桥梁基础知识

一、桥梁的组成和分类桥梁是跨越障碍的人工构造物。当道路路线遇到江河湖泊、山谷深沟以及其他线路（铁路或公路）等障碍时，为了保持道路的连续性，充分发挥其正常的运输能力，就需要建造专门的人工构造物——桥梁来跨越障碍。桥梁一方面要保证桥上的交通运行，通常也要保证桥下水流的宣泄、船只的通航或车辆的通行。上部结构（桥跨结构）：桥面系，承重结构、联结系；下部结构：支座、桥墩、桥台、基础。桥梁的组成部分及各部分的作用桥梁的组成部分各组成部分的作用桥梁上部结构桥面系公（铁）路面、人行道车辆或行人行走部分承重结构主梁（或拱、或索）支承桥梁、将荷载传给支座联结系横向位于主梁之间，承受水平荷载下部结构支座固定支座支承上部结构，将荷载传给墩台活动支座将上部结构固定在墩台上保证上部结构的伸缩、弯曲等变形墩（台）桥台（位于两边）支承上部结构，将荷载传给基础桥墩（位于中间）桥台兼起挡墙作用基础浅基础、深基础将荷载分布到地基（土壤或基岩）二、桥梁的主要类型（一）桥梁的基本体系结构工程上的受力构件，总离不开拉、压、弯三种基本受力方式。现代的桥梁结构也一样，在力学上可归结为梁式、拱式、悬吊式三种基本体系。下面从受力特点、建桥材料、适用跨度、施工条件等方面来阐明桥梁各种体系的特点。1．梁式体系：在竖直荷载作用下，梁截面只承受弯矩（上缘受压、下缘受拉），支座只承受竖直方向的力。2．拱式体系：在竖直荷载作用下，拱肋主要承受压力。支座不仅承受竖直方向的力还要承受水平方向的推力。所以拱桥对地基和基础的要求比较高。3．悬吊体系：在竖直荷载作用下，索主要承受拉力。

桥梁三大基本体系比较表梁式体系拱式体系悬吊体系受力特点受弯为主受压为主受拉为主建桥材料钢筋砼、预应力砼圬工材料、钢筋砼高强度钢缆索适用跨度几十米几十或上百米几百或上千米施工特点施工方便施工比梁桥困难无支架悬吊拼装（二）现代桥梁的六大基本结构1．梁桥：它是桥梁大家族中最古老、最基本的成员，以梁（板）为主要承重结构典型桥例：北京卢沟桥、泉州洛阳桥2．桁式桥：由梁桥演化而来，古代有木桁桥，现代以铁路钢桁梁桥为主。它的结构由上下弦杆和腹杆组成，杆件受轴向力，因而材料强度能够得到充分发挥，同时自重减轻，经济合理，跨越能力大。典型桥例：武汉长江大桥、南京长江大桥、钱塘江大桥3．刚构桥：主梁与墩台之间没有支座，而是连在一起，上下部共同受力。典型桥例：陕西安康汉江桥、乌龙江大桥、洪山桥、洪塘桥4．拱桥：在古代较之木梁桥、藤（竹）索桥耐腐蚀，刚度大，通行能力强，外形美观，所以一直是主要的桥型之一（尤其是在中国：北方河北赵州安济桥——世界建筑史上三大杰作之一），即使到了今天，拱桥虽然在跨越能力上不如斜拉桥、悬索桥，但依然是极具竞争力的桥型之一。典型桥例：悉尼钢拱桥、重庆万县长江大桥、湖南凤凰乌巢河桥、丫髻沙大桥5．斜拉桥：近五十年来发展最快的桥型。由斜拉索将主梁斜拉在塔柱上，在200~800m跨径内最具竞争力。典型桥例：上海黄浦江杨浦大桥、三县洲大桥、法国诺曼底桥、日本多多罗桥6．悬索桥：桥面支承在主缆上的桥。组成：主缆、加劲梁、塔柱、锚碇。外观上缆索形成悦目的抛物线形。它能跨越其他任何桥型无与伦比的特大跨径。缺点自重轻、刚度差，因而在车辆动荷载和风荷载作用下，有较大的变形和振动。（三）桥梁的其它分类简述1．按用途划分：公路桥、铁路桥、公铁两用桥、人行桥、输水桥、其他专用桥梁2．按桥梁全长和跨径划分：特大桥、大桥、中桥、小桥3．按主要承重结构材料划分：圬工桥、钢筋砼桥、预应力砼桥、钢桥、木桥4．按跨越障碍划分：跨河桥、跨线桥（立体交叉）、高架桥5．按上部结构的行车道位置：上承式桥、中承式桥、下承式桥桥梁的总体规划1、桥梁设计的基本要求桥梁设计原则：安全、适用、经济、美观。（1）安全使用的功能要求：不存在脱离社会需要而孤立存在的桥梁，功能是桥梁结构发展的决定动力。如需要跨越大江大河甚至海峡，所以发展了大跨度桥梁；为保证城市交通和人性安全，发展了立交桥和人行天桥。（2）技术可行的经济要求：桥梁设计，应进行技术经济比较，使桥梁总造价和材料等的消耗为最少，考虑运营、养护、维修，选择合理桥型——因地制宜、就地取材、方便快速施工。（3）精神美感的审美要求：要求桥梁有优美的外形，与周围景观相协调。城市桥梁和游览区桥梁应较多考虑建筑艺术上的要求。为了改善桥梁建筑外观增加一些造价是值得的，这已形成共识，以往过分强调经济性，致使许多桥梁在美学上不尽人意，使人们追悔莫及。它强调合理的结构布局和轮廓，而不是豪华的细部装饰。2、设计资料调查（1）桥梁功能要求：交通种类、行车行人密度，通过管线（2）桥梁建设位置：桥位附近的地形（3）水文地质条件：桥位附近的地质、水文情况（4）其它资料：当地建筑材料（砂石）来源、水泥钢材供应、水陆交通、施工单位技术水平、施工机械、动力设备、电力供应、气象资料、桥位上下游有无老桥、其桥型不止和使用情况等。二、桥梁断面设计1、桥梁纵断面设计（1）桥梁总跨径的确定：保证桥下有足够的排洪面积，使河床不致过大冲刷。（2）桥梁的分孔：最经济的分孔方式，使上下部结构的总造价最低。（3）桥梁标高的确定：保证桥下流水净空；保证桥下通航净空；保证桥下车辆净空高度。（4）设计纵坡：一般小桥，通常做成平坡桥，大中桥梁，为利于桥面排水，降低引道路堤高度，设置中间向两端倾斜的双向纵坡。纵坡发生变更处，应设置竖曲线。一般竖曲线应延伸至桥梁全长。2、桥梁横断面设计（1）桥面的宽度：满足行人和行车的交通需要（2）桥跨结构横断面布置：行车道、人行道、栏杆、护轮安全带、缘石（3）设计横坡：为利于桥面排水，设置从桥面中央倾向两侧的横坡（1-2%）3、桥梁平面布置道路线形支配着桥梁设计，桥梁是线型的一部分，因为车辆告诉平稳行驶的需要、美丽道路景观的需要，必须与线形相适应。一般桥梁常位于平曲线内，在立面上也应顺着坡度或曲线，曲线半径应大，符合桥梁美学。规范中有关设计荷载的规定通常将作用在公路桥梁上的各种荷载和外力归纳成三类：永久荷载、可变荷载、偶然荷载。1、永久荷载（恒载）定义：设计使用期内，其作用位置、大小、方向不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。包括：结构物自重、桥面铺装、土重、土侧压力、水浮力等。公路桥梁，其结构物自重往往占设计荷载的很大部分。跨径越大比例越高，如特大跨度桥，其活载的影响往往降至次要地位。所以宜采用轻质高强材料来减轻自重。2、可变荷载定义：设计使用期内，其作用位置、大小、方向随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。按其对桥梁结构的影响程度，又分为基本可变荷载（活载）和其他可变荷载。基本可变荷载：汽车（计及冲击力、离心力）、平板挂车、履带车和人群荷载。其它可变荷载：汽车制动力、支座摩阻力、温度影响力、风力、流水压力和冰压力。（一）车辆荷载（1）设计荷载：把经常出现的汽车荷载排列成车队形式。如：汽-10、汽-15、汽-20、汽-超20。主车辆数不计，但有一辆重车。荷载组合时要考虑冲击力、人群荷载。（2）验算荷载：把偶然出现的平板挂车或履带车作为验算荷载。如：挂-80、挂-100、挂-120。全桥以通过一辆计算，应靠中慢速形式。荷载组合时不考虑冲击力、人群荷载。（二）车辆荷载的影响力：（1）汽车荷载冲击力：车辆在较高速度驶过桥梁时，由于桥面不平整，车轮不圆以及发动机抖动等原因，会使桥梁结构引起振动，该情况下，汽车荷载（动荷载）引起的桥梁结构应力和变形，要比同样大小静荷载引起的大。由此提出荷载增大系数，即冲击系数。其影响因素：跨径（桥长）、填料厚度、路面平整度、伸缩缝。（2）汽车荷载的制动力：汽车在桥上刹车时为克服其惯性力而在车轮与路面之间发生的滑动摩擦力。（3）离心力：曲线桥，当曲率半径＜=250m时，应考虑离心力作用。9.20厦门特大交通事故。三县洲大桥交通事故。（4）车辆荷载引起的土侧压力：车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力。（三）人群荷载：一般公路桥梁：300kg/m2,城市郊区行人密集区：350kg/m2。3、偶然荷载偶然荷载包括地震力和船只或漂流物的撞击力。这种荷载在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其持续时间较短而数值很大。小结桥梁由上部（桥跨）结构和下部结构组成。其上部结构主要包括桥面系、承重结构和联结系。下部结构主要包括：支座、墩台和基础。桥梁的三大基本体系为：梁式体系、拱式体系、悬吊体系，可从受力特点、建桥材料、适用跨度、施工条件等方面加以比较区分。现代桥梁的六大基本结构为：梁桥、桁式桥、刚构桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥。桥梁设计原则：安全、适用、经济、美观。即安全使用的功能要求、技术可行的经济要求、精神美感的审美要求。需要调查的设计资料包括：桥梁功能要求、桥梁建设位置、水文地质条件、其它资料。桥梁断面设计包括：纵断面设计、横断面设计、平面布置。最后对各种可行桥型结构进行技术、经济、美学方面的分析，选择最佳桥梁方案。通常将作用在公路桥梁上的各种荷载和外力归纳成三类：永久荷载、可变荷载、偶然荷载。《桥规》规定了五种荷载组合，其中最重要的是组合一（主要设计组合）和组合三（验算组合。桥梁墩台一、桥墩桥墩主要由墩帽、墩身和基础三部分组成。它的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础又将此荷载及本身自重传递到地基上。此外它还承受流水压力、风力以及可能出现的冰荷载、船只或漂流物的撞击力。二、重力式桥墩这类桥墩的主要特点是靠自身重量来平衡外力而保持其稳定。因此墩身比较厚实，可以不用钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。它适用于地基良好的大中型桥梁，小桥也往往采用重力式墩。它的主要缺点是圬工体积较大，自重和阻力面积也大。1、墩帽：墩帽是桥墩顶部的传力部分，通过支座支承上部结构，并将相邻两孔的恒载、活载传到墩身。顶面常做成双向10%的排水坡，平面形状为矩形或圆端形，四周较墩身出檐5〜10cm。另外，在一些宽桥或墩身较高的桥梁中，为了节省墩身及基础的圬工体积，常常利用挑出的悬臂或托盘来缩短墩身横向的长度，做成悬臂式或托盘式桥墩。2、墩身：墩身是桥墩的主体。平面通常做成圆端形或尖端形。墩身常以20:1〜30:1的比例向下放坡（上端小、下端大）。3、基础：基础是介于墩身与地基之间的传力结构。它的平面尺寸比墩身底截面尺寸略大，四周每边放大0.25〜0.75cm。可以是单层，或2至3层台阶式。三、轻型桥墩当地质条件较差时，为节省圬工、减轻自重和地基负担，或城市立交桥、高架桥要求下部结构要轻巧、空间要通透、施工要简单时，可采用轻型桥墩。1、钢筋混凝土薄壁桥墩：厚度薄。2、柱式桥墩：由分离的两根或多根立柱组成，顶部由承台将它们联成整体。（钻孔灌注桩）3、柔性排架墩：单排或双排的钢筋混凝土桩与钢筋混凝土盖梁连接而成。桥台一、概述桥台主要由台帽、台身和基础三部分组成。它的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础又将此荷载及本身自重传递到地基上。此外它是衔接两岸接线路堤的构造物；既要能挡土护岸，又要能承受台背填土及填土上车辆荷载所产生的附加侧压力。桥梁上常用的桥台形式大体上可以归纳为两大类：重力式桥台、轻型桥台。二、重力式桥台这类桥台的主要特点是靠自身重量来平衡外力而保持其稳定。它们是由台帽、台身和基础三部分组成。由于台身是由前墙和两个侧墙构成的U字形结构，故而得名。J形桥台的优点是构造简单，可以用混凝土或片、块石砌筑。它的主要缺点是桥台体积和自重较大，也增加了对地基的要求。1、台帽：台帽的构造和尺寸要求与相应的墩帽有许多共同之处，不同的是台帽顶面只设单排支座，在另一侧则要砌筑挡住路堤填土的矮墙——背墙。2、台身：台身由前墙和侧墙组成，结合成一体，兼有挡土墙的作用。台身的宽度通常与路基的宽度相同。两个侧墙间宜填以渗水性较好的土，为排除桥台前墙后的积水，应于侧墙间在略高于高水位平面上铺一层向路堤方向设有斜坡的夯实粘土作为不透水层，并在粘土层上再铺一层碎石，将积水引向设于台后横穿路堤的盲沟内。锥坡下缘与前墙下缘相齐。锥坡坡度一般由纵向1:1逐渐变至横向为1:1.5，以便和路堤边坡一致。其平面形状为1/4椭圆。锥坡用土夯实而成，其表面用片石砌筑。侧墙尾端应有不小于75cm的长度伸入路堤内，保证与路堤有良好的衔接。3、基础：基础是介于台身与地基之间的传力结构。它的平面尺寸比台身底截面尺寸略大，四周每边放大0.25〜0.75cm。可以是单层，或2至3层台阶式。三、轻型桥台轻型桥台力求体积轻巧、自重要小，它借助结构物的整体刚度和材料强度承受外力，从而可节省材料，并为在软土地基上修建桥台开辟了经济可行的途径。1、设有支撑梁的轻型桥台：它的特点是，台身为直立的薄壁墙，台身两侧有翼墙（分为一字形、八字形、耳墙式轻型桥台）。在两桥台下部设置钢筋混凝土支撑梁，以防止桥台的倾斜滑移。2、埋置式桥台：是将台身埋在锥形护坡中，只露出台帽在外以安置支座及上部构造。这样，桥台所受土压力大为减少，桥台体积也相应减少。不需要侧墙，只附有短小的钢筋混凝土耳墙。埋置式桥台的共同缺点是护坡伸入到桥孔，会压缩河道；或为不压缩河道，则增加了桥长。3、钢筋混凝土薄壁桥台：前墙+薄壁侧墙+扶壁墙（间距：2.5~3.5m）,分为U形或八字形。4、加筋土桥台：台帽+台身（竖向面板+拉杆+锚定板）+填料。其工作原理是：竖向面板后填料的主动土压力作用到面板，再通过拉杆将该力传递给锚定板，而锚定板则依靠板前土体产生的抗拔力来平衡拉杆拉力，使整个结构处于稳定状态。小结桥梁墩（台）主要由墩（台）帽、墩（台）身和基础三部分组成。它们的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础又将此荷载及本身自重传递到地基上。此外桥墩还承受流水压力、风力以及可能出现的冰荷载、船只或漂流物的撞击力。桥台是衔接两岸接线路堤的构造物；既要能挡土护岸，又要能承受台背填土及填土上车辆荷载所产生的附加侧压力。桥梁上常用的墩（台）形式大体上可以归纳为两大类：重力式墩（台）、轻型墩（台）。重力式墩、台的主要特点是靠自身重量来平衡外力而保持其稳定。因此墩、台身比较厚实，可以不用钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。它适用于地基良好的大中型桥梁，小桥也往往采用重力式墩、台。其主要缺点是圬工体积较大，自重和阻力面积也大。当地质条件较差时，为节省圬工、减轻自重和地基负担，可采用轻型墩、台。城市立交桥、高架桥要求下部结构要轻巧、空间要通透、施工要简单时，也可采用轻型桥墩。轻型桥墩包括：钢筋混凝土薄壁桥墩、柱式桥墩、柔性排架墩。轻型桥台包括：设有支撑梁的轻型桥台、埋置式桥台、钢筋混凝土薄壁桥台、加筋土桥台。桥梁下部结构施工桥梁下部结构由桥墩、桥台及下部的基础构成。由桥梁上部结构传来的荷载，通过桥台或桥墩传至基础，再由基础传至地基。基础的类型很多，大致分为浅置基础和深置基础。一、浅置基础浅置基础是在桥台或桥墩下直接修建的实体基础，一般适用于在岸上或水流冲刷影响不大，水深在5~10m左右的浅水处，并有完整的岩面或坚实的土层。浅置基础又叫明挖基础或扩大基础，是简单的，也是我们最希望采用的基础类型。但自然条件千变万化，不决定于我们。遇到更复杂的自然条件时，就不得不采用其它更复杂的基础型式。桩基础（预制桩）当墩台所处位置的覆盖层很厚，适于承力的地基很深，或同时水深也较大时，可以选用桩基础。桩基础可以将荷载直接传递到地层深处。单桩的承载力一般有限，所以桩基础通常以群桩的型式出现，桩群的顶部还要修建一个承台将桩群连为整体。就地成孔灌注桩基础（现浇）其施工方法是：先就地成孔，后在孔内插入钢筋笼，再灌注水下混凝土而成。由于它的施工工艺比较简易，成为目前推广最快使用最多的一种桥梁基础型式，适用的直径可以从0.8m直到3.0m以上。常用的成孔方法是旋转式钻机成孔，所成桩简称钻孔灌注桩。所用钻机由机身、钻杆及钻头组成。根据所在地层的不同，可以分别换用不同型式的钻头。例如：用刮刀钻头来对付松软的地层；用牙轮钻头来对付坚硬的岩石。除卵石地层外，各种地质条件基本上都可以采用这种钻孔桩。它的钻孔速度比冲击型钻机要快得多。使用旋转式钻机钻孔可有两种不同的排碴方法。一种是正循环排碴法。另一种是反循环排碴法。后者效率更高，钻进速度更快，是一种常用的施工方法。施工步骤：泥浆从钻孔口注入，压缩空气由地面通过送气钢管压送到钻头底部。此时压缩空气气泡和钻孔底部的泥浆混合钻碴后形成一种比重较轻的混合物（泥浆+钻碴+空气）。混合了岩碴的泥浆通过钻杆内腔上浮到钻机上端的的排碴软管内，被排放到钻碴处理池中进行分离。分离后的泥浆可以循环使用。岩碴就是这样不断地被携出地面的。这种排碴方法的能力很强。旋转式钻机成孔步骤示意图1、埋入钢护筒2.在覆盖层中钻进3.在岩中钻进4.安装钢筋及水下砼导管5.清孔排碴6.灌注水下砼7.拔出钢护筒梁桥上部结构施工一、膺架架设(10~30m)膺架架设是一种最古老的架设方法，即在桥下先搭设满布式膺架，然后在膺架上就地灌筑预应力梁的混凝土，或是拼装其预制节段。搭设膺架费工费时，对桥下条件的要求也较苛刻。二、架桥机架设(20~50m)简支梁式架桥机的特点是：架桥机空载运行到位，以前方墩台为支点，待架的梁由架桥机上的起重小车吊住，移送到桥位，然后落梁。让架桥机的承重部分在接近简支的状态下进行架梁作业。施工安全可靠，架梁速度快，最大起重能力可达300t。双简支梁架桥机单简支梁架桥机双简支梁架桥机三、龙门吊机架设(20~50)当桥梁位于较平坦的河滩滩地或在平地上，可用龙门吊机架设简支梁。图为南京长江大桥引桥用2台起重能力为150t的龙门吊机架设跨度39.6m的预应力砼箱梁。预应力砼箱梁先用运梁台车自墩旁的运梁专用线运来，然后龙门吊机吊起箱梁，将之架设就位。龙门吊机采用能自动行走的轮箱沿桥梁架设方向行走。四、顶推法（30~50m）梁段在设置于桥台后的制梁台座上逐节灌筑（每节段长度在8~15m左右），在张拉预应力钢丝束以后用墩顶的顶推设备将梁向前顶推前进。灌筑一段，向前顶推一段，直至到达预定桥位。这种方法适用于中等跨度且梁底底面平直的混凝土连续梁。其优点是：（1）当桥梁跨越深水、山谷以及不允许中断桥下交通时，可以无阻碍地滑行通过；（2）是在桥头一个工厂化的固定地点制造梁段，容易保证梁段的施工质量。顶推设备实际上是一牵引装置。其动力是一个行程1000mm的穿心千斤顶。利用千斤顶拉动锚在混凝土梁底部的拉杆锚柱，拉动全梁向前移动。因为是在梁的后部拉动全梁前移，形似顶推，故得名。为减小摩阻力，在各墩上设置聚四氟已烯滑板和不锈钢板组成的临时滑移装置。顶推法架梁施工步骤示意图利用千斤顶牵引进行顶推法施工五、平衡悬臂法施工（6旷250m）平衡悬臂法施工应用极为广泛。它的最大优点是不用搭设费工费时的膺架，故特别适用于深水、峡谷地区，使用的设备也较少，是修建跨度较大的不能用架桥机架设的预应力混凝土桥梁的一种经济合理