桥梁工程-桥梁基本知识

学习情境1桥梁基本知识工作任务任务1.认识桥梁结构；任务2.桥梁设计与建设程序；任务3.桥梁的规划与设计；任务4.桥梁设计荷载。学习目标1.叙述桥梁的组成和分类；2.叙述桥梁各组成部分的概念、术语；3.叙述桥梁的结构体系和内容；4.知道桥梁总体规划原则、基本设计资料和设计程序；5.叙述桥梁纵、横断面设计和平面布置；6.知道桥梁设计的方案比较；7.叙述作用的分类及含义；8.知道作用效应组合。任务描述本学习情境分解为4个学习任务。每个学生应沿着如下流程进行学习：认知桥梁的组成和分类→叙述桥梁各组成部分的概念和术语→熟悉桥梁的结构体系→熟悉桥梁总体规划原则和基本建设程序→熟悉桥梁纵、横断面设计和平面布置→叙述作用的分类及含义→知道作用效应组合任务一认识桥梁结构为了满足各种车辆、行人的顺利通行或各种管线工程的布设，建造的跨越河流、山谷或其他交通线路等障碍的工程建筑物，一般统称为桥梁。桥梁是交通工程中的重要组成部分，随着经济的发展、科技的进步和社会生产力的不断提高，人们对桥梁建筑提出了越来越高的要求。一、桥梁结构的组成及名词术语1．桥梁结构的组成1)桥梁上部结构是承担线路荷载，跨越障碍的主要承重结构。2)桥梁下部结构是桥墩、桥台及桥梁基础的总称，是支承桥跨结构并将荷载传至地基的建筑物。桥墩和桥台一般合称墩台。3)支座。设于桥(墩)台顶部，支承上部结构并将荷载传给下部结构的装置。它能保证上部结构在荷载、温度变化或其他因素作用下的位移功能。4)附属设施。包括桥面系、桥头搭板、护坡、导流堤等。桥面系一般由桥面铺装、栏杆(防撞墙)、人行道、伸缩缝、照明系统等组成。2．桥梁结构的名词术语1)桥梁全长：简称桥长，对于有桥台的桥梁为两岸桥台侧墙或八字墙尾端之间的距离(对于无桥台的桥梁为桥面系的行车道长度)。2)净跨径：对梁式桥为设计洪水位上相邻两桥墩(或桥台)间的水平净距。对于拱式桥，是指每孔拱跨两拱脚截面最低点之间的水平距离。3)计算跨径：对于设支座的桥梁，为相邻两支座中心之间的水平距离，对于不设支座的桥梁，为上下部结构的相交面之中心间的水平距离，用表示。桥梁结构的分析计算以计算跨径为准。2．桥梁结构的名词术语4)标准跨径：对梁式桥，是指两相邻桥墩中线间水平距离或桥墩中线与台背前缘之间的水平距离，也称为单孔跨径，对于拱式桥和涵洞，则是指净跨径。标准跨径是桥梁划分大、中、小桥及涵洞的指标之一。5)标准化跨径：为了便于编制标准设计，增强构件间的互换性，当跨径在50m及以下时，通常采用标准化跨径。2．桥梁结构的名词术语8)桥梁建筑高度：桥面路拱中心顶点到桥跨结构最下缘(拱式桥为拱脚线)的高差。9)桥梁高度：桥面路拱中心顶点到低水位或桥下线路路面之间的垂直距离，称为桥梁高度。10)净矢高：拱桥从拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点连线的垂直距离，用f0表示。11)计算矢高：是从拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂直距离，用f表示。12)矢跨比：拱桥中拱圈（或拱肋）的计算矢高与计算跨径之比（f/l），也称拱矢度。它是反映拱桥受力特性的一个重要指标。二、桥梁的分类1．按工程规模划分根据桥梁多孔跨径总长L和单孔跨径Lk将桥梁划分为：特大桥、大桥、中桥、小桥、涵洞，见表l-l-1。这是我国公路和城市桥梁级别划分的依据。2．按桥梁的结构体系划分根据结构体系及其受力特点，桥梁可划分为：•梁式桥•拱式桥•刚架桥•悬索桥•斜拉桥•组合体系桥1）梁式桥梁式桥是古老的结构体系之一。梁作为承重结构，主要是以其抗弯能力来承受荷载。在竖向荷载作用下，其支承反力也是竖直的，一般梁体结构只受弯、受剪，不承受轴向力。开封黄河大桥1989望城沩江桥1980京周公路哑吧河桥1956云南六库怒江桥19912）拱式桥拱式桥的主要承重结构是具有曲线外形的拱(其拱圈的截面形式可以是实体矩形、肋形、箱形、桁架等)。在竖向荷载作用下，拱主要承受轴向压力，同时也承受弯矩、剪力。支承反力不仅有竖向反力，也承受较大的水平推力。2）拱桥湖南凤凰县乌巢河桥1990年贵州剑河桥1985，无锡民主桥1969万县长江大桥1997上海卢浦大桥2005钱塘江四桥2004年巫山长江大桥2005广州丫髻沙大桥20003）刚架桥刚架桥(也称为刚构桥)是指梁与立柱(墩柱)或竖墙整体刚性连接的桥梁其主要特点是：立柱具有相当大的抗弯刚度，故可分担梁部跨中正弯矩，达到降低梁高、增大桥下净空的目的。广东虎门辅航道桥1999广东番禺洛溪大桥1988重庆石板坡长江大桥复线桥2006桂林雉山漓江大桥19844）悬索桥悬索桥(也称为吊桥)主要由索(又称缆索)、塔、锚碇、加劲梁等组成。青马大桥1997润扬长江大桥2005日本明石海峡大桥1998美国金门大桥19375）斜拉桥斜拉桥是由梁、塔和斜索(拉索)组成，结构形式多样，造型优美壮观。在竖向荷载作用下，梁以受弯为主，塔以受压为主，斜索则承受拉力。法国米约高架桥,2004年法国的诺曼底桥1994南京长江三桥2005苏通大桥2008６)组合体系桥将上述几种结构形式进行合理的组合应用，即形成组合体系桥梁。常见的组合方式是梁、拱结构的组合，梁、拱、吊组合体系。同时具备梁的受弯和拱的承压特点，可以是刚性拱及柔性拉杆，也可以是柔性拱及刚性梁。６)组合体系桥3．桥梁的其他分类1）按桥梁上部结构的建筑材料分桥梁可分为木桥、石桥、混凝土桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥(有时三者统称混凝土桥)、钢桥等。2）按用途分桥梁可分为公路桥、铁路桥、公铁两用桥、人行桥、给水桥(渡桥)和供油、供气、供煤气的管道桥等。3）按跨越障碍分桥梁可分为跨河桥、跨谷桥、跨线桥和高架线路桥等。4）按桥面位置分按上部结构的行车道位置，分为上承式桥、中承式桥、下承式桥和双层桥。5）按制造方法分混凝土桥分现场浇筑和装配式两类。后者的构件在工厂(场)中预制，运往工地拼装架设，其优点是：可使桥梁制造工业化、机械化，降低成本，提高速度，而且质量也有保证。也有两者结合的装配、现浇式混凝土桥。钢桥一般都是装配式的。6）其他特殊桥梁有活动桥、军用桥、漫水桥等。活动桥是桥跨结构可以移动或转动，以扩大或开放桥下自由通道的桥梁，多用于河流下游靠近入海的港口处。1）按桥梁上部结构的建筑材料分木桥漳州虎渡桥，石梁桥丹河特大桥，石拱桥无锡卫东桥，双曲拱桥1）按桥梁上部结构的建筑材料分厦门钟宅湾桥，钢拱桥巫山长江大桥，钢管拱昭化嘉陵江大桥，钢筋混凝土拱桥重庆长江大桥，预应力混凝土1）按桥梁上部结构的建筑材料分南京长江三桥，钢箱梁，钢塔柱九江长江大桥南京长江大桥钢梁施工日本大阪港大桥2）按用途分公路桥铁路桥公铁两用桥2）按用途分人行桥渡槽（水桥）管桥3）按跨越障碍分立交桥跨河桥跨谷桥跨线桥4）按桥面位置分4）按桥面位置分双层桥5）按制造方法分现场浇筑5）按制造方法分装配式梁桥6）其他特殊桥梁开启桥6）其他特殊桥梁三、桥梁的建设与发展概况桥梁是道路的组成部分。从工程技术的角度来看，桥梁发展可分为古代、近代和现代三个时期。20世纪30年代之后19世纪之前现代桥梁近代桥梁古代桥梁19世纪到20世纪30年代木桥、石桥钢桥预应力混凝土桥梁任务2桥梁设计与建设程序桥梁的规划设计需考虑的因素很多，涉及工程地区的政治、经济、文化以及人文环境，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。因此必须建立一套严格的管理体制和有序的工作程序。基本建设程序分为前期工作和正式设计图1-2-1设计阶段与建设程序关系图任务3桥梁的规划与设计一、桥梁设计的基本原则1．安全2．适用3．经济4．美观5．技术先进6．环境保护和可持续发展二、桥梁布置及净空要求1．桥梁平面布置。桥梁设计首先要确定桥位，按照《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)的规定，小桥和涵洞的位置与线形一般应符合路线的总走向。2．桥跨和孔径。桥梁纵断面设计包括确定桥梁的总跨径、桥梁的分孔、桥面的标高、桥上和桥头引道的纵坡以及基础的埋置深度等。二、桥梁布置及净空要求3．桥下净空。合理的桥面标高必须根据设计洪水水位、桥下通航(通车)净空的需要，并结合桥型、跨径等一起考虑。二、桥梁布置及净空要求4．桥涵净空公路桥梁横断面的设计，主要取决于桥面的宽度和不同桥跨结构横断面的形式。桥面宽度取决于行车和行人的交通需要。三、桥梁设计方案的比选作出一个经济、适用和美观的桥梁设计方案，设计者必须根据当地的需要和技术条件，因地制宜，掌握国内外新技术、新材料、新工艺，才能科学地得出最优的设计方案。桥梁设计方案的比选和确定可按下列步骤进行：1)明确各种标高的要求2)桥梁分孔和初拟桥型方案草图3)方案初步比选4)详绘桥型方案图6)方案选定和文件汇总5)编制估算或概算任务4桥梁设计荷载桥梁结构设计的主要内容之一就是荷载的选定和计算。根据它们作用的性质和影响程度的不同，将桥梁作用归纳为永久作用、可变作用和偶然作用三类。一、永久作用永久作用亦称恒载，它是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计。永久作用包括结构物自重、桥面铺装和附属设备的重量、作用于结构上的土重及土侧压力、基础变位作用、水浮力、长期作用于结构上的预应力以及混凝土收缩和徐变作用。结构自重、桥面铺装及附属设备等附加重力均属结构重力，结构重力标准值可按常用材料的重度计算。对于公路桥梁，结构物的自重往往占全部设计荷载的很大部分，例如当跨径为20～150m时，结构自重约占30％～60％以上，跨径愈大所占比例愈高。因此，采用轻质、高强材料来减小桥梁结构的自重，应是桥梁建设研发的方向。二、可变作用可变作用是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。如各种车辆荷载等。桥梁设计中考虑的可变作用有汽车荷载和人群荷载。同时，对于汽车荷载应计及其冲击力、制动力和离心力。对于所有车辆荷载，尚应计算其所引起的土侧压力。此外，可变作用还包括支座摩阻力、温度(均匀温度和梯度温度)作用、风荷载、流水压力和冰压力等。1．汽车荷载公路桥涵设计时，汽车荷载的计算图式、荷载等级及其标准值、加载方法和纵横向折减等应符合下列规定：1)汽车荷载分为公路-I级和公路-Ⅱ级两个等级。2)汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载，桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。3)各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表中的规定。4)车道荷载的计算图式如图所示。1．汽车荷载5)公路-I级和公路-Ⅱ汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值1．汽车荷载主要技术指标。车辆荷载的立面、平面布置6)车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图所示布置车辆荷载进行计算。1．汽车荷载7)桥涵设计车道数应符合表的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道横向折减。1．汽车荷载8)大跨径桥梁应考虑车道荷载纵向折减。当桥梁计算跨径大于150m时，应按表1-4-6规定的纵向折减系数进行折减。当桥梁为多跨连续结构时，整个结构应按其最大计算跨径的纵向折减系数进行折减。1．汽车荷载2．汽车荷载冲击力车辆行驶过程中，由于桥面不平整、车轮不圆及发动机振动等原因，会使桥梁结构引起振动，从而使桥梁结构承受比静荷载要大的竖向荷载作用，这种动力效应称为车辆荷载冲击力。3．汽车离心力车辆在弯道桥梁上行驶时会产生离心力，曲线半径越小，离心力越大，当弯桥的曲线半径小于或等于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力。离心力标准值为车辆荷载(不计冲击力)标准值乘以离心力系数C。离心力系数按下式计算4．汽车引起的土侧压力汽车荷载作用在桥台或挡土墙后填土上，将引起填土的破坏棱体对桥台或挡土墙的土侧压力，土侧压力可按下式换算成等代均布土层厚度(m)计算，公式如下：5．人群荷载设计有人行道的桥梁结构，人群荷载的取值规定如下：当桥梁计算跨径L≤50m时，人群荷载标准值取3.0kN／；当桥梁计算跨径L≥150m时，人群荷载标准值取2.5kN／；当桥梁计算跨径在50及150m之间时，人群荷载标准值可由线性内插法求