對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)和美學(xué)分析

郭 繼 祥

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710021)

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)和美學(xué)分析

郭 繼 祥

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710021)

介紹了橋梁基礎(chǔ)的選用原則及橋墩橋臺(tái)的設(shè)計(jì)方式，著重對(duì)梁式橋、拱式橋、鋼架橋、斜拉橋、懸索橋、綜合體系橋六種橋跨的結(jié)構(gòu)形式作了闡述，促使橋梁類型的選用和規(guī)劃做到全方位考慮。

橋梁，基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)

0 引言

橋梁工程是土木工程中一門重要的學(xué)科，它的迅速發(fā)展為我國(guó)的交通事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。現(xiàn)如今的橋梁不僅可以跨過(guò)大河、海洋，解決自然溝壑對(duì)人類出行帶來(lái)的不便；也可以使道路在空間上進(jìn)行分層，解決了城市用地緊張和交通流量大的問(wèn)題。根據(jù)橋梁的組成部分可籠統(tǒng)的把橋梁分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，根據(jù)各結(jié)構(gòu)的構(gòu)造類型和施工方法的不同，對(duì)橋體結(jié)構(gòu)有一個(gè)分類的解析。

1 橋梁基礎(chǔ)

排除一些小型簡(jiǎn)易的橋梁不談，橋梁基礎(chǔ)由于地基的軟弱、上部荷載作用力大的特點(diǎn)，使其所選用的基礎(chǔ)形式并不多。在一些中小型橋梁上，有時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)采用剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)屬于淺基礎(chǔ)的范疇，其施工工藝簡(jiǎn)單，工程造價(jià)也相對(duì)較低。工程中最常見(jiàn)的橋梁基礎(chǔ)——樁基礎(chǔ)，屬于深基礎(chǔ)的一種，由于它可以適應(yīng)各種不同類型的地基，在荷載作用下沉降較小，并且在施工技術(shù)和造價(jià)方面有一定的優(yōu)勢(shì)，在市政工程的高架橋上、高速公路的架橋和跨越河流的大橋上都有很廣泛的使用[1]。在一些特大橋梁或者地基軟弱層太厚橋梁的建設(shè)上也會(huì)采取沉井基礎(chǔ)和氣壓沉箱基礎(chǔ)，1968年在南京長(zhǎng)江大橋的建設(shè)中，工程師們發(fā)現(xiàn)，江水深度在40 m左右時(shí)，江底的淤泥厚度已經(jīng)超過(guò)了40 m，因此在一部分基礎(chǔ)的選取上采用了沉井基礎(chǔ)，這種沉井基礎(chǔ)做的很大，相當(dāng)于一棟占地面積為一個(gè)籃球場(chǎng)大的14層樓房。氣壓沉箱基礎(chǔ)由于具有在水下可以方便施工的優(yōu)勢(shì)，被世界上第一大懸索橋——日本名石海峽大橋在技術(shù)設(shè)計(jì)上所采用。

這幾種基礎(chǔ)的使用，都是建立在使實(shí)際施工更為簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上的，沒(méi)有最好的基礎(chǔ)形式，只有更適合實(shí)際的基礎(chǔ)形式。

2 橋墩與橋臺(tái)

橋臺(tái)和橋墩是整個(gè)橋梁的支撐結(jié)構(gòu)，兩者之間的區(qū)別在于：一個(gè)是在橋的端部，連接兩岸的路堤；一個(gè)是位于橋梁之間只進(jìn)行上部荷載的傳遞。橋臺(tái)、橋墩和基礎(chǔ)在一起稱為橋的下部結(jié)構(gòu)。

橋臺(tái)不僅要承受橋面上傳遞來(lái)的荷載，還要保證和它相連的路堤的穩(wěn)定性，因此在設(shè)計(jì)施工時(shí)要進(jìn)行多方面的考慮。橋臺(tái)的高度往往不能太高，保持在20 m以下，橋臺(tái)根據(jù)形式的不同可分為實(shí)體式和埋置式。實(shí)體式橋臺(tái)多建造成U形，這種橋臺(tái)構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，但自重過(guò)大，對(duì)地基有一定的影響，多用于埋土高度不大，橋跨稍大的橋梁。埋置式橋臺(tái)由于埋于臺(tái)前錐形溜坡內(nèi)，只留臺(tái)帽露出地面，因此增大了其抗拔性能，在橋臺(tái)的建造時(shí)可以減小一定的體積[2]。埋置式橋臺(tái)由于受到的是臺(tái)后的主動(dòng)土壓力，所用的圬工量就會(huì)減少，但它的弊端在于溜坡的設(shè)置，溜坡會(huì)侵占一部分的河道，阻擋水的流動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題往往會(huì)增加橋的長(zhǎng)度，從而增加了工程的投入。埋置式橋臺(tái)的溜坡會(huì)受到水流的沖刷，導(dǎo)致橋臺(tái)的裸露，因此適用于橋頭為淺灘的河床。當(dāng)?shù)鼗闆r較好時(shí)，可將橋臺(tái)設(shè)置為空心拱形，減少圬工和自重。

3 橋跨的結(jié)構(gòu)形式

橋跨結(jié)構(gòu)被稱為是橋梁的上部結(jié)構(gòu)，根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)形式的不同有幾種常見(jiàn)的分類。

3.1 梁式橋

最常見(jiàn)的橋梁形式是梁式橋，它根據(jù)梁的連續(xù)形式可分為簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁和懸臂梁橋，而簡(jiǎn)支梁橋應(yīng)用的最為普遍。梁式橋的傳力形式是垂直傳力，在跨度上也比較小，普通混凝土簡(jiǎn)支梁橋的跨度在25 m之內(nèi)，預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋跨度一般也不會(huì)大于50 m。我國(guó)最大跨度的簡(jiǎn)支梁橋是1988年建成的飛云江橋，最大跨度已經(jīng)達(dá)到62 m。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在跨度上有較大的突破，我國(guó)最大跨度的連續(xù)梁橋是1991年建成的六庫(kù)怒江橋，最大橋跨為154 m。

3.2 拱式橋

拱式橋的發(fā)展歷史悠久，距今已有兩千年。拱橋主要依靠拱圈或者拱梁把上部的垂直力變?yōu)樽饔迷跇蚨张_(tái)上的水平推力，因此在橋墩臺(tái)的建造時(shí)對(duì)基礎(chǔ)的水平承載力要求較高。由于在拱圈內(nèi)的彎矩較小，在跨徑上就有了一定的優(yōu)勢(shì)，跨徑大的拱橋，在外形上美學(xué)意義也更加突出。拱橋在修建時(shí)的施工難度相對(duì)較大，但是比較經(jīng)濟(jì)，在條件許可的情況下，往往就會(huì)選用拱橋[3]。

拱橋根據(jù)拱圈位置的不同可分為三類：1)上承式拱橋是指拱圈在橋面的下方，行車和行人在拱的上面；2)中承式拱橋的拱被橋面分為上下兩部分，橋面上的拱運(yùn)用吊桿提拉橋面；3)下承式拱橋的拱全部設(shè)置在橋面上部，通過(guò)吊桿和泵桿與橋面進(jìn)行連接。我國(guó)的拱橋技術(shù)無(wú)論在古代還是現(xiàn)代都是世界領(lǐng)先，古有趙州橋世界聞名，現(xiàn)有萬(wàn)縣長(zhǎng)江橋跨度為世界之最。

3.3 鋼架橋

鋼架橋和梁式橋相似，只不過(guò)鋼架橋的梁和橋墩是連接在一起的一個(gè)整體，它同時(shí)受到豎向荷載和水平推力的作用。鋼架橋也有三種分類，根據(jù)形式不同各有優(yōu)點(diǎn)：T形鋼架橋便于預(yù)應(yīng)力的施加；連續(xù)鋼架橋的整體性好，抗震性能高；斜腿鋼架橋形式美觀，經(jīng)濟(jì)合理。鋼架橋的跨中彎矩較小，可以據(jù)此降低鋼架橋的建筑高度，為橋的縱坡設(shè)計(jì)、行船帶來(lái)方便。這種橋基本都采用預(yù)應(yīng)力混凝土，我國(guó)的黃石長(zhǎng)江大橋、貴州六廣大橋都是跨度超過(guò)240 m的鋼架橋。

3.4 斜拉橋

斜拉橋由于在斜向拉力的計(jì)算上難度較大，因此出現(xiàn)的較晚。斜拉橋通過(guò)塔柱和斜索將主梁進(jìn)行固定，橋面所受的所有荷載通過(guò)斜索的拉力傳遞給橋塔，因此斜索的抗拉性能要大，橋塔的受拉穩(wěn)定性要高。斜索的布局有輻射式、豎琴式、扇形三種，橋塔的建設(shè)也有單塔、雙塔和多塔的形式[4]。斜拉橋的自重輕，跨越能力很大，跨度在200 m～1 100 m之間。

3.5 懸索橋

懸索橋是所有橋梁中跨度最大的橋梁之一。在懸索橋中最主要的結(jié)構(gòu)就是纜索，它通過(guò)吊桿連接橋面，承受橋面的豎向荷載，再通過(guò)橋塔把所承受的拉力傳給河岸的錨定結(jié)構(gòu)。纜索往往采用高強(qiáng)度的鋼纜繩，錨定結(jié)構(gòu)會(huì)做成埋深特別大的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。如今世界上跨度最大的橋梁就是日本的明石海峽懸索橋，最大橋跨為1 991 m。

3.6 綜合體系橋

橋梁的各種形式可以進(jìn)行疊加構(gòu)成綜合體橋梁，這種橋梁把兩種或者幾種橋形式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，使橋梁的受力更加合理，外形也更為美觀。在工程實(shí)踐中，梁與拱的結(jié)合，鋼桁架與鋼拱的結(jié)合，斜拉與懸索的結(jié)合都得到了完美的效果。在將來(lái)的橋梁建設(shè)中，綜合體系的橋梁將會(huì)有很廣泛的使用[5]。

4 橋梁的總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)

橋梁在修建時(shí)要進(jìn)行橋位、橋型、縱橫斷面和橋跨分孔的規(guī)劃。在保證橋梁安全穩(wěn)定性的同時(shí)，做出最合理的經(jīng)濟(jì)規(guī)劃；在保證使用暢通的前提下，要盡量做到美觀與環(huán)保。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)橋梁的追求不只是停留在安全方便上，對(duì)美的要求也在不斷增加。橋梁設(shè)計(jì)難度的增加不僅要工程師們有一個(gè)專業(yè)知識(shí)過(guò)硬的大腦，還要求工程師們有一顆設(shè)計(jì)美、創(chuàng)造美的心。

[1] 黃曉明,王 捷.大跨鋼橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力分析[J].土木工程學(xué)報(bào),1999,32(1):37-42.

[2] 易建國(guó).混凝土簡(jiǎn)支梁(板)橋[M].北京：人民交通出版社,2001.

[3] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,1990.

[4] 張 暉.公路與橋梁工程病害防治及檢測(cè)修復(fù)實(shí)用技術(shù)大全[M].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春出版社,1999.

[5] 謝開(kāi)仲,曾倬信,王曉燕.橋梁工程檢測(cè)技術(shù)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(z1):208-211.

Analyzing the mechanics and aesthetics of the structure of the bridge

Guo Jixiang

(TheFourthEngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway12thBureauGroup,Xi’an710021,China)

The thesis introduces bridge foundation selecting principles and bridge pier design methods, and mainly describes six kinds of bridge span structure forms including beam-style bridge, arch-style bridge, steel bridge, cable-stayed bridge, suspension bridge and comprehensive bridge, so as to achieve comprehensive consideration for bridge style selection and planning.

bridge, foundation, structural form, design

2015-04-28

郭繼祥(1984- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0161-02

U441

A