桥梁结构设计: (2) 桥的类型(Types of Bridge)

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1 引言

在<桥梁结构设计: (1) 桥的组成部分>中, 简要回顾了桥的分量. 总的来说, 一个桥由桩基础,下部结构和上部结构相连组成. 这个笔记从结构的角度回顾桥的类型. 桥梁有许多种不同的类型，但其结构通常可以追溯到七种主要类型之一。究其本质, 是管理垂直应力和水平应力的方式决定了不同桥梁的结构。在某些情况下，桥面区域(deck)是承重元素，而在其他情况下，则是桥塔(tower)。也有一些设计是通过桥梁缆绳(cable)传递拉力的，这就为不同地形提供了一定程度的灵活性。技术上来说, 桁架桥的设计(truss bridge)被认为是最坚固的，而悬索桥(suspension bridge)则是可以延伸最远的设计, 可以跨达大约2134m。下面简要回顾不同类型的桥梁及其工作原理.

2 桥的类型

2.1 梁桥(Beam Bridge)

梁桥是最简单的桥梁类型之一。早期建造的桥梁大多是这种形式。桥面由两根横梁在桥墩与桥墩之间支撑。有时也在主梁之间加上一些辅助梁，以提供额外的支撑和稳定性。桥面垂直定位在底层梁上, 在材料力学中这通常称为 "简支梁"结构。这种结构没有在拱形结构和其他类型的桥梁中出现的应力转移。对于梁桥, 我印象最深的是鸭绿江畔的那座残桥, 不仅记录着桥梁发展史, 也承载着战争留下的历史回忆.

2.2 桁架桥(Truss Bridge)

桁架桥已经有几个世纪的历史，尽管桁架桥的设计有变化，但它们都包含了三角形构件。这是因为在所有的平面结构中, 三角形结构是最稳定的结构形式, 能有效地吸收拉力和压力，以产生一个能够适应动态载荷的受力结构。这种拉力和压力的混合形式确保了桥梁的结构得到维持，即使在相对较强的风中，桥面也不会受到影响。从结构的角度来看, 桁架桥的设计(truss bridge)被认为是最坚固的.

下图所示的是位于马里兰州巴尔的摩的Francis Scott Key大桥, 主跨366m, 世界排名第三. (排名第一的桁架桥位于日本, 主跨400m; 排名第二的桁架桥位于美国华盛顿州,主跨376m.)

下图所示的是位于南京的大胜关铁路桥, 主跨336m, 世界排名第四.

下图所示的是位于加拿大卡尔加里的一座造型独特的桁架桥平安桥(Peace Bridge), 我觉得它的设计景观功能比它的实际使用功能更多一些, 这座桥的长度为131m, 带有玻璃顶棚, 桁架涂上了红白相间的国旗和市旗颜色, 每当我路过看见这个桥时就暗自发笑, 设计得啥玩意儿!

2.3 悬臂桥(Cantilever Bridge)

当第一座悬臂桥设计出来时，它被认为是一个重大的工程突破。桥梁的工作原理使用的是悬臂梁的工作原理，悬臂可能是简单的梁或桁架。它们是由预应力混凝土或结构钢制成的。当你考虑到组成悬臂的水平梁只从一侧支撑时，它确实听起来有点危险, 桥还能这样做? 然而，两个悬臂由所谓的 "悬跨"相连接，它实际上是一个中心点，下面没有直接支撑。桥梁荷载通过水平梁对角支撑，而不是典型的垂直支撑。悬臂桥的设计非常安全，而且非常稳固，至今仍在使用。下图所示的是苏格兰建造的一座悬臂桥.

2.4 拱桥(Arch Bridge)

拱桥的设计是古代桥梁建筑智慧的结晶, 从古罗马时代就开始出现拱桥, 在中国最出名的是赵州桥. 拱桥有许多不同的类型，但它们都有共同的核心要素---桥台，用来支撑桥下的弧形拱结构。拱桥有单拱短桥和多拱长桥。拱桥跨度所产生的侧向压力会传递到支撑桥台上。下图所示的是位于北京颐和园的拱桥.

2.5 系杆拱桥(Tied Arch Bridge)

系杆拱桥包含了一个拱形结构(通常是金属)，由拱形和桥面之间的垂直拉杆支撑。拱形结构的顶端由一根底弦连接。它的作用类似于弓的弦。拱形结构对桥面的下压力通过垂直拉杆转化为拉力。很多人认为桥台保证了杆系拱桥和拱形结构的固定, 但事实上是是桥面和加强弦将拱桥两端的头连接在一起。下图所示的是位于泰斯河畔斯托克顿的Infinity桥.

2.6 悬索桥(Suspension Bridge)

悬索桥的结构看起来非常简单，但设计却非常有效。悬索桥的桥面是结构的承重元素。它由垂直的悬索固定，悬索支撑着缆绳。悬索延伸到桥的两侧之外，并牢牢地固定在地面上。对于大型的桥梁, 使用塔来支撑悬索。任何施加在桥梁上的荷载都会在悬索上转化为拉力，悬索是桥梁结构的组成部分。在极端恶劣的天气条件下，悬索桥会发生轻微的移动。

早期设计的一些著名的跨海大桥中, 几乎都是悬索桥. 例如, 下图所示的是纽约著名的景点布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge).

下图所示的是**率极高的位于旧金山的金门大桥(Golden Gate Bridge).

下图是位于温哥华的狮门大桥(Lion Gate Bridge), 它的南端连接着史丹利公园, 北端通向北温. 据说狮门大桥和金门大桥是同一个设计者, 不过由于我不是桥梁专业因此没有考证过.

2.7 斜拉桥(Cable-stayed Bridge)

斜拉桥依靠塔架来支撑，塔架是结构的承重部件, 缆绳从塔架连接到桥面。可以直接从塔顶连接，也可以在塔柱的中间点连接。当连接在塔柱的不同点时，这就形成了一个扇形的模式。这种结构比悬臂桥设计实现的距离大，但比悬索桥小。这种类型的桥梁的主要问题之一是缆绳的中心连接会对桥面产生水平压力。因此，需要对桥面结构进行加固，以承受这些持续的压力。

国内的桥梁设计者现在似乎偏爱斜拉桥, 在许多城市都能看到这种桥型.