桥梁工程的科学依据：《桥梁工程概论》

桥梁工程涉及较广泛的基础知识和应用学科。现列举其主要内容如下。

数　学　数学（mathematics）是桥梁工程中定性和定量分析的理论基础。在常规计算、测量、绘图等工作中经常要用到解析几何；在解析比较复杂的力学问题（如超静定结构、变截面构件、不规则荷载）时要用到微积分；在处理非线性结构、结构稳定和动力等问题时，要用到微分和偏微分方程；在研究结构可靠度以及数据处理时，需用到概率与数理统计；等等。

力　学　力学（mechanism）是指导桥梁工程进行结构分析、设计和施工的基础，包括理论力学、材料力学、结构力学、结构动力学等。理论力学研究质点和刚体的静力平衡问题和牛顿动力学原理，是解析桥梁静定结构的基本依据。材料力学的研究对象是外力与单个构件内力（弯矩、剪力、轴力、扭矩等）的关系，材料的应力-应变关系（弹性、塑性、弹塑性、脆性等），构件受力后的变形，以及确定构件形式和截面尺寸的基本方法等。结构力学以梁和更复杂的结构体系为对象，研究其在固定或移动荷载作用下的力学性能。它引入了单位作用力和影响线的概念来确定移动荷载下结构的最大内力和变形，引入了力法、位移法和有限元法来分析复杂的超静定结构。结构动力学研究桥梁结构（尤其是大跨柔性结构）在变化的（具有一定的频率和波谱的）外力（如车辆、风、地震等）作用下结构的动力响应。主要内容是：动荷载的特性、结构的固有振动特性和结构在动荷载作用下的动力响应。

计算机辅助设计技术　结合数学（如线性方程、矩阵代数等）和力学（如有限元法）知识，依靠计算机技术，编制通用或专门的桥梁结构分析、设计和制图软件，是计算机辅助设计（CAD）的主要内容。该技术能减少设计时间，节省人力，提高设计质量，解析繁杂问题，优化设计结果，在桥梁设计中的应用越来越普遍。但也应强调：计算机辅助设计不能完全代替人的工作。具有清晰的数学和力学概念，能对设计计算结果做出正确的分析评价，能及时处理工程力学问题，仍是桥梁工程师所应具备的基本素质。

近年来发展起来的BⅠM（Building Ⅰnformation Modeling，建筑信息模型）技术，是一种应用于工程（包括桥梁）设计、建造和管理的数据化工具。该技术借助计算机软件系统的集成，整合项目相关的各种信息。这些信息可在项目规划、设计、实施和维护的全寿命周期过程中进行共享和传递。

工程材料学　工程材料（engineering material）指建造结构时采用的人工合成材料（如钢材、混凝土等）和加工后的某些天然材料（如石料、砂、木材等）。工程材料学专门研究这些材料的物理、化学性能以及加工（如混凝土拌制）处理（如钢材防腐）等问题。随着材料工程的发展，会有更多的新型材料（如高性能钢或混凝土、碳纤维复合材料、高效防腐材料等）应用于桥梁工程。

工程地质学　地质学是研究地壳形成、构造、组织、成分的一门学科。工程地质（engineering geology）则只涉及与土木工程建造有关的部分。在桥梁工程中，重点研究接触和支承桥梁基础和桥下冲刷影响所触及的地壳表面，包括覆盖土层、上部岩床和地下水；研究它们在桥梁基础建造前后的物理、化学、力学性能等的变化；研究取得这些资料的物理探测方法等。

岩土力学　岩土力学（rock & soil mechanics）研究各类岩石和泥土在外力（包括重力）作用下的状态和响应。它与工程地质学紧密关联。桥上的各种作用力最终通过墩台基础传递到岩土（地基），而基础周围的岩土在外力（如重力、水压、地震等）作用下又会影响到桥梁基础甚至上部结构。解析这些相互作用的力学问题是桥梁工程应用岩土力学的核心部分。

水力学　水力学（hydraulics）研究水在静态、动态或静动态转变时的力学特性，是流体力学的基础。在桥梁工程中，重点是了解开敞渠道内的水流机理和势能动能转变关系，这是计算流量、水压、水流作用力的理论依据。对有压管道内的水流特征也应有所了解，其牵涉到高水头下的涵洞设计。另外，水浮力和浮体稳定对桥梁施工中可能采用的浮式结构（如浮式沉井、浮吊、工作船组等）的设计也十分重要。(www.xing528.com)

水文学　水文学（hydrology）是研究水在自然界或水工建筑物（如桥墩）建筑后的运动规律，以及水对周围环境（如河床、岸滩等）产生作用与变化的一门学科。由于大部分桥梁是跨越河流的，因此，水文学与桥梁工程的关系十分密切。设计桥梁时首先要对所跨越河流的区段流势、河床断面、高程比降及历年变迁有所认识，才能比较不同桥位，把桥梁设置在比较稳定的河流区段内。然后，对桥址处建桥前后的水位、流量、流向、流速、冲淤变化、船舶航道等要做出分析，提出桥长、孔径布置和需要的导流、防护设施方案。对桥下的一般冲刷、墩位冲刷深度、施工冲刷、桥前壅水、浪高、河滩沙洲的可能变化，以及在上下游兴建其他水工建筑物（如堤坝、码头等）对桥梁的影响等，需要做出评估和判断。必要时应进行水工模型试验。这些都是水文学在桥梁工程中的具体应用。

混凝土结构　混凝土结构（concrete structure），以及下述的钢结构、组合结构和基础结构，是桥梁工程的核心和主体，其内容包括设计、施工（安装）和科研三部分。混凝土结构的发展经历了素混凝土（poor concrete）、钢筋混凝土（reinforced concrete）和预应力混凝土（prestressed concrete）三个阶段。素混凝土可作为砌体材料，获得成型简易、质量均匀的效果。在桥梁工程中，素混凝土常用于以承压为主的结构，如拱圈、墩身和台身、基础和重力式挡土墙等。钢筋混凝土具有钢筋承受拉力而混凝土承受压力的受力特性，能适应梁、柱（墩）、板等构件承受的压弯荷载。若在钢筋混凝土构件的制作过程中，在构件的受拉区两端预先施加并保持压力，就形成预应力混凝土。只要选定的预加力数值合理，就可在各种加载情况下保持截面的混凝土材料纤维不出现拉应力（全预应力），或者，把拉应力或裂缝宽度控制在容许范围内（部分预应力）。这样，就可克服钢筋混凝土的不足，改善结构性能，获得经济效益。随着预应力技术和高强材料的出现，也由于新型结构体系以及先进施工方法（如悬臂施工法）的发展，预应力混凝土的理论与实践在桥梁工程中得到了充分体现（见第五章和第八章）。

钢结构　钢结构（steel structure）是钢构件和连接件形成的组合体。在桥梁工程中，桥跨结构是应用钢结构最多的部分，通常采用实腹梁（如钢板梁，钢箱梁），或桁架梁。结构的主要构件常采用 Ⅰ 形、H 形和箱形截面，次要构件也可采用槽形或T形截面。构件的原材料是钢厂轧制的钢板和型钢。通常，需要对这些原材料在工厂内进行加工组合以形成构件，然后在工地进行安装以形成结构。构件之间的连接方式有销接（销钉连接）、铆接（铆钉连接）、焊接（电焊连接）和栓接（高强度螺栓连接）等类。目前常用的是后两种。与钢结构紧密相关的是材料焊接技术以及材料的疲劳和断裂问题（见第六章）。

组合结构　组合结构（composite structure）是指其主体结构的同一截面或各杆件由两种（或两种以上的）材料分别制作并连接形成的结构。组合结构桥梁，则主要指钢与混凝土两种材料制作并连接形成的、共同承受荷载的桥梁结构。组合结构的主要特点是：不同材料的特性不因组合而改变，但组合结构的力学行为却与单一材料形成的结构者不同。构造出合理的组合结构（需重点考虑不同材料构件之间的连接），可有效发挥各自材料的长处，从而改善结构的受力性能、经济效益和施工便易性。桥梁工程中常用的组合结构主要有：钢板梁或开口钢箱梁与混凝土桥面板组合的梁桥，波纹钢腹板或钢构件与混凝土顶、底板组成的梁桥，钢桁架与混凝土桥面板组成的组合桁梁桥、钢管混凝土或型钢混凝土拱桥等。近年来，混合梁、混合塔柱等多种组合结构也逐步得到应用（见第六章）。

基础结构　基础结构（foundation structure）与桥梁下部结构有关。在桥梁工程中，常用的基础结构有扩大基础、桩、管柱、沉井等，常用的施工方法有明挖、钻挖、打入、筑岛、围堰等。某种基础的名称常反映出基础主体结构和施工方法的特征，如明挖扩大基础、打入桩、围堰管柱、筑岛沉井等。明挖扩大基础又称为浅置基础，常用于小桥涵、引桥、附属结构或大、中桥中地质适宜的墩台，其设计施工较为简单。其余的基础结构多用于深水或地质不良的墩台基础，设计施工较为复杂。基础结构的设计与施工除与桥梁上部结构密切相关外，还牵涉到水力学、水文学、地质学和岩土力学等知识，也受到现场情况和不确定因素的影响。因此，除计算工作外，依靠基本理论知识，结合实际情况做出合理的推断，也是十分重要的（见第七章）。

铁道、公路工程　桥梁是线路（铁路、公路）的一个重要组成部分，是为线路服务的。因此，线路设计的技术条件会影响到桥梁设计，对此应当有足够的认识。关于这方面的知识，读者可参阅其他有关书籍。

除上述基础知识和应用学科外，桥梁工程还需用到其他基础或专业知识，如工程制图学、测量学、工程机械等，在此不一一论述。