桥梁结构体系及受力特点简述

按结构体系及其受力特点，桥梁可划分为梁、拱、索三种基本体系和组合体系。不同的结构体系具有不同的结构型式和受力特点，简述如下。

1.梁　桥

梁桥是古老的结构体系之一。梁作为承重结构，主要是以其抗弯能力来承受荷载。在竖向荷载作用下，其支承反力也是竖直的；简支的梁部结构只受弯、剪，不承受轴向力。

常用的简支梁（simply-supported beam，见图1.1）的跨越能力有限，例如，预应力混凝土简支梁的跨度通常不超过50m；为加大跨度，悬臂梁和连续梁（图1.2（a）和图1.2（b））得到发展。它们都是利用增加中间支承以减少跨中正弯矩，更合理地利用材料并分配内力，加大跨越能力。悬臂梁（cantilever beam）采用铰结或一跨简支梁（称为挂孔）来连接其两个悬臂端，结构静定，受力明确，计算简便，但因结构变形在接头处不连续而对行车和桥面养护产生不利影响，近年来已很少采用。连续梁（continuous beam）因桥跨结构连续无断缝，克服了悬臂梁的不足，是目前采用得较多的梁式桥型。

梁桥分实腹式和空腹式。实腹梁的横截面形式多为T形、Ⅰ字形和箱形等，空腹梁主要指桁架（truss）式桥跨结构。不论实腹式还是空腹式，梁的高度和截面尺寸可在桥长方向保持一致或随之变化。对中小跨度的实腹梁桥，常采用等高度混凝土T形梁（见第五章）或Ⅰ形钢梁（见第六章）；跨度较大时，可采用变高度（在中间支承处增大梁高）的箱形截面预应力混凝土连续梁（刚构）桥或钢桁架梁，并配合悬臂法施工（见第八章）。

2.拱　桥

拱桥（图1.2（c））的主要承重结构是具有曲线外形的拱圈（arch ring）。在竖向荷载作用下，拱圈主要承受轴向压力，但也受弯、受剪。拱脚（arch springing）处的支承反力除了竖向反力外，还有较大的水平推力（thrust）。根据拱的受力特点，多采用抗压能力较强且经济合算的砌体材料（石材等）和钢筋混凝土来修建拱桥；也因拱是有推力的结构，对地基的要求较高，故通常建在地基良好之处。

拱桥的型式多样，构造各异，其取决于拱桥的建筑材料，拱圈与桥面的相对位置，拱脚是否有推力，拱圈的静力图式、截面型式和拱轴线等。广泛应用的是上承式钢筋混凝土无铰拱桥，大跨度拱桥多采用钢箱、钢桁架或钢管混凝土构造。详见第八章。

拱桥的施工，可采用传统的支架法和斜拉扣挂、转体等无支架方法。

3.悬索桥

悬索桥主要由缆（又称索，cable）、塔（pylon， tower）、锚碇（anchorage）、加劲梁（stiffening girder）、吊索（hanger）等组成，见图1.2（d）示意。对跨度较小（通常小于300m）、活载较大且加劲梁较刚劲的悬索桥，可以视其为缆与梁的组合体系。对大跨度悬索桥，其主要承重结构为缆，组合体系的效应可以忽略。

在竖向荷载作用下，缆受拉，塔受压，锚碇处会承受较大的竖向力（向上）和水平力（向河心）。大缆通常用高强度钢丝制成，加劲梁多采用钢桁架梁或扁平钢箱梁，桥塔可采用钢筋混凝土或钢或两者。因缆的抗拉性能得以充分发挥且其截面尺寸基本上不受制造限制，故悬索桥的跨越能力一直在各种桥型中名列前茅。不过，由于结构较柔，悬索桥在满足当代重载铁路桥的要求时，难度相对较大一些。

对跨度相对较小（通常不大于300m）的悬索桥，当两岸用地受到限制而无法布置锚碇时，或者出于景观需要，可采用自锚式悬索桥（self-anchored suspension bridge）。其特点是：将大缆的两端直接固定在加劲梁的两端，不用修建大体积的锚碇。这样的桥式适于某些特定的桥位环境，但可能会增加桥梁的材料用量和施工难度。

4.桥梁组合体系

桥梁组合体系（combined system bridge）指承重结构采用两种基本体系，或一种基本体系与某些构件（塔、柱、索等）组合在一起的桥。在两种基本体系中，梁经常是其中一种；与梁组合的，则可以是柱、拱、塔与斜索、塔与缆等。

代表性的组合体系有以下几种：

（1）斜拉桥(www.xing528.com)

斜拉桥（cable-stayed bridge，见图1.2（i））是梁、塔与斜索组成的组合体系，结构型式多样，造型优美壮观。在竖向荷载作用下，梁以受压弯为主，塔以受压为主，斜索则承受拉力。梁体被斜索多点扣住，在恒载作用下表现出弹性支承连续梁的特点；这样，梁的恒载弯矩减小，梁高可以降低，自重可以减轻，跨度可以增加；另外，塔与斜索的材料性能也能得到较充分地发挥。因此，斜拉桥的跨越能力仅次于悬索桥，是20世纪50年代以来发展得最快的一种桥式。

公路斜拉桥中，多采用预应力混凝土箱梁，或扁平钢箱梁，或结合梁作为主梁。大跨度铁路斜拉桥或公铁两用斜拉桥中，因车辆活载相对较大，多采用钢桁架主梁来提高结构刚度。

尽管斜拉桥是一种组合体系，但由于其已得到广泛应用，已成为继梁桥、拱桥、悬索桥三种基本桥型之后的一种常用桥型。

（2）梁-拱组合体系

梁-拱组合体系同时具备梁的受弯和拱的承压特点。依据梁、拱的相对抗弯刚度大小，组合形式可以是刚性拱及水平系杆（称为系杆拱），也可以是柔性拱及刚性梁（见图1.2（j）），还可以是刚性拱及刚性梁。这类结构的主要优点是：利用水平系杆或梁部受拉（若是混凝土梁部则对其施加预应力）来承受和抵消拱在竖向荷载作用下产生的水平推力。这样，桥跨结构既具有拱的外形和承压特点，但又不存在大的水平推力，可在一般地基条件下修建。相对而言，梁-拱组合体系的施工较为费时。

梁-拱组合体系的布置形式灵活多样，可以是上承式、中承式或下承式，可以是单跨简支或多跨连续。常见的是单跨简支的下承式系杆拱桥。

（3）刚架桥

刚架桥（portal bridge）是梁与立柱（或称为墩柱）的组合体系。刚架桥中的梁与立柱（也可以是桥台）刚性连接，形成刚架，见图1.2（e）。其主要特点是：立柱具有相当的抗弯刚度，故可有效分担梁部跨中正弯矩，由此可降低梁高、增大桥下净空。在竖向荷载作用下，主梁与立柱的连接处会产生负弯矩；主梁、立柱承受弯矩，也承受轴力和剪力；柱底约束处既有竖直反力，也有水平反力。刚架桥多采用立柱直立的、单跨或多跨的门形框架，柱底约束可以是铰结或固结。钢筋混凝土刚架桥适用于中小跨度的、建筑高度要求较严的跨线桥或地道桥。

立柱斜向布置的刚架桥称为斜腿刚架桥（portal bridge with inclined legs，图1.2（g）），其受力特点与刚架桥大致相同。在竖向荷载作用下，斜腿以承压为主，两斜腿之间的梁部受到一定的轴向力。斜腿底部可采用铰结或固结形式，并受到较大的水平推力。对跨越深沟峡谷、两侧地形不宜建造直立式墩柱的情况，斜腿刚架桥表现出其独特之处。跨越较宽的高速公路的人行桥，为不影响桥下行车并尽量减小跨度，也常采用斜腿刚架桥。除斜腿形式外，墩柱在立面上可呈V形布置并与梁部固结，这样的桥梁称为V形刚架桥，其在受力上具有连续梁和斜腿刚架的特点。由于V形支撑的作用，跨中支点负弯矩及梁高可适当减小，跨度可适当加大，外形也较灵动。

（4）T形刚构桥和连续刚构桥

随着预应力技术和悬臂施工方法的发展，具有刚架形式和特点的桥梁可用于跨径更大的情况，如T形刚构桥（T-shaped rigid frame bridge），见图1.2（f）。预应力混凝土 T 形刚构桥是因悬臂施工方法的发展而衍生出来的一种桥型。其桥墩的尺寸及刚度较大，墩顶与梁部固结，墩底与基础固结；与前述悬臂梁桥相同，仍在跨中设铰或挂孔来连接邻近 T 构。它融合了悬臂梁桥和刚架桥的部分特点：因是静定结构，能减少次内力、简化主梁配筋；T 构有利于对称悬臂施工，但粗大的桥墩因承受弯矩较大而费料；桥面线形不连续而影响行车。目前，已很少采用这种桥式。

在连续梁桥的基础上，借助T形刚构的立面外观，把主跨内较高、较柔细的桥墩与梁部固结起来，就形成所谓的连续刚构桥（continuous rigid frame bridge，图1.2（h））。其特点是：桥墩（为独柱墩或双薄壁墩）较为纤细，以承受轴向压力（而不是弯矩）为主，表现出柔性墩（见第七章）的特性，这就使得梁部受力仍然体现出连续梁的受力特点（主跨梁部仅受到较小的轴向力作用）。这种桥式除保持连续梁的受力优点外，还节省了大型支座的费用，减少了桥墩及基础的工程量，改善了结构在水平荷载下的受力性能，简化了施工工序，适用于需要布置大跨、高墩的桥位。

为突出结构外观上的不同，将 T 形刚构桥和连续刚构桥划归为组合体系。但从主要受力特点上看，T 形刚构桥和连续刚构桥仍主要表现出梁的受力特点。字面上，“刚构”一词可以理解为墩-梁刚性连接形成的桥跨结构。

（5）其他组合体系

其他组合体系主要包括：① 矮塔斜拉桥或部分斜拉桥（extradosed prestressing bridge），其为矮塔、斜索与连续梁或连续刚构形成的组合体系。这种桥型本质上将原来置于梁体内的一部分预应力钢筋外置，以便提高预应力效率并减小主梁高度。该桥型外形上与斜拉桥相近，但受力上介于传统梁桥和斜拉桥之间。 ② 斜拉-悬索组合体系（cable stayed-suspension hybrid bridge），其是在悬索桥的基础上，用斜拉索取代桥塔两侧的一部分吊索而形成的组合结构。③ 斜拉拱桥（cable-stayed arch bridge），其为拱、塔与斜索的组合。在这种桥式中，通常将斜索下端锚于桥面以便有效分担荷载。

对结构体系的分类，无一定之规；上述分类也不可能包容式样繁多的桥型。需要强调的是，仅仅对桥梁的结构体系有所了解，还远不能把握住桥梁的结构特点。在结合桥位情况选择某种结构体系的同时，还需要对这一结构体系相适应的建桥材料（钢，混凝土或两者）、结构立面布置（分跨，梁高变化，实腹或空腹等）、结构横截面形状及布置（多主梁，或箱梁，或桁架梁等）、重要构造细节（如预应力配筋，桁架节点处理，塔及索的布置，支座约束方式等）、施工方法（支架法、悬臂法、大件转移法等）等进行综合比较、分析和选择。这样，才能设计建造出符合功能要求、具有经济效益的桥梁。