关于桥梁工程

2021-09-14 13:40:19

一、桥梁工程

第一座桥梁是大自然建造的——就像一根木头从溪流上掉下来一样简单。人类建造的第一座桥梁是原木或木板横跨在上面后来就是石头,使用简单的支撑和横梁制成。大多数这些早期的桥梁都不能支撑重物或承受强流正是这些不足才使的桥梁有了更好的发展。中国现存最古老的石桥是赵州桥,建于公元595年至605年的隋朝。这座桥也具有重要的历史意义,因为它是世界上最古老的拱肩石拱桥。第一本关于桥梁工程的书由 Hubert Gautier 1716 年撰写。随着 19 世纪的工业革命,为大型桥梁开发了锻铁桁架系统,但是铁不能支撑大载荷的抗拉强度。随着具有高抗拉强度的钢材的出现,建造了更大的桥梁,其中许多都采用了古斯塔夫·埃菲尔的想法。

二、桥梁类型

以下是基于支撑机制的 5 种主要桥梁类型:

1. 梁桥:

它是最常见和最基本的桥梁类型。在最简单的形式中,横跨小溪的原木是梁桥的一个例子。两种最常见的梁是用于钢梁桥的工字梁和箱形梁。检查工字梁的横截面说明了它的名字。中间的垂直板称为腹板,顶板和底板称为翼缘。

箱形梁呈箱形。典型的箱梁有两个腹板和两个翼缘。然而,在某些情况下,有两个以上的腹板,形成一个多室箱梁。简单大梁的其他示例包括p大梁,因其与p的数学符号相似而得名,以及 T 形大梁。由于现在大多数梁桥都是用箱形梁或工字梁建造的,我们将跳过这些罕见情况的细节。

工字梁的设计和建造非常简单,并且在大多数情况下工作得很好。但是,如果桥梁包含任何曲线,梁就会受到扭转力,也称为扭矩。在箱形梁中添加的第二个腹板增加了稳定性并增加了对扭转力的抵抗力。这使得箱形梁成为具有任何显着曲线的桥梁的理想选择。更稳定的箱形梁也能够跨越更远的距离,并且通常用于更长的跨度,其中工字梁不够坚固或稳定。然而,箱梁的设计和制造比工字梁要困难得多。例如,为了焊接箱梁的内缝,人类或焊接机器人必须能够在箱梁内部进行操作。

2.拱桥:

拱桥是构成经典建筑的桥梁类型,是继梁桥之后最古老的桥梁。与简单的梁桥不同,拱门非常适合使用石头。由于拱门不需要中心的桥墩,因此拱门是穿越山谷和河流的好选择。拱门可以是最美丽的桥梁类型之一。拱门采用弯曲结构,可提供高抗弯曲力。拱只能用于地面或基础坚固稳定的地方,因为与梁桥和桁架桥不同,拱的两端都固定在水平方向上(即支座不允许水平移动)。因此,当在桥上放置负载时(例如,一辆汽车从桥上经过),拱的支座中会出现水平力。像桁架一样,在结构上,有四种基本的拱型桥梁:无铰链,双铰链,三铰,系拱门。

无铰链拱不使用铰链,并且不允许在基础上旋转。因此,在地基处会产生很大的力(水平力、垂直力和弯曲力),无铰拱只能在地面非常稳定的地方建造。然而,无铰链拱是一种非常坚硬的结构,与其他拱相比,其变形较小。两个铰链拱使用允许旋转的铰链轴承。

在轴承处产生的唯一力是水平力和垂直力。这可能是钢拱最常用的变体,通常是一种非常经济的设计。三铰链拱在拱顶或顶部增加了一个额外的铰链。如果任何一个基础有运动(由于地震、下沉等),三铰拱的影响很小。

然而,三铰拱的挠度更大,铰链复杂且难以制造。三铰拱已经很少使用了。系杆拱是拱的一种变体,即使地面不够坚固,无法承受水平力,也可以进行施工。梁本身不是依靠基础来约束水平力,而是将拱的两端“系”在一起,因此得名“系拱”。

3、斜拉桥:

另一种类型的桥梁是斜拉桥。典型的斜拉桥是一个连续梁,在跨度中间的桥墩上方竖立一个或多个塔。从这些塔中,电缆沿对角线向下延伸(通常向两侧)并支撑大梁。钢索非常坚固但非常灵活。电缆非常经济,因为它们允许纤细和更轻的结构仍然能够跨越很远的距离。尽管只有几根电缆足够坚固以支撑整座桥梁,但它们的柔韧性使它们对我们很少考虑的力很弱:风。

对于跨度较大的斜拉桥,必须进行仔细研究,以保证电缆和桥梁在风中的稳定性。桥的重量较轻,虽然在大风中是一个缺点,但在地震中是一个优点。然而,如果在地震期间或随着时间的推移发生地基的不均匀沉降,斜拉桥可能会受到损坏,因此在规划地基时必须小心。斜拉桥的现代而简约的外观使其成为一个有吸引力和独特的地标。

电缆的独特性能和整体结构使桥梁的设计成为一项非常复杂的任务。对于必须考虑风和温度的较长跨度,计算非常复杂,如果没有计算机和计算机分析的帮助,几乎是不可能的。斜拉桥的制造也相对困难。大梁和塔的电缆布线和附件是需要精密制造的复杂结构。斜拉桥没有明确的分类。

但是,他们可以通过跨度数、塔数、梁类型、电缆数量等来区分。塔的数量和类型,以及电缆的数量和排列方式都有很多变化。使用的典型塔是单塔、双塔、门户塔,甚至是 A 形塔。电缆布置也有很大差异。一些典型的品种是单声道、竖琴、扇形和星形排列。在某些情况下,只有塔一侧的电缆连接到梁上,另一侧固定在基础或其他配重上。

4、钢架桥:

刚架桥有时也称为拉门桥。在标准梁桥类型中,梁和桥墩是独立的结构。然而,刚构桥是一种桥墩和大梁是一个实体结构的桥。

刚构桥梁的横截面通常为工字形或箱形。刚架桥的设计计算比简单的梁桥更难。桥墩和大梁的连接处可能难以制造,需要精确并注重细节。

虽然有许多可能的形状,但如今几乎只使用 pi 形框架、面糊柱框架和 V 形框架的样式。面柱式刚构桥特别适用于河流和山谷的交叉口,因为倾斜的桥墩可以更有效地跨越交叉口,而无需在河流中部或山谷深处建造桥墩。V形框架有效地利用了基础。每个 V 形桥墩为大梁提供两个支撑,减少了基础的数量并创建了一个不那么杂乱的轮廓。Pi型刚架结构经常被用作城市内高速公路的桥墩和支座。在这些类型的桥梁中,框架支撑凸起的高速公路,同时允许交通直接在桥下运行。

5. 桁架桥:

在所有类型的桥梁中,桁架桥是最常见的,通常是钢桥。桁架由许多小梁组成,它们一起可以支撑大量的重量并跨越很远的距离。在大多数情况下,桁架的设计、制造和安装都相对简单。然而,一旦组装好桁架会占用更多空间,并且在更复杂的结构中,可能会分散驾驶员的注意力。像梁桥一样,既有简单的桁架,也有连续的桁架。

桁架的单个部件尺寸小,使其成为无法运输大型部件或部分或在安装过程中无法使用大型起重机和重型设备的地方的理想桥梁。因为桁架是空心骨架结构,所以道路可以通过甚至穿过结构,从而在桥下留出间隙,这对于其他类型的桥梁来说通常是不可能的。桁架也按使用的基本设计分类。最具代表性的桁架是Warren trussPratt trussHowe trussWarren 桁架可能是简单和连续桁架中最常见的桁架。对于较小的跨度,不使用垂直构件,使结构看起来简单。

对于更长的跨度,增加了垂直构件以提供额外的强度。Warren 桁架通常用于 50-100m 的跨度。Pratt 桁架由它的对角线构件识别,除了最末端的那些,都向下倾斜并朝向跨度的中心。除了靠近中心的那些对角构件外,所有对角构件仅受拉力,而较短的垂直构件承受压力。这允许更薄的对角线构件,从而实现更经济的设计。Howe 桁架与 Pratt 桁架相反。对角线构件面向相反方向并承受压力。这使得钢桥的设计非常不经济,而且很少见。