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梁式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥与刚构桥的区别

实际上按照受力体系桥梁只分为梁桥、拱桥和吊桥三大体系。其次,在上述结构类型的基础上进行重新组合,还可以形成许多新桥型,如斜拉桥、刚架桥、系杆拱桥等。

(1)梁式桥 (beam bridge) 梁式桥是一种古老的桥梁体系,如图1.34所示,由桥柱和桥板组成。荷载作用从桥面板传向桥墩。由于外力(恒载和活载)的作用方向与桥梁承重结构轴线几乎垂直,因此与同样跨径的其他桥梁体系相比,梁式桥产生的弯矩最大,故以受弯为主。在竖向荷载作用下无水平反力,建桥时需用抗弯、抗拉性能很高的材料。对于中、小跨径桥梁,目前应用最广泛的是标准跨径钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁桥,有预制装配和现浇两种施工方法。这种桥梁结构简单、受力明确、施工方面,对地基承载力要求不高,跨径一般在50m以内。特别是预应力技术的使用,为现代装配式结构提供了最有效的连接手段。跨径很大时可采用悬臂式或连续式梁桥。

图1.34 梁式桥

(2)拱式桥 (arch bridge) 拱桥以受压为主,主要承重结构是拱圈、拱肋,如图1.35所示。在竖向荷载作用下,桥墩、桥台将承受很大的水平推力,同时这种水平推力的反作用力将会显著抵消荷载作用在拱圈中产生的弯矩峰值。所以,与同跨径的梁桥相比,拱圈的弯矩、挠度要小得多。基于拱桥的这些受力特征,建桥时要用抗压性能很好的圬工材料(如砖石、混凝土)和钢筋混凝土材料等。

图1.35 拱式桥

拱桥不仅跨越能力大而且外形酷似彩虹卧波,造型相当美观,在条件允许时,修建拱桥往往是经济合理的。当然,地质条件不太适合修建具有很大推力的拱桥时,也可修建无水平推力的系杆拱桥,跨度很大时也可修建钢拱桥。拱的形状越接近合理拱轴线则受力越合理,但是为了施工方便,一般采用圆弧形。拱圈上一般都有几个腹拱,既减轻了自重、节省了材料,又增加了泄洪的能力。

按照车行道所处主拱圈的不同位置,拱桥可分为上承式、中承式、下承式三种形式。

(3)悬索桥 (suspension bridge) 悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁,如图1.36所示,由悬索、索塔、锚碇、吊杆、加劲梁等构件组成。悬索桥的主要承重构件是悬索,它主要承受拉力,一般用抗拉强度高的钢材(钢丝、钢绞线、钢缆等)制作。锚固在加劲梁上的吊杆可看做多点弹性支撑,能减小恒载产生的弯矩,而大跨度桥梁中恒载内力所占比例最大,由于恒载弯矩减小,跨越能力显著增加,主梁断面也减小了,可以做成等高截面。

图1.36 悬索桥

桥面系竖向荷载通过吊杆使主缆承受很大的拉力,主缆通过索鞍悬挂在主塔上,两端锚固在两岸锚定体系中,并把所承受的拉力传递给锚碇体系,该拉力可分解为竖向力和水平力。

主塔受到主缆传来的竖向荷载和水平荷载以及加劲梁支撑在塔身上的作用力,并把各种作用力传递给下部的塔墩和基础,主塔的高度主要由垂跨比决定。

由于悬索桥可以充分利用材料的强度,且用料省、自重轻,因此悬索桥在各种桥梁体系中的跨越能力最大,跨径可以达到1000m以上。然而,悬索桥的整体刚度小,属柔性体系。在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动,针对这一点需采取相应的措施。

(4)斜拉桥 (cable stayed bridge) 斜拉桥由塔柱、加劲梁、斜拉索构成,它实际上是梁桥与吊桥的组合形式,如图1.37所示。其基本受力特点是:桥面系上的作用力通过斜拉索传递给主塔,主塔再将此作用力传到下面的基础和地基。斜拉索将主梁吊起,使主梁成为具有多点弹性支撑的连续梁,这将大大减小主梁内的弯矩峰值,提高了跨越能力。斜拉桥属于高次超静定结构,为自锚体系。塔柱、拉索、加劲梁构成稳定的三角形结构,比悬索桥刚度大,抗风稳定性较好,跨径仅次于悬索桥。还可采用悬臂挂篮对称施工技术,无需临时支墩,不妨碍桥下通航。

图1.37 斜拉桥

(5)刚构桥 (rigid frame bridge) 刚构桥的主要承重结构是梁板和竖向支撑结合在一起的刚架体系,梁柱结合处具有较大刚性,以抵抗负弯矩,如图1.38所示。在竖向荷载作用下,梁板主要受弯,在柱脚处有水平反力,其受力状态介于梁桥和拱桥之间,弯矩值要比同跨径的简支梁小。由此可知刚构桥跨中截面高度可以做得很小,在城市线路中遇到立体跨线桥或跨越通航河道时,可考虑修建刚构桥以获得桥下净空并减少路堤填方量。

图1.38 刚构桥

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