1.橋梁按受力體系分類
按照受力體系分類,橋梁有梁式橋、拱式橋、剛架橋、吊橋四種基本體系,其中梁式橋以受彎為主,拱式橋以受壓為主,吊橋以受拉為主。另外,由上述四大基本體系的相互組合,派生出在受力上也具組合特征的組合體系橋型,如斜拉橋等。下面分別闡述各種橋梁體系的主要特點。
(1)梁式橋
梁式橋是一種在豎向荷載作用下無水平反力的結構。由于外力作用(永久作用和可變作用)的作用方向與承重結構的軸線接近垂直,因而與同樣跨徑的其他結構體系相比,梁橋內產生的彎矩最大,通常需用抗彎、抗拉能力強的材料來建造。對于中、小跨徑橋梁,目前在公路上應用最廣的是標準跨徑的鋼筋混凝土或預應力混凝土簡支梁橋,施工方法有預制裝配和現(xiàn)澆兩種。這種梁橋的結構簡單、施工方便,簡支梁對地基承載力的要求也不高,鋼筋混凝土及先張法預應力混凝土簡支梁橋的常用跨徑在25m以下;當跨徑較大時,需采用后張法預應力混凝土簡支梁橋,但跨度一般不超過50m。為了改善受力條件和使用性能,地質條件較好時,中、小跨徑梁橋可修建等截面連續(xù)梁橋。對于很大跨徑的大橋和特大橋,可采用預應力混凝土變截面梁橋、鋼橋和鋼一混凝土組合梁橋。
(2)拱式橋
拱式橋的主要承重結構是拱圈或拱肋(拱圈橫截面設計成分離形式對稱為拱肋)。拱式結構在豎向荷載作用下,橋墩和橋臺將承受水平推力。同時,根據作用力和反作用力原理,墩臺向拱圈(或拱肋)提供一對水平反力,這種水平反力將大大抵消在拱圈(或拱肋)內由荷載所引起的彎矩。因此,與同跨徑的梁相比,拱的彎矩、剪力和變形都要小得多。鑒于拱橋的承重結構以受壓為主,通??捎每箟耗芰姷嫩毓げ牧希ㄈ缡?、混凝土)和鋼筋混凝土等來建造。
拱橋不僅跨越能力很大,而且外形酷似彩虹臥波,十分美觀,在地質情況許可的情況下,修建拱橋往往是經濟合理的,一般在跨徑500m以內均可作為比選方案。應當注意,為了確保拱橋的安全,下部結構和地基(特別是橋臺)必須能經受住很大的水平推力作用。此外,與梁式橋不同,由于拱圈(或拱肋)在合龍前自身不能維持平衡,因而拱橋在施工過程中的難度和危險性要遠大于梁式橋。
(3)鋼架橋
剛架橋的主要承重結構是梁(或板)與立柱(或豎墻)整體結合在一起的剛架結構,梁和柱的連接處具有很大的剛性,以承擔負彎矩的作用。所示的門式剛架橋,在豎向荷載作用下,柱腳處具有水平反力,梁部主要受彎,但彎矩值較同跨徑的簡支梁小,梁內還有軸壓力 Ⅳ,因而其受力狀態(tài)介于梁橋與拱橋之間。剛架橋的跨中建筑高度可做得較小,但普通鋼筋混凝土修建的剛架橋在梁柱剛結處較易產生裂縫,需在該處多配鋼筋。另外,門式剛架橋在溫度變化時,內部易產生較大的附加內力,應引起重視。
所示的T形剛構橋(帶掛孔的或不帶掛孔的)是修建較大跨徑混凝土橋梁曾采用的橋型,屬靜定或低次超靜定結構。對于這種橋型,由于T構長懸臂處于一種不受約束的自由變形狀態(tài),在車輛荷載作用下,懸臂內的彎、扭應力均較大,受力比較復雜,當配筋不當時易產生裂縫。另外,由于混凝土徐變,會使懸臂端產生一定的下?lián)希瑥亩趹冶鄱瞬亢蛼炝旱慕Y合處形成一個折角,不僅會損壞伸縮縫,而且車輛在此跳車,給懸臂以附加沖擊力,使行車不適,對橋梁受力也不利。目前這種橋型已較少采用。
連續(xù)剛構橋它是為避免設置大型支座和結構體系轉換從連續(xù)梁橋而發(fā)展出來的一種橋型,屬于多次超靜定結構,在設計中一般應減小墩柱頂端的水平抗推剛度,使得溫度變化下在結構內不致產生較大的附加內力。對于很長的橋,為了降低這種附加內力,往往在兩側的一個或數(shù)個邊跨上設置滑動支座,從而形成的剛構一連續(xù)組合體系橋型。
當跨越陡峭河岸和深谷時,修建斜腿剛架橋往往既經濟合理又造型輕巧美觀。由于斜腿墩柱置于岸坡上,有較大斜角,中跨梁內的軸壓力也很大,因而斜腿剛架橋的跨越能力比門式剛構橋要大得多,但斜腿的施工難度較直腿大些。
(4)吊橋(懸索橋)
吊橋是用懸掛在兩邊塔架上的強大纜索作為主要承重結構。在橋面系豎向荷載作用下,通過吊桿使纜索承受很大的拉力,纜索錨于吊橋兩端的錨碇結構中。為了承受巨大的纜索拉力,錨碇結構需做得很大(重力式錨碇),或者依靠天然完整的巖體來承受水平拉力(隧道式錨碇)。纜索傳至錨碇的拉力可分解為垂直和水平兩個分力,因而吊橋也是具有水平反力(拉力)的結構。纜索一般由鋼絲成股編制形成鋼纜,以充分發(fā)揮其優(yōu)良的抗拉性能。吊橋的承載系統(tǒng)包括纜索、塔柱和錨碇三部分,因此結構自重較輕,與其他橋型相比,吊橋具有較大的跨越能力。吊橋的另一特點是受力簡單明了,成卷的鋼纜易于運輸,在將纜索架設完成后,便形成了一個強大穩(wěn)定的結構支承系統(tǒng),施工過程中的風險相對較小。吊橋的剛度較小,屬柔性結構,在車輛荷載作用下,吊橋將產生較大的變形。例如跨度 1000m的吊橋,在車輛荷載作用下,1/4區(qū)域的最大撓度可達3m左右。另外,吊橋風致振動及穩(wěn)定性在設計和施工中也需予以特別重視。
(5)組合體系橋梁
由拉、壓、彎等幾個基本受力體系的結構組合而成的橋梁稱為組合體系橋梁。梁、拱組合體系(圖1-7)中有系桿拱、桁架拱等。它們利用梁的受彎與拱的承壓、吊桿或拉桿受拉的特點組成聯(lián)合結構。在預應力混凝土結構中,因梁體內可以儲備巨大的壓力來承受拱的水平推力,使這類結構既具有拱的特點,又沒有水平推力,故對地基要求不高,但這種結構施工復雜。
斜拉橋是由承壓的塔、受拉的索與承彎壓的梁體組合起來的一種結構體系。主要承重的主梁,由于斜拉索將主梁吊住,使主梁變成類似于多點彈性支承的連續(xù)梁,由此減小主梁截面彎矩和梁高,增加橋跨跨徑。斜拉橋的受力特點是:受拉的斜索將主梁多點吊起,并將主梁的永久荷載作用和車輛等其他荷載作用傳至塔柱,再通過塔柱基礎傳至地基。塔柱基本上以受壓為主。主梁同時受到斜拉索豎向和水平分力的作用,為偏心受壓構件。斜拉橋屬于高次超靜定結構,主梁所受彎矩大小與斜拉索的初張力密切相關,存在著最優(yōu)索力分布,即使主梁在受力狀態(tài)下的彎矩(或應力)最小。
主梁由于受到斜拉索的彈性支承,彎矩較小,使得主梁尺寸大大減小,結構自重顯著減輕,從而大幅度地提高了斜拉橋的跨越能力。此外,由于塔柱、拉索和主梁構成穩(wěn)定的三角形,斜拉橋的結構剛度較大,斜拉橋的抗風能力較吊橋(懸索橋)要好得多。但是,當跨度很大時,懸臂施工的斜拉橋因主梁懸臂長度過長,承受壓力過大,易產生失穩(wěn)破壞,因而風險較大。塔高也過高,外索過長,索垂度的影響使索的剛度大幅下降。
斜拉索的組成和布置、塔柱形式及主梁的截面形狀是多種多樣的,主梁的截面形狀與拉索的布置情況要相互配合。我國常用高強平行鋼絲或鋼絞線等制成斜拉索。斜拉索按施工工藝有工廠預制(成品索)和現(xiàn)場防護兩種。我國20世紀80 年代末、90 年代初修建的斜拉橋中,斜拉索大多采用現(xiàn)場防護的方法。由于現(xiàn)場防護環(huán)境不利,不確定因素多,加上施工技術不夠成熟,拉索在使用7-8 年后,索內高強鋼材均出現(xiàn)了不同程度的銹蝕現(xiàn)象,影響了大橋的安全,近年來已有幾座斜拉橋對拉索進行了更換。目前常用的平行鋼絲斜拉索完全在工廠內制成,在鋼絲束上包一層高密度( HD)的聚乙烯(PE)外套進行防護,還可用彩色高密度聚乙烯制成彩色索。
常用的斜拉橋是三跨雙塔式結構,但獨塔雙跨形式也常見,具體形式及布置的選擇應根據河流、地形、通航、美觀等要求加以論證確定。