桥梁工程经典讲义.ppt

第4讲 桥梁工程,桥梁的定义,供铁路、道路、渠道、管线、行人等跨越河流、山谷或其他交通线路时使用的工程构筑物，简称桥。桥梁是交通运输中重要的组成部分，在国民经济与社会发展中占有极其重要的地位。,桥梁发展简介,桥梁是线路的重要组成部分。在历史上，每当运输工具发生重大变化，对桥梁在载重、跨度等方面提出新的要求，便推动了桥梁工程技术大发展。我国在桥梁建造史上，具有重要的地位。公元前1184年，周文王时期，在渭河上架设浮桥，据诗经大雅大明记载，这是我国最早的大河桥梁。在19世纪20年代铁路出现以前，造桥所用的材料是以石材和木材为主的，铸铁和锻铁只是偶尔使用。,赵州桥（拱桥）,现今使用的各种主要桥式几乎都能在古代找到起源。在最基本的三种桥式中，梁式桥起源于模仿倒伏于溪沟上的树木而建成的独木桥，由此演变为木梁桥、石梁桥、直到19世纪的桁架梁桥；悬索桥起源于模仿天然生长的跨越深沟而可资攀援的藤条而建成的竹索桥，演变为铁索桥、柔式悬索桥，直至有加劲梁的悬索桥；拱桥起源于模仿石灰岩溶洞所形成的“天生桥”而建成的石拱桥道，演变为木拱桥和铸铁拱桥。,悬索桥,五亭桥,在有了铁路以后，木桥、石桥、铁桥和原来的桥梁基础施工技术就难于适应需要。但到19世纪末叶，由于结构力学基础知识的传播；钢材的大量供应、气压沉箱应用技术的成熟，使铁路桥梁工程获得迅速发展。20世纪初，北美洲曾在铁路钢桥跨度方面连创世界纪录。到第二次世界大战前，公路钢桥和钢筋混凝土桥的跨度纪录又都超过了铁路桥,澳门大桥,地坪花坛,60年代以来，汽车运输猛增，材料供应缓和，科学技术迅速发展，桥梁工程又在提高质量、降低造价、降低桥梁养护费等方面获得了很大改进。第二次世界大战后，大量被破坏的桥梁急待修复，新桥急需修建，而造桥的钢材短缺，于是，利用30年代以来所积累的关于高强材料和高效工艺（焊接、预应力张拉及锚固、高强度螺栓施工工艺）的经验，推广了几种新型桥用正交异性钢桥面板的箱形截面钢实腹梁桥，预应力混凝土桥和斜张桥。,贵阳.中曹司大桥,贵阳艺校立交桥,人行天桥,桥梁的组成,桥梁上部结构 承担线路荷载，跨越障碍。由桥面系、主要承重结构和支座组成。桥梁下部结构 是桥台、桥墩及桥梁基础的总称，用以支持桥梁上部结构并将荷载传给地基。桥台和桥墩一般合称墩台。,桥梁的组成,桥梁工程内容,桥渡设计：选择桥址，决定桥梁孔径，考虑通航和线路要求以确定桥面高程，考虑基底不受冲刷或冻胀以确定基础埋置深度，设计导流建筑物等。桥式方案设计：根据设计任务书编制各种可能采用的桥式方案，进行技术经济比较，提出推荐方案，供建设单位决策。桥梁结构设计：为选定的桥式进行结构分析，决定桥梁上部结构和下部结构的尺寸，绘制设计图。,桥梁施工：按现场和施工单位的具体条件，选择施工方法，进行施工组织设计，按设计建造桥梁。桥梁鉴定：确定既有桥梁所能安全承受的活荷载和抗洪能力。桥梁试验：测定实桥或模型在荷载下的应变、位移及振动等行为，与计算或预期效果进行对比，为桥梁设计及其科学技术的发展积累资料。桥梁养护：延长桥梁寿命，保证使用安全。,桥梁分类,按主要承重结构体系分 梁式桥、拱桥、悬索桥、刚架桥、斜张桥和组合体系桥。按桥梁上部结构的建筑材料分 木桥、石桥、混凝土桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥和结合梁桥。按用途分 公路桥、铁路桥、公铁两用桥、城市桥。按跨越障碍分 跨河桥、跨谷桥、跨线桥和高架线路桥等。按桥面位置分 上承式桥、中承式桥、下承式桥和双层桥。,按桥梁长度分,按使用期限分：有临时性桥、永久性桥和半永久性桥。其他特殊桥梁：有活动桥、军用桥与漫水桥等,上海南浦大桥,清镇花渔洞大桥,英国伦敦桥塔,木 桥,公元前2000多年前，巴比伦曾在幼发拉底河上建石墩木梁桥，其木梁可以在夜间拆除，以防敌人偷袭。在罗马，凯萨曾因行军需要，于公元前55年在莱茵河上修建一座长达300多米的木排架桥。在瑞士卢塞恩至今保存着两座中世纪式样的木桥：一是1333年前始建的教堂桥，一是1408年试建的托滕坦茨桥，这两座桥都有桥屋，顶棚有绘画。在1756-1766年，瑞士建成跨度为52-73米的三座大木桥，两座是亦拱亦桁，另一座用木拱承重，位于韦廷根，跨度61米。在亚洲，木拱桥出现更早，日本岩国市至今保存的5孔锦带木拱桥，跨度为27.5米，始建于1673年，其图样来自中国。18世纪末49世纪的三四十年间，美国盛行建有屋盖的大木桥，1815年在宾夕法尼亚州建成的跨越萨斯奎汉纳河的麦考尔渡口桥，跨度达到100米，堪称空前。,目前常用的有木梁桥、木撑架桥和木桁架桥。1.木梁桥。跨度一般不超过6-8米，木梁可用两面削平的原木或方木组成，可作成单梁、叠置梁或组合梁（以键传递上、下层梁木之间的剪力）。其墩台多以木排架组成，故又称木排架桥。或木栈桥2.木撑架桥。由木梁桥演变而成，从墩台伸出斜撑支承木梁，以增大跨度或载重能力。3.木桁架桥。常用交叉腹杆式桁架，即豪氏桁架做主梁，其弦杆和斜杆用木制，竖向腹杆用圆钢。可用于跨度不大于40米的公路桥。,上三坑古木拱桥,查林木桥,石 桥,用石料建造的桥梁。有石梁桥和石拱桥，历史都很悠久。中国历史上著名的石梁桥有洛阳桥和虎渡桥。（左图所示的八字桥就是石梁桥）由于石梁抗弯能力较差，现己只能在人行桥或涵洞中使用。石拱桥不仅在历史上有过辉煌成就，而且在现代铁路和公路桥上也发挥一定作用。石拱桥可分为实腹式拱桥和空腹式拱桥两类,绍兴八字桥,北京卢沟桥,广西香桥,梁式桥,在竖向移动式荷载作用下无水平反力的结构体系，和建筑工程中的梁相似。,梁式桥,梁式桥一般采用以下的结构型式和截面。,1988年建成的飞云江桥，位于浙江瑞安。全长1718m（1851m562m1435m），最大跨度62m，主梁高2.85m，桥面宽13m，混凝土强度等级C60。我国目前最大跨度预应力混凝土简支梁桥。,1989年建成的黄河公路大桥，位于河南开封。全长4475.09m，共108孔，其中77孔采用跨径50m的预应力简支T形梁，其余31孔为跨径20m的钢筋混凝土T形梁。我国目前最长的简支梁桥。,六库怒江桥，位于云南六库。采用3跨变截面箱形梁，分跨为8515485m，支点处梁高8.5m，为跨度的1/18，跨中梁高2.8m，为跨度的1/55。桥的造型既强劲有力又纤细美观。我国目前最大跨度预应力混凝土连续梁桥。,澳大利亚珀思（Perth）斯旺（Swan）桥。连续的上部主梁由薄壁刚架墩支承，突出了上部结构的强大，箱梁高度规律性的变化形成一种起伏前进的视觉效果。桥梁总体给人静中有动的美感。,瑞士苏黎士杰尼瓦的勃郎峰桥。变截面连续梁桥，梁底边缘的圆形弯曲，远望象一个坦拱，具有拱桥动态柔和的美感。,拱 桥,主要承重结构是拱圈，它在桥面竖向移动荷载作用下桥墩或桥台要承受水平推力，同时，这种推力将显著抵消在拱圈中引起的弯矩，使拱圈承受的主要是压力。,拱桥有3种承载方式：中承式拱桥，车辆在拱的中部行驶；下承式拱桥，车辆在拱的下部行驶；上承式拱桥，车辆在拱的上部行驶；,赵州桥，位于河北赵县。隋朝大业初年（公元605年左右），由李春所建。石拱桥，净跨径37.02m，宽9.0m，矢高7.23m。在拱圈两肩上各设2个跨度不等的腹拱，既能减轻桥身自重，节省材料，又便于排洪，增加美观。比欧洲同类桥梁早1200年。,乌巢大桥，1990年建成，位于河南凤凰县。全长214m、主跨120m的双肋石拱桥。主拱圈由2条分离式矩形石肋和8条钢筋混凝土横系梁组成，拱肋等高变宽，结构轻盈，造型美观。世界最大跨径的石拱桥。,万县长江大桥，1997年建成，位于重庆万县。主桥采用钢筋混凝土箱形拱肋，净跨420m，单孔跨江，无深水基础，在同类桥梁中跨度具世界第一。,美国新乔治河大峡谷桥，1976年建成，位于美国弗吉尼亚州。世界上最大跨径的钢桁架拱桥，该桥跨径518m，桥宽22m，桥面在河上高度为268m。结构轻巧优雅，完全没有拱桥沉重笨拙的感觉，风荷载小，是拱桥向大跨发展的方向。,南斯拉夫的克尔克桥，1980年建成。跨径为244m和390m的钢筋混凝土箱形拱桥，桥高跨大，造型优美。,主跨550米的“世界第一拱”上海卢浦大桥,“钱江四桥”位于钱塘江大桥下游4.3公里处，桥体全长1376米，宽26.4米，总投资7.6亿元。大桥上层设双向6条机动车快速行车道，下层设地铁、公交车专用道及行人、非机动车通道。钱江四桥在世界桥梁史上的创新意义，主要在于采用组合跨径的双层桥面钢管混凝土系杆拱拱桥，新颖，独特的双层钢拱桥国内外独一无二。十一拱连跨，两个大拱，九个小拱，主跨（大拱）190米，副跨（小拱）85米,林同炎先生设计的最后一座桥南宁大桥。为非对称肋拱桥路线全长1240m，其中主桥长300m，引桥长375m，宽35m，引道长565m,刚架桥,是梁和柱（或竖墙）整体结合的桥梁结构。在桥面竖向移动荷载作用下，梁部主要受弯，柱脚处有水平推力，受力状态介于梁式桥和拱桥之间。,刚架桥,刚架桥一般可分为3种类型：T形刚架桥、连续刚架桥、斜腿刚架桥。,虎门珠江辅航道桥，1997年建成，位于广东虎门。跨径570m（150m+270m+150m），主跨270m，桥宽33m，分上下行两座单桥，为目前世界上最大跨径的连续刚架桥。,重庆长江大桥,重庆长江大桥，1980年建成，位于重庆市。正桥全长1120m，桥宽21.0m，最大跨度174m，悬臂梁端高3.2m，根部高11.0m，挂梁跨度35m，桥墩为高70m的矩形空心高墩。是目前我国最大跨径的预应力混凝土T形刚架桥。,广西桂林漓江桥，为预应力混凝土V形墩刚架桥。主跨和分孔为67.5+95+67.5m，主孔悬臂长27.5m，挂梁长40m，斜腿倾角45度，长12m。,芬兰图尔库的米勒桥。其跨径71.20m，跨中梁高仅为0.86m，斜腿处梁高也只有2.70m，高跨比达到1/831/25。如此纤薄的主梁由跨越岸边人行通道的短孔来固结和平衡。,沅陵沅水桥位于湖南沅陵县，全长767.3m，桥宽16m，主孔跨径140m，采用851408542m的四跨不对称预应力混凝土连续刚架，最高桥墩达52.4m。,斜拉桥,由主梁、塔柱和斜索三种基本构件组成。用高强钢材制成的斜索将主梁多点吊起，将主梁承受的恒载和车辆荷载传至塔柱，再由塔柱基础传给地基。斜拉桥的索型有辐射型、竖琴型和扇形三种。,上海南浦大桥位于上海市南码头，跨越黄浦江连接浦西与浦东，1991年建成。全长8346m，主桥跨径为171423171m，为双塔双索面钢与混凝土结合梁斜拉桥，扇形拉索，主塔高150m，H折线形塔身。,上海杨浦大桥也是叠合梁斜拉桥，跨径602m，双塔双索面，主塔高208m，采用钻石型塔形（倒Y形），以提高抗风能力。,西班牙塞维利亚市建设的单侧索斜拉桥，以1993年世界展览会的会标造型设计,该桥的奇特造型及特殊的标志意义给人以优美的印象。但违背了斜拉桥结构受力的基本平衡原理，平衡拉索依靠塔身后倾产生的偏心自重及塔下巨大基础。整座桥的造价极为昂贵。,美国华盛顿州肯尼威克（PascoKennewick）桥。主跨300m，梁高仅2.10m，扇形索面。,重庆石门大桥，1988年建成，位于重庆市沙坪坝，跨越嘉陵江。全长716m，主桥跨径为200230m，桥面宽25.5m，墩高50m。塔柱在桥面以上高113m，采用单索面独塔竖琴式布置。,南京长江三桥为斜拉桥，其主跨为648m,主桥全长1288m，采用半漂浮结构体系，纵向设弹性约束，限制活载及风载作用下的钢箱梁纵向漂移。钢塔柱为“人”字形塔，高215m，塔柱外侧圆曲线部分半径720m，设四道横梁，其中下塔及下横梁为钢筋混凝土结构，其它部分为钢结构。,227m的查尔斯干线桥是世界最宽的斜拉桥,2002年建成,桥宽56.10.,济南黄河公路全长2033.44m，其中主桥长488m，为孔40942209420()连续的预应力混凝土双塔斜拉桥。主跨220米。引桥长1535.44，采用孔30跨度的先张法预应力组合槽形梁。桥塔为型门式立体结构，塔高8.4，塔梁分离，塔墩固结。索面采用扇形布置，索距8，每塔共11对索。每根拉索由24束组成，每束用7121根直径mm镀锌钢丝组成，用铅制套管压水泥浆进行防护。拉索锚头采用冷铸墩头锚。于1982年建成。,总长8206米，其中主桥采用100+100+300+1088+300+100+100=2088米的七跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，为世界第一大跨径斜拉桥；专用航道桥采用140+268+140=548米的钢连续梁桥，为同类桥梁工程世界第二；南北引桥采用30、50、75米预应力混凝土连续梁桥。,苏通长江大桥,悬索桥,由两个主塔将作为主要承重构件的主缆索架起，再通过固定在主缆索上的吊杆将作为桥面承重构件的主梁悬吊住。作用在桥面上的荷载可通过主梁和吊杆加载于主塔，传给地基。,明石海峡大桥，日本神户市与淡路岛之间跨越明石海峡的一座特大跨径的悬索桥。大桥主桥全长3910m，主跨1990m。1988年开工，1998年5月竣工通车，是20世纪世界最大跨径桥梁。,虎门大桥位于广州东南约42km的珠江出海口附近，1997年建成。全长3618m，主跨径888m，桥面宽31m。索塔为门式框架结构，塔高147.55m。,美国纽约的布鲁克林大桥，1883年建成，采用花岗岩方块石砌筑的塔柱。,英国1981年建成的恒伯尔桥，跨径达1410m，创当时的世界记录。塔高152m，梁高仅为3m，为跨径的1/470。,丹麦在大带海峡修建的大带东桥，1997年建成。三跨悬索桥，主跨长1624m，混凝土桥塔高254m，创塔高世界记录，塔柱截面呈锥形变化。,美国旧金山金门大桥，1935年建成。主跨长1280m，边孔344m，塔高228m，桥面宽25.2m，在相当长的时间内居世界第一。,桥全长2160m，主跨1377m（列世界第5位），主梁截面为流线型闭合钢箱，双层桥面。桥塔为混凝土框架式结构，平均海平面以上塔高205m，采用预制钢筋混凝土沉箱基础。桥下通航高度62m。大缆采用平行钢丝索，直径约1.1m；每索291束，每束有127根直径为5.38mm的高强钢丝组成。,香港青马大桥 连接香港新机场与市区的特大跨公铁两用悬索桥，1997年建成。按英国桥梁规范BS5400设计。,高架桥,城市高架线路桥的设计要求，除和一般桥梁相同外，尚须注意选择最小的建筑高度，以减少桥长和引道的长度。其轮廓，尤其是墩台要设计得轻巧并和周围环境相协调。墩台位置和基础型式须配合城币地下管线的布置，尽可能地减少拆迁工作量。桥上的安全设施应认真对待，桥面铺装层须设计得在任何季节都应和车轮具有较好的摩阻力，车行道两侧要设置可靠的防护装置，以防车辆越界撞击造成事故。桥上照明须不妨碍邻近居民，噪声和污染程度应降至最小。桥上排水须引至城市下水道中，不能任其自然溅落汇集。,组合体系桥梁,组合体系桥主要承重结构采用两种独立结构体系组合而成的桥梁。如拱和梁的组合、梁和桁架的组合、悬索和梁的组合等。组合体系可以是静定结构，也可以是超静定结构；可以是无推力结构，也可以是有推力结构。结构构件可以用同一种材料，也可以用不同的材料制拱、梁组合体系桥单跨无推力结构，如系杆拱（即刚拱和柔性拉杆组合）、刚梁柔拱、刚梁刚拱等三种形式均为简单的拱、梁组合体系桥。较复杂的拱、梁组合体系桥，为多跨布置的无推力或有推力的结构体系,钢拱、梁组合体系桥 拱、梁组合体系以钢结构较多，早期采用系杆拱的形式，如1950年修建的联邦德国杜伊斯堡-莱茵蒙霖桥，为铆接结构，跨度255.1米，至今保持世界纪录。此种形式因柔性拉杆和桥道梁（纵横梁）分设，桥道梁不承受拱的推力，经济效果并不显著。在栓焊箱形结构和正交异性板桥面在近代梁式结构中广泛应用以来，在构造上使桥道梁和拉杆合为一体的刚梁柔拱体系得到了新的发展，在欧洲和日本较多采用。如1963年建成的联邦德国费马恩海峡桥，主跨长248米，为公铁两用桥，两片箱形拱肋相向倾斜设置，并在拱肋顶部趋近，以节省风撑材料，使结构更加简洁、轻巧、美观,联邦德国费马恩海峡桥,台湾关渡桥,钢筋（或预应力）混凝土拱、梁组合体系桥 早在20世纪20年代，瑞士.马亚尔曾设计和建造了上承式刚梁柔拱体系的钢筋混凝土桥，即将柔拱置于梁下，为有推力结构。苏联在1937年曾修建跨度为101米的无推力拱、梁组合体系桥两孔（见桥梁工程发展史）。但终因这种桥自重较大，跨越能力有限，未曾得到推广。,兰州新城黄河桥,梁、桁架组合体系桥 在早年修建的上承式钢桁架桥中，其桥面荷载直接作用在上弦杆上，使上弦杆如同一个桁架节间长的实腹梁，此即梁和桁架组台的雏型。苏联在1948年曾建成一座跨度66米的下承式梁和桁架组合体系的铁路桥，为全焊结构。后又照此桥型试编了标准设计，跨度为44米、55米、66米、88米和110米等5种。素、梁组合体系桥 有加劲梁的悬索桥，有斜拉索的斜张桥，都属于此类组合体系。,桥梁建造过程,石拱桥建造过程,首先，修建支撑桥梁的桥墩,其次，在两个桥墩之间修建木制拱架,在拱架上铺放石头,石拱桥建造过程,桥拱建成后，就将拱架移走,最后，在桥拱上铺设路面,拱桥建造过程,首先，兴建峡谷两边的桥台和它上面的桥墩,其次，将模具悬挂在桥墩上，用现场制作的方法兴建桥拱,拱桥建造过程,桥拱的中间部分在地面预制，然后用滑轮将它吊起安放在预定位置,混凝土路面板、边梁和更多的桥墩兴建后，便完成整座桥的兴建,悬臂桥建造过程,首先，兴建桥的地基、桥墩和桥台,其次，从桥墩的两侧同时兴建悬臂梁,用钢条将已建造的部分连在一起,悬臂桥建造过程,当悬臂梁的一侧延伸到桥台后，就开始在第二个桥墩上兴建新的悬臂,最后，将楔安放在中间，以完成整座桥的兴建,横梁桥建造过程,建桥开始前，专家必须考察建桥地点的地质情况。他们用钻机钻洞，抽取地质样本化验,在岩床上建造不透水的围堰，以便将水隔开，建造桥桩基础,在工厂里建造巨大的钢筋混凝土预制梁，然后运到现场,横梁桥建造过程,在两边的河床上建造用于支撑混凝土预制梁的巨大而坚固的桥台,用河岸上的巨大的起重机将边上混凝土预制梁放入位置。慢慢地，桥梁形成了,在深埋在岩床中的桥梁基础上面建造混凝土桥墩,横梁桥建造过程,一旦边梁放入位置，就在他们上面加上桥面，桥面是就地用混凝土制造的,当桥面铺上后，就用起重机将驳船上的中心梁放入位置,桥面铺完了，安全护栏、路灯、信号和其他设施也安装上了，桥梁最终可以使用了,斜拉桥建造过程,在已经沉在岩床上的沉箱中建造基础，在基础上建造桥墩,在工厂里预制桥面的混凝土部分，从空气动力学角度来说，它们可以阻止桥梁晃动,桥面的第一部分在桥墩上建造，它们将为桥塔提供一个基础,斜拉桥建造过程,在桥墩上一部分、一部分地建造桥塔，它们把桥的重量扩散大地上,用起重机将驳船运来的桥面分别置放在塔的两边,桥面的每个部分都连到塔上的一根钢索上,斜拉桥建造过程,这样一片片地把桥面加到各个塔上，直到道路接近完成,桥面上要用专用的铺路机铺上沥青以应付繁重交通,当桥梁结构完工后，安装路灯和其他设施。,吊桥建造过程,首先，兴建吊桥的地基、桥墩和锚状物，这些为吊桥提供了一个稳固的基础,其次，在桥墩上兴建桥塔，他们是由钢板或混凝土制作的，用以支撑巨大的缆索,悬索桥建造过程,安装两根粗缆索，他们穿过桥塔，并和深埋在河岸上的锚固物相连,铺设路面板工作可以从桥塔开始，向两侧外移，也可以在桥头或桥中向桥塔移动,路面板铺设后，就开始铺设车道,