行防護,還可用彩色高密度聚(jù)乙(yǐ)烯製成彩色索。
常用的斜拉橋是三跨雙塔(tǎ)式結構,但獨塔雙跨(kuà)形式也常見,具體形式及(jí)布置的選擇(zé)應根據河流、地形、通(tōng)航、美觀等要求加以論證確定。