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梁式桥

/girder bridge/
条目作者袁国干吴培峰陈艾荣葛耀君
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吴培峰

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陈艾荣

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葛耀君

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最后更新 2023-05-30
浏览 421
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以受弯为主的梁作为主要承重构件的桥梁。简称梁桥。

英文名称
girder bridge
简称
梁桥
所属学科
土木工程

在垂直荷载作用下,支座只产生竖直反力而无水平推力。梁式桥是最古老的桥型之一,因构造简单和施工方便而被广泛采用。

梁式桥按结构体系可以分为简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、刚架桥、T形刚构桥、连续刚构桥和索辅梁桥等。

主梁简支于桥梁墩台的梁式桥。是受力最简单的静定结构,跨中弯矩最大(图1)。跨径增大时,主梁内力急剧增大,因而仅适用于中小跨径。简支梁特点是主梁内力不受墩台变位影响,故可用于地基不良的场合;各孔单独受力,如一孔破坏不影响邻孔;构造简单、施工方便,可做成标准设计,以使构件制造工业化、标准化,并可保证质量、降低造价、缩短工期。简支梁桥现多采用预制装配方法施工,即先分片(段)预制主梁,再逐孔架设装配成桥。

图1 简支梁桥图1 简支梁桥

中国最早建成的预应力混凝土简支梁桥,是1956年建成的跨径23.9米的东陇海铁路新沂河桥,及跨径20米的京周(北京周口店)公路哑巴河桥,均为装配式T梁桥。中国预应力混凝土简支梁桥跨度最大者为1997年建成的云南昆明南过境干道高架箱梁桥,跨度63米。1937年建成的钱塘江大桥是中国自行设计并建造的第一座现代公铁两用钢桁架简支梁桥,主跨65.84米。1969年建成的成昆铁路三堆子金沙江单线铁路桥,跨度192米,是中国钢桁简支梁桥中跨度最大者。截至2017年,世界上混凝土简支梁桥的最大跨度是于1977年建成的跨度为76米的奥地利阿尔姆桥,采用双向预应力,跨中梁高仅2.5米。

将简支梁向一端或两端伸出悬臂的桥梁。又称伸臂梁桥。有单悬臂梁桥(图2a)和双悬臂梁桥(图2b)两种型式。由于支点负弯矩的卸载,使锚固孔正弯矩显著减小,内力沿跨长的分布较为均匀,这对恒载占主要比例的公路桥和大跨度桥梁是有利的。悬臂梁桥亦为静定结构,也适用于地质不良的地区。结构整体刚度不如连续梁大,悬臂端挠度较大,易形成折角。这些都限制了悬臂梁桥的应用。预应力混凝土悬臂梁桥适合于采用平衡悬臂法(浇筑或拼装)施工,但同连续梁一样,必须在支点处采取临时固结措施。

图2 单悬臂梁桥和双悬臂梁桥示意图图2 单悬臂梁桥和双悬臂梁桥示意图

中国首座钢筋混凝土悬臂梁桥,系1922年建成的主跨36.58米的上海四川路桥。1964年建成首座钢筋混凝土箱形悬臂梁桥——广西南宁邕江公路桥,主跨55米。1965年建成的重庆嘉陵江公路桥,是主跨88米的钢桁架双悬臂梁桥,挂孔跨径48米。世界上预应力混凝土悬臂梁桥的最大跨径为220米,系1976年建成的阿根廷—乌拉圭的弗赖–本托斯桥。世界上钢桁架悬臂梁桥的最大跨径为1918年建成的加拿大魁北克桥,主跨548.6米。

主梁在各支点上不间断地连续通过的梁式桥。是超静定结构,跨中正弯矩最大而支点负弯矩(绝对值)最大。由于支点负弯矩的卸载,使跨中正弯矩比同跨简支梁显著减小,且弯矩分布较均匀(图3)。当跨度较大,恒载占总荷载的比例较大时,采用连续梁便可节省材料,故适用于大、中跨径。连续梁整体刚度大,利于高速行车;动力性能好;一孔破坏时,邻孔可予支持而不坠落;基础不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩徐变及预加应力等均会产生附加内力,多用于基础良好的场合。连续梁桥常采用多孔一联,并在联端设置大变形量伸缩装置。

图3 连续梁桥图3 连续梁桥

中国首座跨度超百米的预应力混凝土连续梁桥是1985年建成的主跨111米的湖北省沙洋汉江公路大桥。中国第一座跨越长江的公铁两用钢桁架连续梁桥是1957年建成的主跨128米的武汉长江大桥。1968年建成的南京长江大桥,是中国首次自主设计、制造和施工的大型公铁两用钢桁架连续梁桥,主跨160米。2001年建成的南京长江二桥北汊桥为当时此类桥型最大者,主跨165米。世界上预应力混凝土连续梁桥的跨度纪录为1994年建成的挪威瓦罗德2号公路桥,跨度260米。钢箱连续梁桥的跨度纪录为1974年建成的巴西瓜纳巴拉湾公路桥,跨度300米。钢桁架连续梁桥的跨度纪录为1966年建成的美国阿斯托里亚公路桥(跨度375.6米)和1991年建成的日本小林池子桥(跨度400米)。

主要承重结构采用刚架的桥梁。又称刚构桥。刚架的腿形成桥的墩(台)身,刚架的梁形成桥跨结构。梁与腿刚性连接,其间无须设置桥梁支座,可用钢、钢筋混凝土或预应力混凝土建造。

当腿和梁垂直相交呈门架形,简称门架桥。因腿所分担的弯矩随腿和梁的刚度比率的提高而增大,这样可适当降低梁高,适用于在建筑高度受限处建造跨线桥(见立交桥)。主要形式有:单跨门架桥、双悬臂单跨门架桥、多跨门架桥和三跨两腿门架桥。

当腿斜置时,两腿和梁中部的轴线大致呈拱形,简称斜腿刚架桥,这样,腿和梁所受的弯矩比同跨度的门式刚架桥显著减小,而轴向压力有所增加。同上承式拱桥相比,斜腿刚架桥不需要拱上建筑,构件数目较少。当桥面较窄(如单线铁路桥)而跨度较大时,可将其斜腿在桥的横向放坡,以保证桥的横向稳定。采用钢建造的斜腿刚架桥,腿脚处常设铰。斜腿刚架桥可用于跨度不大的跨线桥,也可用于大跨度桥,尤其是山区的跨谷桥。

悬伸的主梁和桥墩固结,形成T字形刚构,即为T形刚构桥,简称T构。T构间以挂孔相连即成带挂孔T构桥(图4a),为静定结构。两个T构悬臂端以只传递剪力不传递弯矩和轴力的剪力铰连接即成带剪力铰T构桥(图4b),为超静定结构。T构不需在大跨度时设置昂贵的大型支座,经济性较好。但伸缩缝较多,主梁悬臂端易下挠形成折角,对高速行车不利,因此现已很少使用。除采用箱形主梁外,也可用预应力混凝土桁架做成T构桥,以综合发挥桁架和T构的优点。

图4 T构桥图4 T构桥

1965年,中国首次采用悬臂拼装法建成的预应力混凝土T构桥,为主跨50米的河南汤阴五陵卫河窄轨铁路桥(带铰T构)和主跨33米的江苏盐河公路桥(带挂孔T构)。中国T构桥的跨度纪录是1980建成的主跨174米(挂孔35米)的重庆长江大桥。世界上T构桥的跨度纪录是1997年建成的主跨250米(带挂孔)的加拿大联邦大桥,全长13千米。

将连续的主梁与柔性桥墩固结或将T形刚构桥的挂孔和剪力铰固结即成连续刚构桥(图5)。其上部结构主要具有连续梁的受力特点,并综合了T构和连续梁的优点,如节省支座、方便悬臂施工等。适用于大跨、高墩场合。多跨连续刚构桥多采用抗压刚度较大而沿桥轴线方向水平抗推刚度较小的双薄壁或单薄壁柔性墩,在通航繁忙的河流上,必须采取措施防止(或抵抗)薄壁墩遭受船舶的撞击。连续刚构桥可以采用一联多孔布置。对联长较大的连续刚构桥,可在若干中间孔以剪力铰或简支挂梁相连;或可采用连续刚构-连续梁组合体系。

图5 连续刚构桥图5 连续刚构桥

1988年建成的主跨180米的广东广州洛溪大桥是中国第一座预应力混凝土连续刚构桥,此后该桥型在中国得到迅速发展。1997年建成的虎门大桥副航道桥,主跨270米。1998年挪威建成了斯托尔马桥,主跨301米。2006年中国在重庆修建的石板坡长江大桥复线桥,通过108米中段的钢箱梁减轻自重,将连续刚构桥的跨径记录提高到了330米。

索辅梁桥又称部分斜拉桥或矮塔斜拉桥。其主梁梁高(刚度)较大,塔较矮,斜拉索的贡献相对较小,斜拉索如同主梁的体外预应力索,受力以梁为主、斜拉索为辅,故仍归入梁式桥类型(图6)。其构造、跨径和用材均介于连续梁桥和普通斜拉桥之间,多用于建筑高度受限制地区。

图6 索辅梁桥图6 索辅梁桥

2000年建成的主跨312米的安徽芜湖长江大桥,是中国第一座索辅梁桥,也是世界跨度最大的公铁两用索辅梁桥。日本已建成十多座索辅梁桥,跨径最大者为2001年建成的主跨275米的木曾川桥。

梁式桥按主梁构造不同可分为实腹梁桥、空腹梁桥(桁架梁桥)和组合梁桥。

腹板为实体的钢腹板或混凝土腹板的梁式桥(图7)。其构造简单,施工、维修方便,因此应用广泛。但是,其横截面主要由弯矩决定,而弯矩大小与跨度的平方成正比(均布荷载作用),跨度较大时,主梁截面积和自重较大,而其腹板上的平均法向应力不大,材料利用不充分,因此跨度受到一定限制。实腹梁桥主要采用预应力混凝土梁、钢筋混凝土梁、钢箱梁和钢板梁等。实腹梁桥的横截面形式有板式截面、肋梁式截面和箱形截面3种。

图7 实腹梁桥图7 实腹梁桥

腹板为非实体的桁架杆件的梁式桥(图8)。其桁架杆件基本只承受轴向力,材料利用充分,自重较轻,跨越能力较强、刚度较大。一般采用钢材建造,也可采用预应力混凝土或钢筋混凝土,但应用较少。钢桁架梁桥中杆件与节点板的连接方式有铆接、栓接和焊接等,以栓接(包括高强螺栓连接)和焊接为主。

图8 空腹梁桥图8 空腹梁桥

预应力混凝土或钢筋混凝土桥面板与钢板梁、钢箱梁或钢桁梁结合的梁式桥(图9)。也可采用上、下缘预应力混凝土板或钢筋混凝土板,中间用波形钢板或钢桁腹杆进行组合。

图9 组合梁桥图9 组合梁桥

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