桥梁结构设计: (1) 桥的组成部分
1 引言
一个偶然的机会要把我带入到结构工程设计领域, 具体地来说,是桥梁的结构设计. 我不是一个结构工程师, 不期望也不可能成为一个合格的结构工程师. 作为一个岩土工程师, 过去主要的工作是为桥梁设计完成岩土工程勘察任务, 进行岩土的工程评价以及为桩设计提供建议的侧摩阻力和端承力.
在规划桥梁时，需要考虑到环境、荷载能力、岩土的承载力、材料、施工方法和技术等方面。而在最终确定桥梁设计之前，结构工程师需要进行复杂的计算和深入的可行性分析。中国是现代桥梁之父, 在桥梁设计和施工方面堪称世界第一, 有许多值得学习和借鉴的地方, 因此从岩土工程师的视角进入到桥梁结构设计领域是一件非常有趣的事情, 也必将提高学科之间的交叉和集成.
尽管以前也非正式地接触过桥的相关知识, 但是没有进行系统的回顾. 这个笔记的主要目的是学习一些桥梁结构设计的专业术语, 为以后查找相关文献作预备工作.
2 桥的组成部分
桥梁通常是在需要跨越公路、铁路或水道时建造的. 在历史上，为了跨越各种障碍物，建造了许多大大小小的桥梁。桥梁的类型取决于具体的物理和设计范围要求。因此，桥梁可以是用于跨越溪流的最小木板，也可以是为交通跨越宽阔河流而建造的大型结构。
总的来说, 一座现代化的桥梁的主要组成部分是基础 (Foundation)、下部结构(Substructure)和上部结构(Superstructure)。每一个核心区域内部又有其他组成部分。桩(Piles)和桩帽(Pile Caps)是基础部分, 下部结构包括桥墩(Piers)和桥台(Abutments)，而上部结构包括梁(Griders)、支座(Bearings)和桥面(Deck)。
2.1 基础(Foundation)
在建造桥梁的时候，首先要打好基础。然后做下部结构，给上面沉重的上部结构提供支撑. 桥梁基础是由桩(Piles)组成的。桩给桥梁提供支撑，并构成最初的基础。桩有助于桥梁所承受的重量和压力均匀地通过地面传递，使其稳定和坚固。桩的材料和设计取决于土质类型、地面不稳定性和承载力约束等因素。对于河流上的桥梁，在设计前还要考虑动水压力引起的冲刷问题。例如, 今年夏季中国南方的部分桥梁使用载重的火车施压, 以防洪水诱发桥梁失稳.
桩帽(Caps): 桩帽为桩提供额外的荷载传递能力, 它们被直接放置在桩基之上。桩帽通常由很重的混凝土制成，以使桥梁上部获得最大强度。
弯头(Bents): 当桩和桩帽组合在一起时，它们被称为弯头。多个弯头构成了下部结构的基础。
2.2 下部结构(Substructure)
桥台(Abutments): 桥梁在其接近的两端有垂直支撑，作为地面的挡墙。这些桥墩是由钢筋混凝土建造的，能够承受高的水平力。
桥墩(Piers): 当桥上有多个跨度时 在每个跨度的末端都安装有桥墩, 作为桥梁的支撑点来承受力和振动的影响。
墩帽(Piers Caps): 墩帽也叫桥头堡, 其作用是为梁柱提供一个空间，让梁柱从上部结构构件上转移轴向的荷载, 将荷载分担到所有桥墩上。
2.3 上部结构(Superstructure)
梁(Girders/Beams): 梁将所有的桩帽连接在一起，并延伸到它们上面。给桥面提供支撑。这可以是单跨，甚至是多跨连接所有弯头，取决于桥梁的长度。梁通常有一个桁架设计，以提高应力和荷载的抵抗能力。因此，压力会迅速向地基传递。梁多由金属或混凝土制成。
支座(Bearings): 支座是能够将荷载从桥面传递到下部结构的结构件。它们通过梁将应力和荷载转移到桥墩上，以允许桥梁各部分之间的移动。这种运动可以是线性的，也可以是扭转的。支座在这些部件之间提供间隙。
桁架(Trusses): 桥梁承重结构都是由若干基本构件连接而成的. 桁架是通过连接三角形构件来分担桥梁的荷载和弯矩。一些类型是简单的桁架，悬挂，也有悬臂桁架。桁架网为运输提供了一个表面，可以建成桥面桁架、小马桁架或贯通桁架。每种桁架的不同之处在于交通在桥上的移动方式。
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桥面(Decks): 桥面直接承受交通负荷 一些基本的甲板可以由混凝土制成，也可以由金属制成。这些包括行车道或步行道、排水系统、路缘石、伸缩部件、人行道和引桥板。
屏障(Barries): 主要是作为一种安全和保护功能, 桥梁的桥面两侧都有屏障,例如防撞护栏。这些屏障可以是特别设计的装置、绳索、栏杆、栅栏或混凝土墙，以达到更好的美观效果。
拱门(Arches): 有拱门的桥有很大的强度。拱门可以帮助控制桥梁的安全和承重能力。拱门的数量和施工材料是非常重要的。连接桥柱和桥面梁的空间称为横梁(spandrel)。根据拱架设计的不同，可以有开放式或封闭式的横梁。
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