为什么平直桥梁承重那么小呢?

如题所述



结构都是由基本构件组成的,基本构件的力学性能往往又是由材料性质决定的。从来没有绝对完美的桥梁,只有在某种条件下最适合的桥梁,一种桥型的优点和缺点往往是并存的!在满足安全性、适用性、耐久性、经济性、与环境相协调、符合可持续发展理念等要求的前提下,在特定的条件下将某一类桥型发扬光大,同时从设计理念,施工工艺,专题研究等方面最大程度的克服该类桥型的缺陷。


下面从结构形式与材料两方面讨论一些主要的桥型:知乎上大神云集,其实我都觉得自己没什么资格发表什么言论,就算在这里做个不能再简陋的总结吧!因此这个回答的性质只是一些简单的科普,不太涉及过于专业深入的科学问题,那些问题是知网,万方,web of science,小木虫,果壳网这些平台上才应该讨论的事情!唯一的目的只是希望更多的人甚至不是土木圈子的人慢慢喜欢上桥梁,因此只介绍一些如今较为常见的桥梁,或者是比较吸引眼球的一些景观异形桥梁!一些相对落后的桥型,如今已几乎不用的结构,如悬臂梁桥、圬工拱桥、三铰拱、两铰拱等等也不再赘述。


结构形式:

简支梁桥

属于静定结构受力最简单,不会因为各种因素产生结构次内力,一端设置固定铰支座,另一端设置活动铰支座。由于跨径较小,容易做成标准化、
装配化构件,制造、安装都较方便,是一种采用最广泛的梁桥。施工迅速简便,所以特别适合城市里的高架桥,也是高铁客运专线行进线路上最常用的桥梁(图1)。主要缺陷就是跨径适用范围小,当跨度较大时跨中弯矩迅速增大,需要进一步增大梁高,这就进一步增大了结构自重,反过来限制了跨径的增长;如果强行选用高强度材料则大幅度提升造价,十分不经济;每一跨之间有伸缩缝布置,行车不够平顺,伸缩缝时间久了也容易受雨水腐蚀,受车辆局部轮压而加速损坏(所以发展出了简支--桥面连续结构)。


                                        图1 客运专线上最常用的简支梁桥

连续梁桥

属于超静定结构,在温度变化、支座沉降、混凝土收缩应变等因素下结构会产生次内力。它在简支梁的基础上在支座支点处连续而形成的,通常有两跨一联、三跨一联或多跨一联,但当每联跨数较多时,受混凝土收缩、温度变化产生的纵向位移较大;当每联跨数较多时,伸缩缝较多,影响行车平顺性。结构整体刚度较好、动力性能好,利于高速行车。最显著的力学特性是与简支梁相比,恒载下支点处产生负弯矩,使得跨中正弯矩降低(图2),因此连续梁通常做成变截面,跨中截面高度较小,可以减轻结构自重,因此可以提高跨度。主要缺陷是支点处的负弯矩会在梁顶面产生裂缝,在车辆荷载作用下进一步加速其开裂,影响结构耐久性,通常需要在此处配置较多的预应力钢束。钱塘江二桥就是经典的连续梁桥。


                               图2 同等跨度简支梁桥和连续梁桥弯矩图对比


                                      图3 钱塘江二桥(连续梁)


连续刚构桥

属于超静定结构,在温度变化、支座沉降、混凝土收缩应变等因素下结构会产生次内力。与连续梁不同的是在每跨之间不再设置支座,节省了安装以及运营后期维修更换大型支座的费用,并且由于此类桥型墩梁固结,特别适合悬臂施工或悬臂浇筑,也省去了悬臂施工中墩梁临时固结的工序。需要注意的是,由于温度变化、混凝土收缩等因素,连续刚构桥墩顶会产生较大水平位移,为减少水平位移在墩中产生的弯矩,通常采用水平刚度较小的双肢薄壁墩。主要缺陷是结构次内力效应更加明显,墩梁固结处的配筋构造较为复杂等。重庆石板坡长江大桥复线桥属于连续刚构--连续梁混合结构的经典案例,主跨330m,梁桥跨度的世界之最(事实上,330m的主跨梁桥通常已经不是最合理的结构形式了,双塔斜拉桥,其中主跨采用钢箱梁/钢桁梁,边跨采用混凝土箱梁起压重平衡作用,边跨以外与梁式引桥相连,抑或是做成钢管混凝土系杆拱桥、钢桁架拱桥等结构类型按常理说是更为合理的方案),主跨采用较为创新的混合结构,其中108m钢梁是其主要特色(两端各有2.5m钢--混凝土结合段,中间103m为钢箱梁)、本桥施工技术难度极大,其中钢箱梁重1400t,作业区位于川江主航道,水深流急,钢箱梁需旋转抬头、平行上升、再恢复水平,这一吊装方案为国内首次;且这座桥与旁边的石板坡长江大桥桥型类似,交相辉映,形成一对“姊妹桥”(这也是业主选择梁桥方案的重要原因)。此外,虎门辅航道桥也是连续刚构桥的优秀代表。


                                  图4 重庆石板坡复线桥(钢箱梁吊装)


                                   图5 虎门辅航道桥(主跨270m)


对于连续刚构桥或者连续梁桥,桥墩的立面形状还可以做成v形墩(图6)或者斜腿形刚构墩,墩梁连接处的配筋是设计计算的要点!


                                         图6 v形墩刚构桥


                                          图7 斜腿刚构桥


拱桥

比如在西部山区山谷这种地形,山谷两岸地基条件较好,中间山谷很深不易设置桥墩,拱桥几乎就是最优选择,比如北盘江拱桥,万县长江大桥,可以充分利用拱桥受压性能好的特点,同时根据两侧道路、铁路的高程决定采用上承式中承式还是下承式!

斜拉桥、悬索桥

长江上的主力桥型,由于通航的要求,采用小跨度梁桥已经不再现实,斜拉桥或者悬索桥几乎成了必选方案,随之带来的问题就是技术难度加大,比如斜拉桥、悬索桥的柔性特征决定其抗风性能成为设计中的关键问题,往往需要进行专题研究进行风洞试验、水下基础施工带来的难度,还有包括斜拉桥悬臂拼装的线形控制、稳定性问题,悬索桥主缆的线形控制等等。有的时候当设计荷载很大(比如公铁两用桥:武汉天兴洲大桥,沪通大桥等等)更需要将结构的强度和刚度考虑好。

有的时候为了同时满足某些要求,还要设计为上述基本结构中几种桥型的组合!

这还只是从跨度一个方面说的,还有截面形式的问题,板式截面,箱形截面(最为常用,抗扭抗风性能都好,几乎是大跨度桥梁的首选,做成扁平钢箱梁还可以降低自重),桁架式截面(公铁两用桥比较常用)、组合截面(叠合梁、钢箱梁+混凝土桥面板),这些都要在满足使用用途的前提下进行设计计算,需要统筹规划。

包括材料的选择,施工方法的选择,这些都和桥型息息相关,同样跨度的梁桥,什么时候用顶推,什么时候悬拼,这些都和场地条件也有很大关联(比如是否妨碍交通),拱桥中拱圈多采用钢管混凝土、钢管混凝土劲性骨架,因为这样的材料组合可以通过套箍效应提高拱圈抗压强度,钢管内的混凝土对钢管也起约束作用,防止其受压后屈曲,钢管在施工时先拼装好可以作为内部混凝土的模板,便于浇筑。

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