1.3.2 桥梁分类

1.3.2 桥梁分类

1.桥梁按受力体系分类

按照受力体系分类,桥梁可分为梁式桥、拱式桥和悬索桥三大基本体系。梁式桥以受弯为主,拱式桥以受压为主,悬索桥以受拉为主。由三大基本体系的相互组合,派生出在受力上也具组合特征的多种桥型,如刚构桥和斜拉桥等,下面分别阐述各种桥梁体系的主要特点。

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。由于外力的作用方向与梁式桥承重结构轴线接近垂直,与同样跨径的其他结构体系相比,梁桥内产生的弯矩最大,通常须用抗弯、抗拉能力强的材料(钢、配筋混凝土、钢-混凝土组合结构等)来建造。对于中、小跨径桥梁,公路上目前应用广泛的是标准跨径的钢筋混凝土简支梁桥,施工方法有预制装配和现浇两种。这种梁桥的结构简单,施工方便,简支梁对地基承载力的要求也不高,常用跨径在25 m以下,当跨径较大时,须采用预应力混凝土简支梁桥,但跨度一般应不超过50 m。为了改善受力条件和使用性能,地质条件较好时,中、小跨径梁桥均可修建连续梁桥;对于大跨径的大桥和特大桥,可采用预应力混凝土梁桥、钢桥和钢-混凝土组合梁桥。

2)拱式桥

拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋(拱圈横截面设计为分离形式时称为拱肋)。拱结构在竖向作用下,桥墩和桥台将承受水平推力;同时,根据作用力和反作用力原理,墩台向拱圈(或拱肋)提供一对水平反力,这种水平反力将大大抵消在拱圈(或拱肋)的弯矩。因此,与同跨径的梁式桥相比,拱式桥的弯矩和变形都要小得多。鉴于拱式桥的承重结构以受压为主,通常可用抗压能力强的圬工材料(如砖、石、混凝土)和钢筋混凝土等来建造。

拱式桥不仅跨越能力很强,而且外形酷似彩虹卧波,十分美观。在条件许可的情况下,修建拱式桥往往是经济合理的,一般在跨径500 m以内均可作为比选方案。

应当注意,为了确保桥梁的安全,拱式桥的下部结构和地基(特别是桥台)必须能承受较大的水平推力。此外,拱圈(或拱肋)在合龙前自身不能维持平衡,因而拱式桥在施工过程中的难度和危险要远大于梁式桥。对于特大跨度的拱式桥,也可建造钢桥或钢-混凝土组合截面的拱式桥,施工时首先合龙自重较轻但强度很高的钢拱,以承担施工荷载,这样可以降低施工难度和风险。

在地基条件不适合修建具有较大推力的拱式桥情况下,也可建造由受拉系杆来承受水平推力的系杆拱桥,系杆可由钢、预应力混凝土或高强钢筋制作而成。近年来还发展了一种“飞雁式”三跨自锚式微小推力拱桥,即在边跨的两端施加巨大的水平预加力,通过边跨梁传至拱脚,以抵消主跨拱脚处的巨大水平推力。按照行车道处于主拱圈位置的不同,拱式桥可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥三种。

3)刚构桥

刚构桥的主要承重结构是梁(或板)与立柱(或竖墙)整体结合形成的刚架结构,梁和柱的连接处具有很大的刚性,以承担负弯矩的作用。门式刚架桥在竖向荷载作用下,柱脚处产生水平反力,梁主要受弯,但弯矩值较同跨径的简支梁小,梁内还有轴压力,因此,受力状态介于梁式桥与拱式桥之间。刚架桥跨中的建筑高度就可做得较小。但普通钢筋混凝土修建的刚架桥在梁柱刚接处较易产生裂缝,须在该处多配钢筋。另外,门式刚架桥在温度变化时,内部易产生较大的附加内力,应引起重视。

T形刚构桥(带挂孔或不带挂孔)是修建较大跨径混凝土桥梁曾采用的桥型,属静定或低次超静定结构。这种桥型由于T构长悬臂处于一种不受约束的自由变形状态,在车辆荷载作用下,悬臂内的弯、扭应力均较大,各个方向易产生裂缝。另外,混凝土的徐变会导致悬臂端产生一定的下挠度,从而在悬臂端部和挂梁的结合处形成小折角,不仅损坏了伸缩缝,而且车辆行驶时易在此跳车,给悬臂以附加冲击力,对桥梁受力也不利,目前这种桥型已较少采用。

连续刚构桥属于多次超静定结构,在该类桥的设计中,一般应减小墩柱顶端的水平抗推刚度,使得结构在温度变化下不致产生较大的附加内力。对于较长的桥,为了降低这种附加内力,往往在两侧的一个或数个边跨上设置滑动支座,从而形成刚构-连续组合体系桥型。

当跨越陡峭河岸和深谷时,修建斜腿式刚构桥往往既经济合理又轻巧美观。斜腿墩柱置于岸坡上,有较大斜角,中跨梁内的轴压力也很大,因而斜腿式刚构桥的跨越能力优于门式刚构桥,但斜腿的施工难度较直腿更大。

刚构桥一般均需承受正负弯矩的交替作用,横截面宜采用箱形截面;连续刚构桥主梁的受力与连续梁相近,横截面形式与尺寸也与连续梁基本相同。

4)悬索桥

悬索桥(也称吊桥)是以悬挂在两边塔架上的强大缆索作为主要承重结构的桥梁。在桥面系竖向荷载作用下,吊杆使缆索承受较大的拉力。缆索锚于悬索桥两端的锚碇结构中,为了承受巨大的缆索拉力,需要较大的锚碇结构(重力式锚碇),或者依靠天然完整的岩体来承受水平拉力(隧道式锚碇)。缆索传至锚碇的拉力可分解为垂直和水平两个分力,因而悬索桥也是具有水平反力(拉力)的结构。现代悬索桥广泛采用高强度的多股钢丝编制形成钢缆,以充分发挥其优良的抗拉性能。悬索桥的承载系统包括缆索、塔柱和锚碇三部分,结构自重较轻,能够跨越较大的跨度。悬索桥的特点是受力简单,成卷的钢缆易于运输,在缆索架设完成后,便形成了一个强大稳定的结构支承系统,施工过程中的风险相对较小。

相对于其他体系的桥梁,悬索桥的刚度最小,属柔性结构。在车辆作用下,悬索桥将产生较大的变形,例如,跨度1000 m的悬索桥,在车辆荷载作用下,L/4(L为跨径)区域的最大挠度可达3 m。另外,悬索桥的风致振动及稳定性在设计和施工中也须予以特别重视。

5)组合体系桥

根据结构的受力特点,由几个不同体系的结构组合而成的桥架称为组合体系桥。在梁和拱的组合体系中,梁和拱都是主要承重结构,两者相互配合、共同受力。吊杆将梁向上(与荷载作用的挠度方向相反)吊住,显著地减小了梁中部的弯矩;同时,由于拱与梁连接在一起,拱的水平推力就传递到梁,梁除受弯矩以外也要受拉。这种组合体系桥跨度比一般简支梁桥更大,并对墩台没有推力作用,因此,对地基的要求与一般简支梁桥一样。

斜拉桥是一种主梁与斜缆相结合的组合体系,悬挂于塔柱上的张紧斜缆将主梁吊住,使得主梁像多点弹性支承的连续梁一样工作,这样既发挥了高强材料的作用,又显著减小了主梁截面,结构自重减小,可以跨越很大的跨径。

组合体系桥的种类很多,但究其实质,不外乎利用梁、拱、吊三者的不同组合,上吊下撑以形成新的结构。组合体系桥梁一般都可用钢筋混凝土来建造,对于大跨径桥以采用预应力混凝土或钢材修建为宜。一般说来,这种桥梁的施工工艺比较复杂。

2.桥梁的其他分类简述

除了上述按受力特点分成不同的结构体系,人们还习惯按桥梁的用途、规模和建桥材料等其他方面将桥梁进行分类。

(1)按用途来划分,有公路桥、铁路桥、公铁两用桥、农桥(或机耕道桥)、人行桥、水运桥(或渡槽)、管线桥等。

(2)按桥梁全长和跨径的不同,分为特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞。

(3)按照主要承重结构所用的材料划分,有圬工桥(包括砖、石、混凝土桥)、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢-混凝土组合桥和木桥等。木材易腐,且资源有限,一般不用于永久性桥梁。

(4)按跨越障碍的性质,可分为跨河桥、立体交叉桥、高架桥和栈桥。高架桥一般指跨越深沟峡谷以替代高路堤的桥梁以及在城市桥梁中跨越道路的桥梁。

(5)按桥跨结构的平面布置,可分为正交桥、斜交桥和弯桥。

(6)按上部结构的行车道位置,分为上承式桥、中承式桥和下承式桥。