第6章桥梁工程

第6章桥梁工程6.1桥梁工程简介6.1.1桥梁工程概述桥梁工程在学科上属于土木工程的分支，在功能上又是交通工程的咽喉，是交通工程的一个重要组成部分，对国家经济发展起着重要作用。杭州湾大桥矮寨特大悬索桥桥梁工程的概念供公路、城市道路、铁路、渠道、管线等跨越水体、山谷或彼此间相互跨越的工程构筑物，是交通运输中重要的组成部分。桥梁的原始雏形是堤梁（在浅滩溪涧中筑起一个个石堤，堤间流水，人从石堤上跨越。）、独木桥、浮桥、石拱。独木桥石拱桥该桥（太平桥）位于绍兴。是一座一孔净跨10米的石拱桥与九孔净跨3-4米的高、低石梁桥相结合的多跨桥梁。全长50米，桥面宽3.4米,拱桥在南，为通航主孔，南端桥阶为八字落坡，石梁桥在北。桥建于明天启二年（1622）。浮桥威廉斯塔德是荷属西印度群岛的库拉索岛的首府1.梁桥梁式桥的力学特征是以受弯为主，而钢筋混凝土结构抵抗弯拉引起开裂的能力较弱，普通钢筋混凝土梁式桥的跨径一直较小。随着预应力技术的成熟，促进了预应力混凝土梁式桥的迅速发展。广东番禺洛溪大桥广东虎门辅航道桥混凝土梁桥的最新排名序号桥名主跨(m)结构形式桥址年份1石板坡长江大桥330连续刚构中国重庆20062斯托尔马桥(Stolma)301连续刚构挪威19983拉脱圣德桥(Raftsundet)298连续刚构挪威19984亚松森桥(Asuncion)2703跨T构巴拉圭19795虎门大桥辅航道桥270连续刚构中国广东19976苏通大桥专用航道桥268连续刚构中国江苏20087红河大桥265连续刚构中国云南20038门道桥(Gateway)260连续刚构澳大利亚19859伐罗德2号桥(Varodd-2)260连续梁挪威199410斯考顿桥(Schottwien)250连续钢构奥地利19892.拱桥拱桥造型优美，跨越能力大，长期以来一直是大跨桥梁的主要形式之一，20世纪60年代拱桥无支架施工方法的应用与发展，使混凝土拱桥竞争力大大提高。湖南凤凰县乌巢河石拱桥山西晋城晋焦高速公路丹河大桥以钢管混凝土作为劲性骨架，再外包混凝土形成箱形拱，施工方便，避免了钢管防护问题，另外，由于钢管混凝土最先受力，充分利用了钢管混凝土承载潜力大的优势。跨度为420m的重庆万县长江大桥为目前世界上已建成的跨径最大的钢筋混凝土拱桥；贵州江界河桥是采用悬臂施工法建成的桁式组合拱桥，跨度达到330m，居同类桥型的世界之最。重庆万县长江大桥贵州江界河桥

混凝土拱桥的最新排名(已建成)序号桥名主跨(m)桥址年份1重庆万县长江公路大桥420中国19972克拉克I大桥(KRKI)390克罗地亚19793贵州江界河大桥330中国19954广西邕宁邕江大桥313中国19985格拉德斯维桥(Gladesville)305澳大利亚19616友谊桥(Amizade)290巴西19617伯罗克桥(Bloukrans)272南非19838亚拉比达桥(Arrbide)270葡萄牙19639广西三岸邕江桥270中国199810里斯河大桥(Rance)261法国19903.斜拉桥美国P-K桥日本多多罗大桥斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。该桥可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥的最新排名序号桥名主跨(m)桥址年份1苏通大桥1088中国20082昂船州大桥1018中国香港20093湖北鄂东长江大桥926中国在建设中4多多罗大桥890日本19995诺曼底大桥856法国19956南京长江三桥648中国20087南京长江第二大桥628中国20008武汉白沙洲长江大桥618中国20009福州市青州闽江大桥605中国200110上海杨浦大桥602中国19934.悬索桥纽约布鲁克林桥洛杉矶金门大桥悬索桥又称吊桥，由悬索，桥塔，吊杆，锚锭，加劲梁及桥面系所组成。是由承受拉力的悬索作为主要承重构件的桥梁。因为悬索受拉，无弯曲和疲劳引起的应力折减，可以采用高强钢丝制成，故吊桥跨越能力是各桥梁体系中最大的。

明石海峡大桥目前世界上跨度最大的悬索桥是日本的明石海峡公铁两用桥，跨径1991m(设计跨径为1990m，后因阪神地震，地壳移位，才变成目前的跨径)。

西侯门大桥江阴长江大桥我国的现代悬索桥建设起步较晚，特别是在特大跨度悬索桥方面。但是在90年代中期以后，这一局面得到了彻底的改变。1995年建成的广东汕头海湾大桥，开创了我国现代公路悬索桥的先河。

悬索桥的最新排名序号桥名主跨(m)桥址年份1明石海峡大桥1991日本19982舟山西堠门大桥1650中国20093大海带桥1624丹麦19984润扬长江公路大桥1490中国20055亨伯桥1410英国19816江阴长江大桥1385中国19987香港青马大桥1377中国19978费雷泽诺桥1298.5美国19649金门大桥1280美国193710武汉阳逻长江大桥1280中国

20076.1.2桥梁的基本组成桥梁由四个基本部分组成，即上部结构、下部结构、支座和附属设施。——上部结构：是在线路中断时跨越障碍的主要承重结构，是桥梁支座以上(无铰拱起拱线或刚架主梁底线以上)跨越桥孔的总称——下部结构：包括桥墩、桥台和基础。

桥跨结构（桥孔或上部结构）包括：桥面板、桥面梁以及支承它们的结构构件如大梁、拱、悬索等。作用：承受桥面上各种车辆、行人的荷载。作用：是支承桥跨结构的承重构件

桥墩、桥台（下部结构）桥台设在桥身两侧。作用支承桥跨结构，还要与路堤衔接并防止路堤滑塌。

墩台基础是桥墩、桥台的埋入土中的扩大部分。作用：使桥上全部荷载传至地基。墩台基础是桥梁工程施工较困难的部分，常要在水中作业。桥墩、墩台基础在其下，常要水中作业，是桥梁施工的困难部分。某特大斜拉桥正在施工的情况墩基础施工情况。该基础施工采用钢板桩围堰。高水位：洪峰季节河流的最高水位低水位：枯水季节河流的最低水位与桥梁的基本组成有关的几个基本术语设计水位：按规定设计洪水频率算得的水位通航水位：能保持船舶正常航行时的水位。跨度：桥跨结构相邻两支座中心的间距梁全长：桥两端岸边桥台侧墙或八字墙后端点间距离桥下净空高度：设计水位至结构最下缘间的距离桥梁分类多孔跨径总长L(m)单孔跨径Lk(m)特大桥L>1000Lk>150大桥100≤L≤100040≤Lk<150中桥30<L<10020≤Lk<40小桥8≤L≤305≤Lk<20涵洞——Lk<5我国《公路工程技术标准》(JTGB01－2003)规定了特大、大、中、小桥和涵洞，可根据桥梁按总长和跨径进行划分上述分类在一定程度上反映了桥梁的建设规模，但不反映桥梁的复杂性。国际上一般认为单孔跨径小于150m的属于中小桥，大于150m即为大桥，而特大桥的起点跨径与桥型有关，悬索桥为1000m，斜拉桥和钢拱桥为500m，其它桥型为300m。6.1.2桥梁的分类按用途分铁路桥公路桥铁路公路两用桥城市道路桥（含立交桥）农村道路桥人行桥管线桥渡槽桥铁路桥公路桥铁路公路两用桥城市道路桥农村道路桥渡槽桥按桥身结构材料分木桥圬工桥（含砖、石和混凝土砌块桥）钢筋混凝土桥预应力混凝土桥钢桥木桥石桥铸铁桥钢筋混凝土桥悉尼钢桁桥：远眺大桥形似衣架，从而得名“大衣架”（CoatHanger）。悉尼歌剧院位于桥的北端一侧。桥全长1885m，主跨为跨度达503m的钢桁架拱。钢桥按桥跨结构分梁式桥（含简支梁、连续梁、伸臂梁式）拱桥悬索桥斜拉桥刚架桥(1)梁式桥梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构该桥（龙脑桥）位于四川省泸州，建于明代洪武年间(公元１３７８～１３９８年）。桥高５米、长５４米，宽1.9米，共１３孔，由３０块长3.6米的青石板组成。中间８个桥墩上分别雕有龙、象和麒麟的头像，石雕艺术精湛，造型别致，布局奇特。因石雕中有４个龙头故名龙脑桥。梁式桥龙头梁式桥现代化的梁式桥洛阳黄河桥(2)拱式桥拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋(拱圈横截面设计成分离形式时称为拱肋)。拱结构在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力。

拱桥箱拱桥(3)刚架桥刚构桥的主要承重结构是梁(或板)与立柱(或竖墙)整体结合在一起的刚架结构，梁和柱的连结处具有很大的刚性，以承担负弯矩的作用。刚架桥桁架式T型刚架桥斜拉桁架式刚架桥Y型墩连续刚架桥斜腿刚构桥(4)斜拉桥斜拉桥由塔柱、主梁和斜拉索组成，它的基本受力特点是：受拉的斜索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆等其它荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。

斜拉桥南浦大桥(5)悬索桥悬索桥(也称吊桥)是用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构，是具有水平反力(拉力)的结构。沪定铁索桥，跨越大渡河，位于川、藏要道，是铁索桥中现存制作最精良的一座。桥始建于清康熙四十四年(公元1705年），次年完成。桥净跨100米，桥宽2.8米，上铺木板，底索９根，每根索长约128米，两侧各有两根栏杆索，由四川善于制作铁索桥的全天州修建。两岸右砌桥台，用台身自重来平衡铁索的拉力。悬索桥鸭池河桥位于贵州。单孔120米加劲钢桁架悬索桥，1958年建成。大桥飞跨深谷，两岸绝壁悬崖，桥面高出河面68米。钢桁架悬索桥上承式悬带桥现代化大跨径悬索桥活动桥(6)活动桥桥梁工程的内容6.2桥梁结构受力体系6.2.1桥梁的基本受力原理从受力特点上看，混凝土梁式桥分为简支梁(板)桥，连续梁(板)桥和悬臂梁(板)桥。简支梁桥：受力和构造最简单的桥型，应用广泛；连续梁桥：由于负弯矩存在减小了跨中的正弯矩，跨越能力大，适用于桥基良好的场合；悬臂梁桥：跨越能力比简支梁桥大，但逊于连续梁，并且因行驶状况不良，目前较少采用。梁式桥的基本体系——

梁桥拱式结构在竖向荷载作用下，两端支承除了有竖向反力外，还将产生水平推力。正是这个水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，使之成为偏心受压构件，截面上的应力分布与受弯梁的应力相比，较为均匀。因此，可以充分利用主拱截面材料强度，使跨越能力增大。拱和梁的应力分布——

拱桥斜拉桥主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分组成。由于斜拉索的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小。此外，斜拉索轴力产生的水平分力对主梁施加预压力，从而可以增强主梁的抗裂性能，节约主梁中预应力钢材的用量。斜拉桥属高次超静定结构，与其它体系桥梁相比，包含着更多的设计变量，这就使选定桥型方案和寻求合理设计带来一定困难。

三跨连续梁和三跨斜拉桥的恒载内力对比——

斜拉桥悬索桥的承重构件由以下几个主要部分组成：①桥塔。其是支承主缆的重要构件。②锚碇。它是主缆的锚固体，它将主缆中的拉力传递给地基基础。③主缆，主缆是悬索桥的主要承重构件。④吊索。它是将活载和加劲梁的恒载传递到主缆的构件。⑤加劲梁。提供桥面和防止桥面发生过大的局部挠曲和扭曲的部件。⑥鞍座。它是支承主缆的重要构件。——

悬索桥传统悬索桥的主要构造6.2.2桥梁上的作用依据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)，全面采用“作用”代替“荷载”。将作用在公路桥梁、城市桥梁上的各种作用和外力归纳为永久作用、可变作用和偶然作用三类，并根据可能出现的作用情况，规定了不同荷载组合。荷载分类荷载名称永久荷载结构重力(包括结构附加重力)；预加应力；土的重力及土侧压力；混凝土收缩及徐变影响力；基础变位影响力；水的浮力可变荷载基本可变荷载(活载)汽车荷载；汽车冲击力；离心力；汽车引起的土侧压力；人群汽车引起的土侧压力人群其它可变荷载风力；汽车制动力；流水压力；冰压力；温度影响力；支座摩阻力偶然荷载地震力；船只或漂流物撞击力；汽车撞击作用公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的概率极限状态设计法设计。该设计体系规定了桥涵结构的两种极限状态：承载能力极限状态和正常使用极限状态。

《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T50283－1999)将公路桥涵结构设计分为三个安全的等级，不同的桥涵应根据所具有的功能、作用及其重要性将具有不同的重要性系数，以匹配它们规定的目标可靠度指标。桥涵结构特大桥、重要大桥大桥、中桥、重要小桥小桥、涵洞设计安全等级一级二级三级6.3桥梁上部结构类型6.3.1桥梁按受力体系分类(1)梁式桥梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构(2)拱式桥拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋(拱圈横截面设计成分离形式时称为拱肋)。拱结构在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力。

(3)刚构桥刚构桥的主要承重结构是梁(或板)与立柱(或竖墙)整体结合在一起的刚架结构，梁和柱的连结处具有很大的刚性，以承担负弯矩的作用。(4)斜拉桥斜拉桥由塔柱、主梁和斜拉索组成，它的基本受力特点是：受拉的斜索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆等其它荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。

(5)悬索桥悬索桥(也称吊桥)是用悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构，是具有水平反力(拉力)的结构。6.4桥梁下部结构类型确定桥梁下部结构应遵循满足交通要求、安全耐久、造价低、维修养护少、施工方便、工期短、与周围环境协调和造型美观等原则。桥梁下部结构主要由墩(台)帽、墩(台)身和基础三部分组成。桥梁墩台还要承受施工时的临时荷载，在某种情况下需要临时加固和补强。桥梁墩台的设计与结构受力、土质构造、地质条件、水文、流速以及河床内的埋置深度密切相关。桥梁常见下部结构

(1)梁桥墩台梁桥墩台从总体上可分为两种。一种是重力式墩、台。这类墩、台的主要特点是靠自身重量来平衡外力而保持其稳定。(2)拱桥墩台拱桥墩台同梁桥墩台一样，也分为两大类型，一类是重力式墩台，另一类是轻型墩台，其作用原理与梁桥墩台大致相同，但是拱桥桥墩必须具备抗推能力。6.5现代桥梁建设与维护桥梁工程必须遵照“安全、适用、经济和美观”的基本原则进行设计，同时应充分考虑建造技术的先进性以及环境保护和可持续发展的要求。在强度方面：足够的安全储备；在刚度方面：控制变形稳定性方面：保持原形状和位置的能力。6.5.1桥梁设计与建设程序

一座桥梁的规划设计所涉及的因素很多，特别是对于工程比较复杂的大、中桥梁，是一个综合性的系统工程。设计合理与否，将直接影响到区域的政治、经济、文化以及人民的生活。因此必须建立一套严格的管理体制和有序的工作程序。

目前，在桥梁初步设计完成后，即桥型方案、主要初步尺寸和工程投资确定后，进入全寿命优化设计阶段，引入桥梁劣化模型、维护策略等因素，在投资、可靠性能、力学指标多重约束作用下对桥梁截面尺寸进行重新确定，优化结果将修改初步设计和工程预算投资。全寿命优化设计继承了已有规范的设计标准，又增加了部分新的设计内容。内容设计基准期荷载抗力基于现有规范的设计100年经过100年的随机过程分析，按95％的保证率获取。1.提高混凝土品质，增大保护层厚度，提高混凝土结构的耐久性；2.没有涉及桥梁结构的劣化规律和维护策略。全寿命优化设计100年适当提高保证率以降低桥梁多因素损伤的风险。桥梁具有承担突发荷载的能力1.用定量方法总结国内外桥梁结构的劣化规律；2.用定量方法评估桥梁结构全寿命耐久性；3.定量计算桥梁维护过程中直接维护成本和间接维护成本。劣化桥梁全寿命优化设计方法有如下特点：

桥梁工程结构全寿命优化设计中的大量不确定性

桥梁工程结构设计准则的多重性结构优化目标的多样性结构设计变量的离散性约束条件数目的庞大性与性质的复杂性桥梁结构的寿命周期分为建造、使用、劣化和报废四个时期。桥梁结构在外界环境下，其承载能力下降，致使承载能力不足，影响桥梁结构性能劣化的主要因素见下表。6.5.2现代桥梁维护技术结构性能劣化因素具体原因设计不当设计经验不足，计算模型有误，构造处理不当，基础埋深不够等。施工不当材料使用未达到要求，结构尺寸有误，为赶工期基底处理不到位，混凝土低龄期加载等。桥梁超载原设计标准低，实际通行了大吨位荷载，或加铺路面增加了恒载等。维护不当没有对伸缩缝、支座、排水设施等作及时维护和清理，没有对钢材或钢筋局部锈蚀作修补。自然环境的恶化气态、液态、固态有害物质的侵蚀，比如氯化物侵蚀，下部基础受冲刷淘空等。材料的腐蚀与老化钢材腐蚀膨胀，混凝土碳化并对钢筋失去保护作用，石料风化等。设计技术标准的改变公路干线因技术改造而将荷载标准提高了一级，导致该干线上原有桥梁承载力的不足。在预测桥梁的寿命性能时考虑各种影响因素的不确定性。总体上存在三种不确定性：由于内在的随机性产生的不确定性内在的模糊性产生的不确定性知识缺乏或模型的不完善产生的不确定性6.5.2现代桥梁维护技术针对桥梁劣化，桥梁工程师在实际工程使用过程中，总结了如下的维护方法：灌浆法表面修补法增大截面加固法外层钢筋采取环氧涂层防护法

阴极防护法粘贴钢板加固法粘贴碳纤维布加固法改变结构受力体系加固法体外预应力加固法6.6现代桥梁施工技术对于简支梁桥，当桥墩及其基础施工完毕后，为了将梁体结构落在设计位置，通常采用两种主要的施工方法，即就地浇筑法和预制安装法。

6.6.1梁桥施工技术——就地浇注法：是通过直接在桥跨下面搭设支架，作为工作平台，然后在其上面立模浇筑梁体结构。这种方法适用于两岸桥墩不太高的引桥和城市高架桥，或靠岸边水不太深且无通航要求的中小跨径桥梁。——预制安装法：当同类桥梁跨数较多、桥墩又较高、河水又较深且有通航要求时，通常便将桥跨结构用纵向竖缝划分成若干个独立的构件，放在桥位附近专门的预制场地或者工厂进行成批制作，然后将这些构件适时地运到桥孔处进行安装就位。对于悬臂体系和连续体系梁桥，其最大特点是，桥跨结构上除了有承受正弯矩的截面以外，还有能承受负弯矩的支点截面，这也是它们与简支梁体系的最大差别。因此，它们的施工方式与简支梁大不相同。目前所用的施工方法大致可分为三类：——逐孔施工法：可分为落地支架施工和移动模架施工两种。落地支架施工方法与简支梁桥的就地浇筑法施工基本上相同。移动模架施工法是使用移动式的脚手架和装配式的模板，在桥上逐孔浇筑施工。它像一座设在桥孔上的活动预制场，随着施工进程不断移动连续现浇施工。支架法逐孔施工——节段施工法：节段施工法是将每一跨结构划分成若干个节段，采用悬臂浇筑或者悬臂拼装(预制节段)两种方法逐段地施工，节段施工完成后，将悬臂段合拢，然后进行体系转换。悬臂浇筑法一般采用移动式挂篮作为主要施工设备，以桥墩为中心，对称地向两岸利用挂篮浇筑梁节段的混凝土，待混凝土达到要求强度后，便张拉预应力束，然后移动挂篮，进行下一节段的施工。

——顶推施工法：在桥的一岸或两岸开辟预制场地，分节段的预制梁身，并用纵向预应力筋将各节段连成整体，然后应用水平液压千斤顶施力，将梁段向对岸推进。依顶推施力的方法又可分为单点顶推和多点顶推两类。

连续梁顶推法施工混凝土拱桥的施工方法：按其主拱圈成型的方法可以分为以下三大类：就地浇注法、预制安装法和转体施工法。按照所使用的设备来划分，包括以下两种：支架施工法和悬臂浇筑法。——支架施工法：和梁式桥的有支架施工相类似，有关支架的类型、主拱圈混凝土浇筑的技术要求以及卸架方式等均与梁式桥相同。

5.6.2拱桥施工技术——悬臂浇筑法：和连续梁桥的节段施工法类似，不使用挂篮悬臂浇筑箱形拱：把主拱圈划分成若干个节段，并用专门设计的钢桁托架结构作为现浇混凝土的工作平台。托架的后端铰接在已完成的悬臂结构上，其前端则用刚性组合斜拉杆经过临时支柱和塔架，再由尾索锚固在岸边的锚碇上。——预制安装法：按主拱圈结构所采用的材料可以分为整体安装法和节段悬拼法两种。整体安装法适合于钢管混凝土系杆拱的整片起吊安装，因为钢管混凝土拱肋在未灌混凝土之前具有重量轻的优点。节段悬拼法是将主拱圈结构划分成若干节段，先放在现场的地面或场外工厂进行预制，然后运送到桥孔的下面，利用起吊设备提升就位，进行拼接，逐渐延长直至成拱。利用伸臂式起重机在已拼接好了的悬臂端逐次起吊和拼接下一节段的施工示意图。每拼接好一个节段，即用辅助钢索临时拉住，每拼完三节，便改用更粗的主钢索拉住，然后拆除辅助钢索，供反复使用。适用于特大跨径的拱桥施工。——转体施工法：将主拱圈从拱顶截面分开，把主拱圈混凝土高空浇筑作业改为放在桥孔下面或者两岸进行，并预先设置好旋转装置，待主拱圈混凝土达到设计强度后，再将它就地旋转就位成拱。按照旋转的几何平面又可分为平面转体施工法、竖向转体施工法和平－竖相结合转体施工法。主拱圈正处在平面旋转过程中的。平面转体施工法示意图应用扒杆吊装系统对钢管拱肋进行竖向转体施工的示意图。它的主要施工过程是，将主拱圈从拱顶分成两个半拱在地面胎架上完成，经过对焊接质量、几何尺寸、拱轴线形等验收合格后，由竖立在两个主墩顶部的两套扒杆分别将其旋转拉起，在空中对接合拢。

斜拉桥主梁的施工方法大体上可以归纳为：①有支架施工法；②悬臂施工法；③顶推施工法和④转体施工法四种。其中悬臂施工也有悬臂拼装法和悬臂浇筑法两种。

6.6.3斜拉桥施工技术——悬臂拼装法：主要用于钢主梁(桁架梁或箱形梁)的斜拉桥。优点