桥梁类型与设计中的受力研究

桥梁类型与设计中的受力研究

王婷婷李修平

湖北交科交通设计有限公司湖北十堰442000

摘要：桥梁是交通工程的重要组成部分，在国民经济和社会发展中起着非常重要的作用，是一个国家科学技术和经济实力综合能力的体现。本文介绍了５种基本桥梁类型，对桥梁设计中存在的力学原理进行了分析，根据分析结果对５种基本桥型的优缺点进行了讨论，得出了有益的结论，以期为桥梁设计者提供参考。

1、桥梁的种类

在日常生活中，可以看到各种各样的桥梁，如梁式桥、拱形桥、斜拉桥等，还有一些较复杂的桥型，这些桥型均可以归入以下５中基本类型：梁式桥、斜拉桥、拱形桥、悬索桥及桁架桥，如图１所示。

图１桥梁基本类型

1.1梁式桥

梁式桥从受力来说可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥，这里以简支梁桥为例进行说明。

简支梁桥是由一根两端分别支撑在一个活动支座和一个铰支座上的梁作为主承重结构的梁桥。简支梁桥各孔不连续，车辆在通过接缝时容易产生跳跃，影响行车的舒适感。随着跨径增大，主梁内力将急剧增大，用料相应增多，在材料利用上不够经济。当跨度达到一定长度时，自重引起的内力增长将超过承载能力的提高，此时简支梁桥的跨越能力就无法继续提高。因此目前简支梁的最大跨度为50m，大跨径桥绝不会采用简支梁。此类桥型一般适用于中、小跨度的桥，是梁式桥中应用最早、使用最广泛的一种桥形。

1.2斜拉桥

斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，可以看作是用拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻结构重量，从而节省建筑材料。作为一种拉索体系，斜拉桥比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。

1.3拱形桥

拱形桥是以承受轴向压力为主的拱圈作为主要承重构件的桥梁，拱结构由拱圈及其支座组成。拱桥建筑历史悠久，在桥梁建筑中占有重要地位，适用于大、中、小跨径的公路桥和铁路桥，因其造型优美，常用于城市及风景区的桥梁建筑。我国历史上最早最有名的隋代赵州桥，就是著名的拱形桥梁。

1.4悬索桥

悬索结构是一系列受拉的索作为主要承重构件，按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应支撑上的结构。因为索是软的，其抗弯刚度可以忽略，所内弯矩和剪力都为零，只受轴向拉力作用。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到１０００ｍ以上。悬索桥的主要缺点是刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动。

1.5桁架桥

桁架桥是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁，一般由主桥架、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。武汉长江大桥１９５７年建成，是我国最有名的连续钢桁架桥，被称为“万里长江第一桥”。由于桁架桥为空腹结构，因而对双层桥面有很好的适应性，常被设计为铁路与公路两用双层桥面。

2、桥梁设计中的力学原理

2.1梁式桥

假设人、车辆及桥的自重等合力为Ｆ，作用在桥的中间位置。这里以简支梁桥为例进行说明，其受力简图如图2所示。

图2简支梁桥受力图3简支梁桥受力分析

以ＡＢ为研究对象，受力分析如图3所示：由力的平衡条件可知：

ＦＡＸ＝０

ＦＡＹ＝ＦＢＹ＝１/２Ｆ

ＭＣ＝Ｍ０Ｃ＝ＦＡＹ×１/２Ｌ＝１/４ＦＬ

其中，ＭＣ为危险截面Ｃ的弯矩，为了下文中与其他类型桥梁进行对比，将简支梁桥Ｃ截面的弯矩定义为Ｍ０Ｃ。

2.2斜拉桥

斜拉桥承受的主要荷载来源于自重，主要是主梁。索塔两侧对称的斜拉索将索塔与主梁连接在一起，斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，斜拉索左边的力分解为水平向左的力和竖直向下的力，斜拉索右边的力分解为水平向右的力和竖直向下的力，两个对称的力互相抵消，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的力，将荷载传递到墩台上。

2.3拱形桥

拱形桥的受力简图如图4所示，其中ｆ为拱高。

图4拱形桥受力

由于拱形桥的截面内力是连续的，在Ｃ截面左边无限接近Ｃ截面处将ＡＢ切开，记此截面为Ｃ－，认为Ｃ－的弯矩与Ｃ截面弯矩近似相等，①在竖向荷载作用下，拱形桥有水平推力，而简支梁桥与斜拉桥均没有；②由于推力的存在，拱形桥危险截面Ｃ的弯矩比简支梁桥小，故拱形桥的材料可以得到更充分的利用；③在竖向荷载作用下，拱形桥的截面内轴力较大，且一般为压力，而简支梁桥与斜拉桥均没有轴力。所以，拱形桥比梁式桥能更有效地发挥材料作用，更适用于较大的跨度和较重的荷载。由于拱形桥主要受压，所以常采用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造。

2.4悬索桥

悬索桥的受力与拱形桥有相似的地方，区别如下：①悬索桥是下垂的形状，拱形桥是向上突起的形状；②悬索桥受轴向拉力，拱形桥受轴向压力；③在竖向载荷作用下，悬索桥的水平反力是向外的拉力，拱形桥的水平反力时向内的推力；④悬索桥截面内弯矩为零，拱形桥存在弯矩。

3、结果讨论

（１）简支梁桥的优点是构造简单、传力明确、方便架设，缺点是在载荷作用下，截面内弯矩最大，而且截面上的应力分布是不均匀的，因而材料不能被充分利用，所以，只适用于中、小跨度的桥梁。

（２）斜拉桥与拱形桥均是通过精心地设计（增加斜拉的钢索或将桥面设计成拱形）降低了截面内的弯矩，提高了材料的承载能力，使材料得到了充分的利用，所以，斜拉桥与拱形桥是大跨度桥的常用型式。

（３）悬索桥与拱形桥是相似的，水平方向的拉力或推力维持了悬索桥或拱形桥的平衡，同时也增加了对基础的要求，因此，拱形桥及悬索桥的基础设计需要更为严格。

（４）桁架结构是由杆件组成的格构体系，当荷载只作用在节点上时，各杆内力主要为轴力（拉力或压力），截面上的应力分布均匀，可以充分发挥材料的作用，因此，桁架桥也是大跨度桥梁常用的一种型式。

（５）简支梁桥与斜拉桥是有轴向内力，拱形桥的轴向力一般为压力，所以常采用砖、石、混凝土等抗压性能好的材料，悬索桥的轴向力只能为拉力，所以常采用钢丝、钢缆等抗拉性能好的材料，而桁架的轴向力可以是拉力或压力，所以要选择钢筋这类拉、压性能都比较好的材料。

4、结语

无论是哪一类桥梁，工程师面对的设计及建筑问题是使桥梁结构牢固。合理的选择桥梁的类型及形式，可以达到良好的经济效益和社会效益。

参考文献

［1］胡少伟.组合梁抗扭分析与设计[M].北京：人民交通出版社，2005

［2］项海帆，潘洪萱，张圣城，范立础.中国桥梁史纲[M].上海：同济大学出版社，2009

［3］陈开利，余天庆.混合梁斜拉桥结合段设计技术的新发展[J].铁道标准设计，2006，（05）：43-44