[分享]各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解

发表于2021-10-08     467人浏览     3人跟帖     总热度:1080  

哪一种桥是桥跨界的泰斗?你想真正对各种桥梁结构体系的受力特点和跨越能力有个全面清晰的理解和掌握,就必须花费大量时间和精力好好了解,本文可为你解惑。
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_2


划分方法
各种不同版本的书籍对于桥梁结构体系的划分略有不同,一种比较常见的分类方法:梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥及组合体系桥


梁桥
梁式桥是一种古老的结构体系,由来久远,我们的祖先简单的在两个石墩上搭一根圆木就是梁桥最初的样子。梁桥由于结构形式简单、施工方便也是现代桥梁最常见的一种结构形式。
梁作为承重结构是以它的抗弯能力来承受荷载的,所以对于钢筋混凝土梁桥而言其混凝土材料的较差抗裂性就限制了它的跨越能力
我们拿筷子做类比吧,随便一用力我们就可以把筷子弯曲掰断,但你试试能不能把筷子拉断呢?所以,大多数材料其受弯时,效能就变得很低。
梁桥又分为简支梁、悬臂梁、连续梁、连续刚构和T形刚构
(也有些划分方法中是把刚构体系归类到刚架桥中)

各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_3
简支梁均布载下的弯矩图各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_4
连续梁均布载下弯矩图




1.梁桥结构分类比较
从上面几张图我们可以看出,简支梁是静定体系,在均布荷载作用下,支点弯矩为零,而跨中正弯矩为ql2/8,与跨径成正比级数关系,跨越能力大大受限,目前简支梁的最大跨径仅为50m。
连续梁是超静定体系,在相同跨径下,其支点出现负弯矩将同样是ql2/8的弯矩矢量值整体提升,这样跨中正弯矩就减小了,我们称之为支点的卸载作用
同样道理,T形刚构也是超静定结构,同时我们做成跨中梁减薄、支点梁加高的变截面形式,这样使得其支点的卸载作用更为明显而大大的提高了T形刚构的跨越能力。
而此处没有提到的悬臂梁,实际是简支梁外延伸跨过支座的桥梁形式,所以又称为外伸梁,有单悬臂和双悬臂之分,其跨越能力与简支梁相同。连续刚构介于连续梁和刚构之间,跨越能力也随支点的卸载作用、梁截面形式、材料强度而不尽相同。





2.梁桥截面特性分类比较
下面a 图就是最普通的梁式桥,是受弯为主的结构,右边是它的截面应力分布图,可以看出无论拉应力还是压应力都集中在外缘,而靠近中性轴处几乎为零。也就是说,只要上下边缘达到了极限,整个截面就离破坏不远了,素混凝土梁的破坏荷载仅仅为混凝土的抗拉极限强度,临界裂缝一贯通,梁就被劈裂成两部分,而发生脆性破坏。所以我们配以钢筋来代替混凝土抗拉,于是就有了普通的钢筋混凝土梁。


各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_5

梁桥结构承载模式图

所以,其实混凝土梁既然中间截面几乎为零,它的利用率是极低的,况且还增加自重,那么为什么不把它们省略呢?于是,就有了b 图这种空心梁,减轻了自重,并配以钢筋代替混凝土抗拉,大大提高了构件延性和承载力。
把这个趋势进一步扩大,也就是把原来的梁式结构进一步格构化,我们就得到了c 图桁架结构d 图是它的大致内力分布,红色受拉,蓝色受压。它的截面分布更加合理,上弦杆件受压,下弦杆件受拉,大大减轻结构自重,增大跨越能力。著名的南京长江大桥就是这样的结构形式。


总之
 
梁式桥之所以在桥梁跨越能力中属于弱者,那是由于混凝土这种材料不抗裂、不耐弯所造成的。当然文中也说了,梁桥还分不同的结构形式和不同的材料构筑,所以承载能力也不尽相同。

2015年世界大跨径梁式桥排名
排名
桥梁名称
国家
建成年份
主跨(m
桥型
1
重庆市石板坡长江复线桥
中国
2006
330
连续刚构连续梁混合梁
2
Stolma(斯托尔玛)大桥
挪威
1998
301
预应力混凝土刚构桥
3
拉夫特桑德特桥
挪威
1998
298
预应力混凝土刚构桥
4
巴拉圭河桥
巴拉圭
1979
270
预应力混凝土实腹梁桥
5
虎门大桥辅航道桥
中国
1997
270
双肢薄壁刚构体系



拱桥
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_6

丹河大桥主孔净跨径146米是目前世界上最大跨径的石拱桥各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_7
拱桥竖向作用下受力图 






1.拱桥受力特性
从上面两张受力图示我们可以看出,在竖向荷载作用下梁桥只有向上的约束作用(约束,构件变形不被满足时约束产生),而拱桥在竖向荷载作用下还多了横向推力作用,因此我们很容易解释拱桥是一种受压为主的结构,只要采用受压性能好的材料(石拱桥、圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢桁架拱桥等)都可以建造。

在这里我们要介绍一下钢管混凝土拱桥,它是结构界另一项“三向受压”的典型案例
 各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_8
钢管混凝土拱圈受力图各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_9
钢管混凝土拱桥
钢管混凝土拱桥的主拱圈是在钢管内压筑混凝土,混凝土外面由于有钢管包裹,当主拱圈处于受压状态时,钢管也约束了混凝土的测向变形需求,这样混凝土就处于著名的“三向受压状态”,有试验数据表明,三向受压状态的结构其承载能力较普通钢筋混凝土结构有所提高,而延性却大大增加。






2.拱桥稳定性问题
以受压为主的拱结构还牵扯到一个稳定性问题,也就是说若在均布荷载作用下拱结构的稳定性是比较好的,但是如果出现集中荷载,拱的稳定性就会受到影响了,当然拱桥上怎么会没有集中荷载呢?你开着一张车从桥上飞驰而过,你的车就是桥梁的可变集中荷载。举个例子,你用脚踩放在地上的空易拉罐,很难把它踩碎,但是很容易就把它踩变形或踩扁了。

所以,拱桥的跨越能力受到了稳定性的限制。但由于拱是受压为主的结构其跨中正弯矩不大,所以其跨越能力又大于梁式桥

世界大跨径拱桥排名
排名
桥梁名称
国家
建成年份
主跨(m
桥型
1
朝天门长江大桥
中国
2009
552
钢桁架拱
2
卢浦大桥
中国
2004
550
钢箱拱
3
波司登长江大桥
中国
2011
530
钢管混凝土拱
4
新河谷大桥(New River Gorge Bridge
美国
1977
518
钢桁架拱
5
贝尔桥(Bayonne Bridge
美国
1931
504
钢桁架拱
6
悉尼港桥Sydney Harbour Bridge
澳大利亚
1932
503
钢桁架拱
7
巫山长江大桥
中国
2005
460
钢管混凝土拱
8
明州大桥
中国
2011
450
钢箱拱
9
南广铁路西江大桥
中国
2014
450
钢箱拱
10
沪昆高铁北盘江大桥
中国
2015
445
劲性骨架钢筋混凝土拱



刚架桥



“刚”指的是刚性连接,简单说这样类型的桥其梁与墩、板与立柱都是采用固结方式,也就是两者间没有支座来满足梁的变形需求,两者是共同变形的超静定结构,再者我们一般用“钢”来表达桥的材料属性,我们有钢梁桥、钢拱桥、钢悬索桥,但是我们不会说钢架桥。

刚架桥是一种弯、压组合的结构,现目前刚架桥常用在跨线桥中,比如斜腿刚架桥和门式刚架桥,由于其刚性连接处在实际运用中常出现裂缝问题,而限制了其跨越能力。
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_10

斜腿刚架桥
   各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_11
门式刚架桥

 各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_12
刚架结构受力图
还记得在梁式桥分类中,连续刚构和T形刚构归类到梁桥中,所以最大跨径的刚架桥也可以以刚构桥作为代表,列入“世界最大跨桥梁桥排名”。



总结一下

梁式桥——以受弯为主,跨越能力受到混凝土的抗裂和抗弯能力限制。                
世界最大跨径梁桥代表:重庆石板坡长江复线桥,预应力连续刚构,主跨330m。         
拱式桥——以受压为主,跨越能力受稳定性影响,但跨中弯矩不大,所以跨越能力大于梁桥。
世界最大跨径拱桥代表:重庆朝天门长江大桥,三跨连续钢桁系杆拱,主跨552m。         
刚架桥——以受弯、压为主,跨越能力受刚性连接处的应力限制而跨越能力不大。
        
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_13
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_14
朝天门长江大桥
重庆.190+552+190m,公轨两用飞燕式多肋钢桁架中层式拱桥,目前是世界上最大跨径的拱桥。



斜拉桥 
这里说明一下,有一些书上把斜拉桥和悬索桥统称为缆索承重桥,而有些书上呢认为斜拉桥是组合体系桥,在这里我们将斜拉桥单独列为一类桥型给大家介绍。




1.斜拉桥的结构体系

斜拉桥是由承压的塔、受拉的索和弯承的梁体组合起来的一种结构体系。梁体用拉索组合多点拉住,好似多跨弹性支承的连续梁,可使梁体内弯矩减小,降低了建筑高度,又因栓焊连接与正交异性板的箱形断面构造的应用,使结构充分利用材料的受力特性,从而减轻了结构自重,节省了材料。  
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_15
斜拉桥结构图


 
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_16
斜拉桥受力图




2.斜拉桥的组成
斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成,有独塔、双塔三塔式,索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱,材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。斜拉桥是一种自锚式体系,斜拉索的水平力由梁承受。梁除了支承在墩台上外,还支承在由塔柱引出的斜拉索上。





3.斜拉桥的个别应用案例

各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_17
昂船洲大桥
昂船洲大桥位于香港,是全球第三长的双塔斜拉桥,大桥主跨长1018米,连引道全长为1596米,昂船洲大桥的主塔柱高293米,大桥的通航航道净宽900米,净高73.5米,这使昂船洲大桥的主梁成为世界上最高的主梁之一。
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_18
南浦大桥
南浦大桥是上海继南浦大桥之后建成的跨越黄浦江的第二座斜拉索公路桥,为当时世界主跨径最大的斜拉桥。大桥全长8354米,主跨602米,净高48米,桥下可通5.5万吨巨轮。两侧各有一座倒“Y钻石形主塔,高208米。主桥面宽30.35米,大桥主塔设计要求垂直精度三千分之一,而实际精度为一万五千分之一,相当于208米索塔只有1.39厘米的偏差。
 
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_19
武汉长江二桥
武汉长江二桥全长4678米,其中正桥1877米,主跨400米通航净空为24米,比武汉长江大桥和南京长江大桥的设计标准高出6米,是世界上第一座主塔敦立在深水区的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥
 

总之
 
一般说,斜拉桥跨径300~1000米是合适的,在这一跨径范围,斜拉桥与悬索桥相比,斜拉桥有较明显优势。德国著名桥梁专家F.leonhardt认为,即使跨径1400米的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省二分之一,其造价低30%左右。


世界大跨径斜拉桥桥排名
排名
名称
国家
建成年份
主跨
1
俄罗斯岛大桥
俄罗斯
2012
1104
2
苏通长江大桥
中国
2008
1088
3
昂船州大桥
中国
2009
1018
4
湖北鄂东长江大桥
中国
2010
926
5
多多罗大桥(Tatara)
日本
1999
890
6
诺曼底大桥(Normandy)
法国
1995
856
7
九江长江公路大桥
中国
2013
818
8
荆岳长江大桥
中国
2010
816
9
仁川大桥
韩国
2009
800
10
厦漳大桥北汊桥
中国
2013
780
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_20
俄罗斯岛大桥
俄罗斯岛大桥(Russky Island Bridge)是2012年俄罗斯新建成的跨海大桥,它中央跨度达1104米,总长度为3.1公里,是目前世界上最长的斜拉桥


悬索桥
与轴心拉压相比,我们前面知道受弯是一个效率较低的承载方式。一定程度上,提高结构效能就是尽量的把受弯转化为受拉或者受压。如果同时能够做到尽量减轻结构自重,那就更完美了。拱结构就是转化为受压的例子,但是拱桥有稳定性问题,而悬索桥则是转化为受拉的例子。




1.悬索桥的结构体系
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_21
悬索桥承载模式图 

整个悬索承受同样大小的拉力,整个悬索的拉力由支座处的锚固结构进行平衡。其实这种结构非常好理解,把上图想象成一根晾衣绳,上面晾了11件衣服,而晾衣绳的两端,需要牢固的栓在墙上或者柱子上。很容易理解吧?
所以,悬索桥是通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁,又名吊桥,其实它是一种比较古老的桥型。


早期热带原始人利用森林中的藤、竹、树茎做成悬式桥以渡小溪,使用的悬索有竖直的,斜拉的,或者两者混合的。婆罗洲、老挝、爪哇原始藤竹桥,都是早期悬索桥的雏形。不过具有文字记载的悬索桥雏形,最早的要属中国,直到今天,仍在影响着世界吊桥形式的发展。       


各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_22
悬索桥结构图
 
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_23
悬索桥受力图




2.悬索桥的结构受力

悬索桥的主要构造是:悬索、索塔、锚碇、吊索及桥面
悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。悬索的几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线,老的悬索桥的悬索一般是铁链或联在一起的铁棍,现代的悬索一般是多股高强钢丝,材料利用效率最高,悬索桥的自重较轻,在刚度满足使用要求的情况下,能充分显示出其优越性,使其比其他形式的桥梁更能经济合理地运用于大跨度桥梁的修建。

索塔主要承受拉力,并不像斜拉桥那样对梁有横向压力,它是以竖向拉力为主,其稳定性优于斜拉桥,所以塔架结构可以做得纤细些,此外悬索对塔架还有一定的稳定作用,塔顶设有支承悬索的鞍形支座。

承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中,也有个别固定在刚性梁的端部,这使悬索桥比起其他桥型又多了一个巨大的帮手,因此其跨越能力有了较大提升,同时其对地基的要求也较高,地基条件不好时采用悬索桥其经济性就没那么优异了。

从缆索垂下许多吊索,把桥面吊住,又是一种多点弹性支承的梁,为了避免在车辆驶过时,桥面随着悬索一起变形,现代悬索桥一般均设有刚性梁(又称加劲梁),同缆索一同形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。
总之
 
悬索桥的受力特征是:荷载由吊索传至锚墩,传力途径简捷、明确。悬索桥的特点是:构造简单,受力明确;跨径愈大,材料耗费愈少、桥的造价愈低。悬索桥可以造得比较高,容许船在下面通过,在造桥时没有必要在桥中心建立临时的桥墩,因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。悬索桥比较灵活,因此它适合抗风和地震区的需要,比起普通的桥,悬索桥在这些地区必须更加坚固和沉重。   

1998年建成的日本明石海峡桥跨径为1991米,是目前世界上跨径最大的桥梁。如用自重轻、强度很大的碳纤维作主缆理论上其极限跨径可超过8000米。



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,需注意采取相应的措施。按照桥面系的刚度大小,悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。
  • 悬索桥的悬索锈蚀后不易更换。
  • 当然,制约悬索桥跨度和安全性能的不仅仅是竖向荷载,还有侧向的抗风设计。1940年,美国塔克马海峡大桥在极强风荷载中坍塌,引起了工程学界对抗风设计的重视,虽然这座桥如今早已安然于海洋深处,但它的倒塌为悬索桥的贡献奠定了不可估量的研究基础。今天的悬索桥,技术水平已经达到了很高的程度。目前最长跨度的日本明石海峡大桥,主跨1991m。其原设计为1990m,但1995年的阪神大地震震中距大桥只有4公里,导致正在建设中的两侧桥塔之间的水平距离增加了1m。

 
 
 
 
 
 
 
 
大跨径能力比较
斜拉桥
悬索桥
  • 缆索(斜拉索或悬索+吊索)承重结构,给梁增加了一个帮手, 
  • 把梁分成若干多点弹性支承体
  • 采用高强材料大大提高跨越能力
  • 通过缆索将荷载传递给塔,塔传递给地基
  • 主梁以承受斜向拉力为主
  •  主梁以承受竖向拉力为主,稳定性好于斜拉桥。

  • 抗变形能力、抗风稳定性优于斜拉桥。
跨越能力
更优
世界大跨径悬索桥排名
排名
名称
国家
建成年份
主跨
1
明石海峡大桥(Akashi)
日本
1998
1991
2
西堠门大桥
中国
2008
1650
3
大带桥(Great Belt)
丹麦
1997
1624
4
润扬大桥
中国
2005
1490
5
亨伯桥(Humber)
英国
1981
1410
6
江阴长江桥
中国
1999
1385
7
青马大桥(Tsing yin)
中国
1997
1377
8
维拉扎诺桥(Verrazano)
美国
1964
1298
9
金门大桥
美国
1937
1280
10
海依靠斯特(Kusten)
瑞典
1998
1210
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_24
明石海峡大桥
明石海峡大桥位于日本本州与四国之间,连接日本神户淡路岛之间跨海公路大桥,它跨越明石海峡,是世界上跨距最大的桥梁及悬索桥。桥墩跨距1991m,宽35m,两边跨距各为960m,可承受芮氏规模8.5强震百年一遇的80米/秒强烈台风袭击。


组合体系桥


组合体系桥不外乎基本结构体系的组合,如梁、拱组合,系杆拱、桁架拱、多跨拱梁等。它们利用梁的受弯与拱的承压特点组合成联合结构。
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_25
魁北克桥
魁北克桥(Quebec Bridge位于魁北克城西部,横穿圣劳伦斯河Saint Lawrence River)。该桥长987米,宽29米,高104米,桥悬臂长177米,支撑着长195米的中心结构,整个总臂距为549米。这些数据证明了一个事实,即魁北克桥是目前世界上悬臂桥中桥跨最长的。
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_26
福斯桥
福斯桥跨越苏格兰福斯河,是世界上最长的多跨悬臂桥。该铁路桥于1890年启用,至今仍在通行客货火车。在铁路作为长途陆路运输主要手段的年代,福斯桥是桥梁设计和建筑史上的一个里程碑。
各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_27
梦舞大桥
梦舞大桥位于日本大阪府,桥长410米(浮跨部分),是世界上第一座转动开启式浮桥,其主跨是由上下弦不平行的双肋拱、加劲主梁、立柱和K字形横撑等组成的拱式结构,桥的主跨由两个浮于水中的浮台支承,两端在水中桥墩处利用反力壁通过缓冲连接梁与引桥顺接。主跨的制造是在船坞内焊接、安装和架设形成整体,然后下水,利用驳船(拖船)拖曳至桥位处联接成桥。

总结一下
1.梁式桥——以受弯为主,跨越能力受到混凝土的抗裂和抗弯能力限制。                 
世界最大跨径梁桥代表:重庆石板坡长江复线桥,预应力连续刚构,主跨330m。  
2.拱式桥——以受压为主,跨越能力受稳定性影响,但跨中弯矩不大,所以跨越能力大于梁桥。
世界最大跨径拱桥代表:重庆朝天门长江大桥,三跨连续钢桁系杆拱,主跨552m。         
3.刚架桥——以受弯、压为主,跨越能力受刚性连接处的应力限制而跨越能力不大。
4.斜拉桥——由斜拉索将梁分成若干多点弹性支承体,荷载传由主塔,传至地基,高效利用高强材料,是现代大跨径桥梁常用的结构形式,但优势弱于悬索桥。
世界最大跨径斜拉代表:俄罗斯岛大桥,主跨1104m。
5.悬索桥——由锚固于两岸地基的主缆悬索作为主要承重结构,吊索将梁分成若干多点弹性支承体,荷载传由主塔,传至地基,高效利用高强材料,抗风稳定性好,体现现代最大跨径桥梁的绝对优势。
世界最大跨径斜拉代表:日本明石海峡大桥,主跨1991m。 
来源:路桥工程设计
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 发表于2021-10-08   |  只看该作者      

2

各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解

 发表于2021-10-08   |  只看该作者      

3

清平平老师的资料真好各类桥梁跨越能力大比拼,图文详解_1

 发表于2021-10-09   |  只看该作者      

4

分析的很到位

清平平老师

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