桥梁结构分析
桥梁结构分析
摘要：设计桥梁可有多种结构形式选择：石料和混凝土梁式桥只能跨越小河；若以受压的拱圈代替受弯的梁，拱桥就能跨越大河和峡谷；若采用钢桁架可建造重载铁路大桥；若采用主承载结构受拉的斜拉桥和悬索桥，不仅轻巧美观，而且是飞越大江和海峡特大跨度桥梁的优选形式。
关键词：梁式桥，拱式桥，悬索桥，桁架桥，斜拉桥
著名桥梁专家潘际炎说：“海洋，是孕育地球生命的产床；河流，是孕育人类文明的摇篮；而桥，则是联系人类文明的纽带。”这纽带越来越宏伟，越来越精致，越来越艺术！建国以
来中国的桥梁工程事业飞速发展。随着时代前进的步伐,人们对桥梁工程提出了更高的要求，对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。桥梁工程无论是现在还是以后都不会停步的，它的发展前景会更广阔。通过半个学期的结构力学的学习，我对桥梁结构及他们的受力特点有了一定的认识。理论联系实际，我通过对各种结构的对比分析，进一步加深了印象，对以后的学习奠定了基础。 1.梁式桥
工程实例——洛阳桥，又称万安桥，在福建泉州市区东北郊洛阳江入海处，该桥是举世闻名的梁式海港巨型石桥,为国家重点文物保护单位，为国家重点文物保护单位。 梁式桥的主梁为主要承重构件，受力特点为主梁受弯。梁式桥的上部结构在铅垂荷载作用下，支点只产生竖向反力，支座反力较大，桥的跨中处截面弯矩很大。所以由于这种特性，梁式桥的跨度有限。简支梁桥合理最大跨径约 20 米，悬臂梁桥与连续梁桥合宜的最大跨径约 60-70 米。采用钢筋砼建造的梁桥能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观；这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。但是由于制造梁式桥的材料多为石料与混凝土，随跨度的增加其自重的增加也比较显著。因此梁式桥广泛用于中、小跨径桥梁中。
结构本身的自重大，约占全部设计荷载的30%至60%，且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。随着跨度的增大，桥的内力也会急剧增大，混凝土的抗弯能力很低，较难满足强度要求。弯矩产生的正应力沿横截面高度呈三角分布，中性轴附近应力很小，没有充分利用材料的强度。
2.拱式桥
工程实例——赵州桥，坐落在河北省赵县洨河上。建于隋代，由著名匠师李春设计和建造，距今已有约1400年的历史，是当今世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。1961年被国务院列为第一批全国重点文物保护单位。因赵州桥是重点文物，通车易造成损坏，所以不允许车辆通行。
拱式桥拱肋为主要承重构件，受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。从几何构造上讲，拱式结构可以分为三铰拱、两铰拱和无铰拱。分析三角拱的受力特点，在竖向荷载下，三角拱存在水平推力，因此，三角拱横截面的弯矩小于简支梁的弯矩。弯矩的降低，拱能更充分的发挥材料的作用，当跨度较大、荷载较重时，采用拱比采用梁更为经济合理。
在竖向荷载下，三角拱有很大的轴力，且一般为压力。拱式结构的静力特征，决定了与梁相比用材节省，自重减轻，并且可有较大的跨度。实际中还可以用合理拱轴线作为拱的轴线，使拱的受力状态接近于无弯矩状态。由于拱体主要承受轴向压力，故可利用砖、石、混凝土等抗压性能好而又相对廉价的材料建造。此外，拱式结构有利于营造曲线美，并能提供较大的使用空间。
但另一方面，由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造价；在平原区修拱桥，由于建筑高度较大，使两头的接线工程和桥面纵坡量增大，对行车极为不利。且为曲线结构，是的三角拱的施工比简支梁复杂。
3.桁架桥
工程实例——钱塘江大桥位于浙江省杭州市西湖之南，六和塔附近的钱塘江上，由桥梁专
(c)
(a)
(b)
家茅以升主持设计，是我国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥，该桥为上下双层钢结构桁梁桥，全长1453米，宽9.1米，高7.1米。
与梁和刚架相比，当荷载仅作用在结点上时，桁架杆件只承受轴力，没有弯矩和剪力，应
折弦桁架的内力分布均匀，
因而在材料使用上最为经济。但是构造上有缺点。上弦杆在每一结点处均转折而须设置接头，故构造较复杂。不过在大跨度桥梁(例如100～150 m)及大跨
三角形桁架的内力分布也不均匀，弦杆内力在两端最大，且端结点处夹角甚小，构造布置较为困难。但是，其两斜面符合屋顶构造需要，故只在屋架中采用。
4.悬索桥
工程实例——润扬长江大桥。大桥建设创造了多项国内第一，综合体现时下我国公路桥梁建设的最高水平。当时润扬长江大桥的国内第一：大桥南汊悬索桥主跨1490米，为中国第一世界第三大跨径悬索桥；悬索桥主塔高227.21米，为国内第一高塔；悬索桥主缆长2600米，为国内第一长缆；大桥钢箱梁总重34000吨，为国内第一重；钢桥面铺装面积达71400平方米，为国内第一大面积钢桥面铺装；悬索桥锚碇锚体浇铸混凝土近6万立方米，为国内第一大锚碇。
悬索结构是由一系列受拉的索作为主要承重构件，并依靠索的拉力维持稳定的柔性结构。悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力，它的结构可以做得相当纤细，悬索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。由于索是柔软的，其抗弯刚度可以忽略，索横截面的弯矩和剪力为零，只有轴向的拉力作用。此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在计算时忽视悬索的重量的话，那么悬索形成一个双曲线。这样计算悬索桥的过程就变得非常简单了。
相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。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暂时的桥墩，因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。
但它也有许多缺点。悬索桥的坚固性不强，在大风情况下交通必须暂时被中断。悬索桥不宜作为重型铁路桥梁悬索桥的塔架对地面施加非常大的力，因此假如地面本身比较软的话，塔架的地基必须非常大和相当昂贵。悬索桥的悬索锈蚀后不容易更换。
5.斜拉桥
工程实例——南京长江第二大桥。南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨为628米；北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥，桥长2158.4米，主跨为3×165米，该跨径在国内亦居领先。
梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。受力特点为外荷载从梁传递到索，再到索塔。由于斜拉桥的梁体尺寸较小，可以使桥梁的跨越能力增大。而且斜拉桥受桥下净空和桥面标高的限制小，可以提供很大的使用空间。它的主要材料为预应力 钢索、混凝土、钢材，适宜于中等或大型桥梁。
斜拉桥的梁体尺寸较小，钢材和混凝土的用量均较省，桥梁的跨越能力增大。斜拉索的水平拉力相当于对混凝土梁施加的预压力，有助于提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性。建筑高度小，能充分满足桥下净空与美观要求，并能降低引道填土高度。竖向刚度和抗扭刚度均较强，抗风稳定性要好，用钢量小。抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。但它的缺点在于，由于是多次超静定结构，计算复杂，索与梁或塔的连接构造比较复杂，施工中高空作业较多，且技术要求严格。
5.小结
在相同的跨度和荷载下，不同结构有不同的受力形式。 .
在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定
多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架和采用合理拱轴线的三铰拱弯矩 为零。由于这些受力特点，在实际工程中，简支梁多用于小跨度结构，简支刚架 应用较少；外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构可用于跨度较大的结
在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定 多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架
在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架和采用合理拱轴线的三铰拱弯矩为零。由于这些受力特点，在实际工程中，简支梁多用于小跨度结构，简支刚架应用较少；外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构可用于跨度较大的结构；当跨度更大时，多采用桁架和具有合理拱轴线的拱。 上面从受力状态的角度比较了不同结构形式的力学特点，另外，从构造、施工角度，不构形式都有各自的优点与缺点。简支梁虽然具有弯矩大且弯矩分布不均匀的缺点，但由于构造简单，施工方便，所以简支梁在工程中仍有广泛的应用。桁架和三铰拱虽然具有可以实现无弯矩状态的受力合理的优点，但桁架内部结点多且构造复杂，三铰拱要求基础具有较强的承受水平推力的能力且拱轴线为曲线，因而增加了制作与施工上的困难。在结构设计中，选取结构形式应综合考虑跨度、施工条件等因素，进行多方面的分析和比较。
随着我国经济的发展，桥梁会得到愈来愈多的重视，各种结构的桥梁也会相继出现。桥梁不仅是一座建筑物，也是一座艺术品。通过对桥梁结构的分析，我越发感觉到，只有拥有扎实的基础，才会在未来的工作中如鱼得水，才能在实践中不断创新，取得成功。
桥梁结构分析
桥梁结构分析
摘要：设计桥梁可有多种结构形式选择：石料和混凝土梁式桥只能跨越小河；若以受压的拱圈代替受弯的梁，拱桥就能跨越大河和峡谷；若采用钢桁架可建造重载铁路大桥；若采用主承载结构受拉的斜拉桥和悬索桥，不仅轻巧美观，而且是飞越大江和海峡特大跨度桥梁的优选形式。
关键词：梁式桥，拱式桥，悬索桥，桁架桥，斜拉桥
著名桥梁专家潘际炎说：“海洋，是孕育地球生命的产床；河流，是孕育人类文明的摇篮；而桥，则是联系人类文明的纽带。”这纽带越来越宏伟，越来越精致，越来越艺术！建国以
来中国的桥梁工程事业飞速发展。随着时代前进的步伐,人们对桥梁工程提出了更高的要求，对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。桥梁工程无论是现在还是以后都不会停步的，它的发展前景会更广阔。通过半个学期的结构力学的学习，我对桥梁结构及他们的受力特点有了一定的认识。理论联系实际，我通过对各种结构的对比分析，进一步加深了印象，对以后的学习奠定了基础。 1.梁式桥
工程实例——洛阳桥，又称万安桥，在福建泉州市区东北郊洛阳江入海处，该桥是举世闻名的梁式海港巨型石桥,为国家重点文物保护单位，为国家重点文物保护单位。 梁式桥的主梁为主要承重构件，受力特点为主梁受弯。梁式桥的上部结构在铅垂荷载作用下，支点只产生竖向反力，支座反力较大，桥的跨中处截面弯矩很大。所以由于这种特性，梁式桥的跨度有限。简支梁桥合理最大跨径约 20 米，悬臂梁桥与连续梁桥合宜的最大跨径约 60-70 米。采用钢筋砼建造的梁桥能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观；这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。但是由于制造梁式桥的材料多为石料与混凝土，随跨度的增加其自重的增加也比较显著。因此梁式桥广泛用于中、小跨径桥梁中。
结构本身的自重大，约占全部设计荷载的30%至60%，且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。随着跨度的增大，桥的内力也会急剧增大，混凝土的抗弯能力很低，较难满足强度要求。弯矩产生的正应力沿横截面高度呈三角分布，中性轴附近应力很小，没有充分利用材料的强度。
2.拱式桥
工程实例——赵州桥，坐落在河北省赵县洨河上。建于隋代，由著名匠师李春设计和建造，距今已有约1400年的历史，是当今世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。1961年被国务院列为第一批全国重点文物保护单位。因赵州桥是重点文物，通车易造成损坏，所以不允许车辆通行。
拱式桥拱肋为主要承重构件，受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。从几何构造上讲，拱式结构可以分为三铰拱、两铰拱和无铰拱。分析三角拱的受力特点，在竖向荷载下，三角拱存在水平推力，因此，三角拱横截面的弯矩小于简支梁的弯矩。弯矩的降低，拱能更充分的发挥材料的作用，当跨度较大、荷载较重时，采用拱比采用梁更为经济合理。
在竖向荷载下，三角拱有很大的轴力，且一般为压力。拱式结构的静力特征，决定了与梁相比用材节省，自重减轻，并且可有较大的跨度。实际中还可以用合理拱轴线作为拱的轴线，使拱的受力状态接近于无弯矩状态。由于拱体主要承受轴向压力，故可利用砖、石、混凝土等抗压性能好而又相对廉价的材料建造。此外，拱式结构有利于营造曲线美，并能提供较大的使用空间。
但另一方面，由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造价；在平原区修拱桥，由于建筑高度较大，使两头的接线工程和桥面纵坡量增大，对行车极为不利。且为曲线结构，是的三角拱的施工比简支梁复杂。
3.桁架桥
工程实例——钱塘江大桥位于浙江省杭州市西湖之南，六和塔附近的钱塘江上，由桥梁专
(c)
(a)
(b)
家茅以升主持设计，是我国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥，该桥为上下双层钢结构桁梁桥，全长1453米，宽9.1米，高7.1米。
与梁和刚架相比，当荷载仅作用在结点上时，桁架杆件只承受轴力，没有弯矩和剪力，应
折弦桁架的内力分布均匀，
因而在材料使用上最为经济。但是构造上有缺点。上弦杆在每一结点处均转折而须设置接头，故构造较复杂。不过在大跨度桥梁(例如100～150 m)及大跨
三角形桁架的内力分布也不均匀，弦杆内力在两端最大，且端结点处夹角甚小，构造布置较为困难。但是，其两斜面符合屋顶构造需要，故只在屋架中采用。
4.悬索桥
工程实例——润扬长江大桥。大桥建设创造了多项国内第一，综合体现时下我国公路桥梁建设的最高水平。当时润扬长江大桥的国内第一：大桥南汊悬索桥主跨1490米，为中国第一世界第三大跨径悬索桥；悬索桥主塔高227.21米，为国内第一高塔；悬索桥主缆长2600米，为国内第一长缆；大桥钢箱梁总重34000吨，为国内第一重；钢桥面铺装面积达71400平方米，为国内第一大面积钢桥面铺装；悬索桥锚碇锚体浇铸混凝土近6万立方米，为国内第一大锚碇。
悬索结构是由一系列受拉的索作为主要承重构件，并依靠索的拉力维持稳定的柔性结构。悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力，它的结构可以做得相当纤细，悬索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。由于索是柔软的，其抗弯刚度可以忽略，索横截面的弯矩和剪力为零，只有轴向的拉力作用。此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在计算时忽视悬索的重量的话，那么悬索形成一个双曲线。这样计算悬索桥的过程就变得非常简单了。
相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。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暂时的桥墩，因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。
但它也有许多缺点。悬索桥的坚固性不强，在大风情况下交通必须暂时被中断。悬索桥不宜作为重型铁路桥梁悬索桥的塔架对地面施加非常大的力，因此假如地面本身比较软的话，塔架的地基必须非常大和相当昂贵。悬索桥的悬索锈蚀后不容易更换。
5.斜拉桥
工程实例——南京长江第二大桥。南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨为628米；北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥，桥长2158.4米，主跨为3×165米，该跨径在国内亦居领先。
梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。受力特点为外荷载从梁传递到索，再到索塔。由于斜拉桥的梁体尺寸较小，可以使桥梁的跨越能力增大。而且斜拉桥受桥下净空和桥面标高的限制小，可以提供很大的使用空间。它的主要材料为预应力 钢索、混凝土、钢材，适宜于中等或大型桥梁。
斜拉桥的梁体尺寸较小，钢材和混凝土的用量均较省，桥梁的跨越能力增大。斜拉索的水平拉力相当于对混凝土梁施加的预压力，有助于提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性。建筑高度小，能充分满足桥下净空与美观要求，并能降低引道填土高度。竖向刚度和抗扭刚度均较强，抗风稳定性要好，用钢量小。抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。但它的缺点在于，由于是多次超静定结构，计算复杂，索与梁或塔的连接构造比较复杂，施工中高空作业较多，且技术要求严格。
5.小结
在相同的跨度和荷载下，不同结构有不同的受力形式。 .
在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定
多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架和采用合理拱轴线的三铰拱弯矩 为零。由于这些受力特点，在实际工程中，简支梁多用于小跨度结构，简支刚架 应用较少；外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构可用于跨度较大的结
在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定 多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架
在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架和采用合理拱轴线的三铰拱弯矩为零。由于这些受力特点，在实际工程中，简支梁多用于小跨度结构，简支刚架应用较少；外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构可用于跨度较大的结构；当跨度更大时，多采用桁架和具有合理拱轴线的拱。 上面从受力状态的角度比较了不同结构形式的力学特点，另外，从构造、施工角度，不构形式都有各自的优点与缺点。简支梁虽然具有弯矩大且弯矩分布不均匀的缺点，但由于构造简单，施工方便，所以简支梁在工程中仍有广泛的应用。桁架和三铰拱虽然具有可以实现无弯矩状态的受力合理的优点，但桁架内部结点多且构造复杂，三铰拱要求基础具有较强的承受水平推力的能力且拱轴线为曲线，因而增加了制作与施工上的困难。在结构设计中，选取结构形式应综合考虑跨度、施工条件等因素，进行多方面的分析和比较。
随着我国经济的发展，桥梁会得到愈来愈多的重视，各种结构的桥梁也会相继出现。桥梁不仅是一座建筑物，也是一座艺术品。通过对桥梁结构的分析，我越发感觉到，只有拥有扎实的基础，才会在未来的工作中如鱼得水，才能在实践中不断创新，取得成功。