對橋梁結構的力學和美學分析

郭 繼 祥

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710021)

對橋梁結構的力學和美學分析

郭 繼 祥

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710021)

介紹了橋梁基礎的選用原則及橋墩橋臺的設計方式，著重對梁式橋、拱式橋、鋼架橋、斜拉橋、懸索橋、綜合體系橋六種橋跨的結構形式作了闡述，促使橋梁類型的選用和規劃做到全方位考慮。

橋梁，基礎，結構形式，設計

0 引言

橋梁工程是土木工程中一門重要的學科，它的迅速發展為我國的交通事業做出了巨大的貢獻。現如今的橋梁不僅可以跨過大河、海洋，解決自然溝壑對人類出行帶來的不便；也可以使道路在空間上進行分層，解決了城市用地緊張和交通流量大的問題。根據橋梁的組成部分可籠統的把橋梁分為上部結構和下部結構，根據各結構的構造類型和施工方法的不同，對橋體結構有一個分類的解析。

1 橋梁基礎

排除一些小型簡易的橋梁不談，橋梁基礎由于地基的軟弱、上部荷載作用力大的特點，使其所選用的基礎形式并不多。在一些中小型橋梁上，有時可根據設計采用剛性擴大基礎，這種基礎屬于淺基礎的范疇，其施工工藝簡單，工程造價也相對較低。工程中最常見的橋梁基礎——樁基礎，屬于深基礎的一種，由于它可以適應各種不同類型的地基，在荷載作用下沉降較小，并且在施工技術和造價方面有一定的優勢，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上也會采取沉井基礎和氣壓沉箱基礎，1968年在南京長江大橋的建設中，工程師們發現，江水深度在40 m左右時，江底的淤泥厚度已經超過了40 m，因此在一部分基礎的選取上采用了沉井基礎，這種沉井基礎做的很大，相當于一棟占地面積為一個籃球場大的14層樓房。氣壓沉箱基礎由于具有在水下可以方便施工的優勢，被世界上第一大懸索橋——日本名石海峽大橋在技術設計上所采用。

這幾種基礎的使用，都是建立在使實際施工更為簡單的基礎上的，沒有最好的基礎形式，只有更適合實際的基礎形式。

2 橋墩與橋臺

橋臺和橋墩是整個橋梁的支撐結構，兩者之間的區別在于：一個是在橋的端部，連接兩岸的路堤；一個是位于橋梁之間只進行上部荷載的傳遞。橋臺、橋墩和基礎在一起稱為橋的下部結構。

橋臺不僅要承受橋面上傳遞來的荷載，還要保證和它相連的路堤的穩定性，因此在設計施工時要進行多方面的考慮。橋臺的高度往往不能太高，保持在20 m以下，橋臺根據形式的不同可分為實體式和埋置式。實體式橋臺多建造成U形，這種橋臺構造簡單，施工方便，但自重過大，對地基有一定的影響，多用于埋土高度不大，橋跨稍大的橋梁。埋置式橋臺由于埋于臺前錐形溜坡內，只留臺帽露出地面，因此增大了其抗拔性能，在橋臺的建造時可以減小一定的體積[2]。埋置式橋臺由于受到的是臺后的主動土壓力，所用的圬工量就會減少，但它的弊端在于溜坡的設置，溜坡會侵占一部分的河道，阻擋水的流動，為了解決這個問題往往會增加橋的長度，從而增加了工程的投入。埋置式橋臺的溜坡會受到水流的沖刷，導致橋臺的裸露，因此適用于橋頭為淺灘的河床。當地基情況較好時，可將橋臺設置為空心拱形，減少圬工和自重。

3 橋跨的結構形式

橋跨結構被稱為是橋梁的上部結構，根據橋跨結構形式的不同有幾種常見的分類。

3.1 梁式橋

最常見的橋梁形式是梁式橋，它根據梁的連續形式可分為簡支梁、連續梁和懸臂梁橋，而簡支梁橋應用的最為普遍。梁式橋的傳力形式是垂直傳力，在跨度上也比較小，普通混凝土簡支梁橋的跨度在25 m之內，預應力混凝土梁式橋跨度一般也不會大于50 m。我國最大跨度的簡支梁橋是1988年建成的飛云江橋，最大跨度已經達到62 m。預應力混凝土連續梁橋在跨度上有較大的突破，我國最大跨度的連續梁橋是1991年建成的六庫怒江橋，最大橋跨為154 m。

3.2 拱式橋

拱式橋的發展歷史悠久，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為作用在橋墩臺上的水平推力，因此在橋墩臺的建造時對基礎的水平承載力要求較高。由于在拱圈內的彎矩較小，在跨徑上就有了一定的優勢，跨徑大的拱橋，在外形上美學意義也更加突出。拱橋在修建時的施工難度相對較大，但是比較經濟，在條件許可的情況下，往往就會選用拱橋[3]。

拱橋根據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，橋面上的拱運用吊桿提拉橋面；3)下承式拱橋的拱全部設置在橋面上部，通過吊桿和泵桿與橋面進行連接。我國的拱橋技術無論在古代還是現代都是世界領先，古有趙州橋世界聞名，現有萬縣長江橋跨度為世界之最。

3.3 鋼架橋

鋼架橋和梁式橋相似，只不過鋼架橋的梁和橋墩是連接在一起的一個整體，它同時受到豎向荷載和水平推力的作用。鋼架橋也有三種分類，根據形式不同各有優點：T形鋼架橋便于預應力的施加；連續鋼架橋的整體性好，抗震性能高；斜腿鋼架橋形式美觀，經濟合理。鋼架橋的跨中彎矩較小，可以據此降低鋼架橋的建筑高度，為橋的縱坡設計、行船帶來方便。這種橋基本都采用預應力混凝土，我國的黃石長江大橋、貴州六廣大橋都是跨度超過240 m的鋼架橋。

3.4 斜拉橋

斜拉橋由于在斜向拉力的計算上難度較大，因此出現的較晚。斜拉橋通過塔柱和斜索將主梁進行固定，橋面所受的所有荷載通過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構就是纜索，它通過吊桿連接橋面，承受橋面的豎向荷載，再通過橋塔把所承受的拉力傳給河岸的錨定結構。纜索往往采用高強度的鋼纜繩，錨定結構會做成埋深特別大的大體積混凝土結構。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行疊加構成綜合體橋梁，這種橋梁把兩種或者幾種橋形式的優點結合起來，使橋梁的受力更加合理，外形也更為美觀。在工程實踐中，梁與拱的結合，鋼桁架與鋼拱的結合，斜拉與懸索的結合都得到了完美的效果。在將來的橋梁建設中，綜合體系的橋梁將會有很廣泛的使用[5]。

4 橋梁的總體規劃與設計

橋梁在修建時要進行橋位、橋型、縱橫斷面和橋跨分孔的規劃。在保證橋梁安全穩定性的同時，做出最合理的經濟規劃；在保證使用暢通的前提下，要盡量做到美觀與環保。隨著科學技術的不斷發展，人們對橋梁的追求不只是停留在安全方便上，對美的要求也在不斷增加。橋梁設計難度的增加不僅要工程師們有一個專業知識過硬的大腦，還要求工程師們有一顆設計美、創造美的心。

[1] 黃曉明,王 捷.大跨鋼橋橋面鋪裝結構受力分析[J].土木工程學報,1999,32(1):37-42.

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

[3] 范立礎.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修復實用技術大全[M].長春：長春出版社,1999.

[5] 謝開仲,曾倬信,王曉燕.橋梁工程檢測技術研究[J].廣西大學學報(自然科學版),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