城市现代有轨电车工程基础及桥梁结构分析

在公路、铁路、城市和农村道路交通建设以及水利建设中，为了跨越各种障碍（如河流、沟谷或其他线路等）必须修建各种类型的桥梁。

1.桥梁的基本组成

桥梁一般由三个基本部分组成，即上部结构、下部结构和支座。

上部结构是桥梁支座以上跨越桥孔的总称，是线路中断时跨越障碍的主要承重结构。下部结构包括桥墩、桥台和基础。桥墩和桥台用来支承上部结构，并将其传来的恒载和车辆活载传至基础。设置在桥跨中间部分的称为桥墩，设置在桥跨两端与路堤相衔接的称为桥台。桥台除了上述作用外，还起到了抵御路堤的土压力及防止路堤的滑塌等作用。单孔桥只有两端的桥台，没有中间的桥墩。墩和桥台底部并与地基相接触的部分，称为基础。基础承受从桥墩或桥台传来的全部荷载，包括竖向荷载以及地震力、船舶撞击墩身等引起的水平荷载。由于基础往往深埋于水下土层之中，是桥梁施工中难度较大且施工复杂的部分，也是确保桥梁安全的关键之一。

支座设置在墩台的顶部，用于支承上部结构的传力装置，它不仅要传递很大的荷载，还要保证上部结构能按设计要求产生一定的变位。

在桥梁建筑工程中，除了上述基本组成部分外，在路堤与桥台衔接处，一般在桥台两侧设置石砌的锥形护坡，以保证迎水部分路堤边坡的稳定。另外，根据需要还常常要进行修筑护岸、导流结构物等附属工程。

2.桥梁受力体系分类

按照桥梁受力体系分类，可分为梁式桥、拱式桥和悬索桥（或称为吊桥），简称“梁、拱、吊”三大基本体系。另外，由上述三大基本体系相互组合，在受力上形成具有组合特征的桥型，如刚架桥、斜拉桥及系杆拱桥等。

下面分别阐述各种桥梁体系的主要受力特点及适用场合。

（1）梁式桥 梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构，由于外力（恒载和活载）的作用方向与桥梁结构的轴线接近垂直，因而与同样跨径的其他结构体系相比，梁桥内产生的弯矩最大，即梁式桥以受弯为主。因此，通常需用抗弯、抗拉能力强的材料（如钢、钢筋混凝土等）来建造。对于中、小跨径的公路桥梁，目前应用最广泛的标准跨径钢筋混凝土或预应力混凝土简支梁（板）桥，其施工方法一般有预制装配式和现浇两种。这种梁桥结构简单、施工方便，且对地基承载力的要求也不高，对于钢筋混凝土简支梁桥，其跨径一般要小于25m，当跨径较大时，应采用预应力混凝土，但其跨径一般不宜超过50m。为了改善受力条件和使用性能，地质条件较好时，中、小跨径梁桥均可修建连续梁桥。对于大跨径和特大跨径的梁桥，可采用预应力混凝土、钢和钢混凝土组合梁桥。如图3-24所示，南京长江第二大桥为梁式桥。

图3-24 南京长江第二大桥北汉桥

（2）拱式桥 拱式桥的主要承重结构是主拱圈或拱肋。在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力，同时，墩台向拱圈或拱肋提供水平反力，这将大大抵消在拱圈或拱肋中由荷载引起的弯矩。因此，与同跨径的梁式桥相比，拱桥的弯矩、剪力和变形却要小得多，拱圈或拱肋以受压为主。拱桥对墩台有水平推力，及承受重结构以受压为主，这是拱桥的主要受力特点。因此，通常可采用抗压能力强的圬工材料（如砖、石、混凝土等）和钢筋混凝土来建筑。但应当注意，由于拱桥往往有较大的水平推力，为了确保拱桥的安全，下部结构（特别是桥台）和地基必须具备能承受很大水平推力的能力。一般应选择地质条件较好的地域修建拱桥。当然，在地质条件不适合于修建具有很大水平推力拱桥的情况下，也可采用无水平推力的系杆拱桥，其水平推力由系杆承受，系杆可由预应力混凝土、钢等制作。另外，也可修建近年来发展起来的水平推力很小的“飞雁式”三跨自锚式系杆拱桥，即在边跨的两端施加强大的水平预加力H，通过边跨拱传至拱脚，以抵消主跨拱脚处的水平推力。

拱桥不仅跨越能力大，而且外形也较美观，在条件允许的情况下，修建拱桥往往是经济合理的。如图3-25所示，上海卢浦大桥为中乘式系杆拱桥，主跨跨径达到550m。

按照行车道处于主拱圈的不同位置，拱桥可分为三种：上承式、中承式、下承式。

（3）悬索桥（也称吊桥） 悬索桥的承重结构，包括主缆、塔柱、加劲梁、锚碇及吊杆。在桥面系竖向荷载作用下，通过吊杆使主缆承受巨大的拉力，主缆悬跨在两边塔柱上，锚固于两端的锚碇结构中，锚碇承受主缆传来的巨大拉力，该拉力可分解为垂直和水平分力，因此，悬索桥也是具有水平反力（拉力）的结构。现代悬索桥的主缆用高强度的钢丝成股编制而成，以充分发挥其优良的抗拉性能。悬索桥结构自重轻，是目前为止跨越能力最大的桥型。另外，悬索桥受力简单明确，在将主缆架设完成之后，便形成了强大稳定的结构支承系统，使得加劲梁的施工安全方便，施工过程中的风险相对较小。相对于其他体系的桥梁而言，悬索桥的刚度最小，属于柔性结构，悬索桥将产生较大的变形。由于悬索桥的刚度小，其静力、动力（如应在设计和施工过程中予以高度重视。

图3-25 上海卢浦大桥

（4）刚架桥（或刚构桥） 桥跨结构主梁或板与墩台（或立柱）整体相连的桥梁称为刚架桥。由于梁和柱两者之间是刚性连接，在竖向荷载作用下，将在主梁端部产生负弯矩，在柱脚处产生水平反力，梁部主要受弯，但其弯矩较同跨径的简支梁小，梁内还有轴力H作用，因此，刚架桥的受力状态介于梁桥与拱桥之间。刚架桥的跨中建筑高度可做得较小，因此，通常适用于需要较大的桥下净空和建筑高度受到限制的情况，如跨线桥、立交桥和高架桥等。

刚架桥在竖向荷载的作用下，一般都会产生水平推力。为此，必须要有良好的地质条件或用较深的基础，也可用特殊的构造措施来抵抗水平推力的作用。另外，刚架桥大多数为超静定结构，故在混凝土收缩、徐变、温度变化、墩台不均匀沉陷和预应力等因素的作用下，均会产生较大的附加内力，应在设计和施工中引起注意。

除了门式刚架桥外，另外还有T形刚架桥、连续刚构桥、斜腿刚架桥。对于大跨径的刚架桥，一般均要承受正负弯矩的交替作用，主梁横截面宜采用箱形截面。如图3-26所示，云南元江大桥为刚架桥（连续刚构），主跨265m，中墩高123.5m。

（5）斜拉桥 斜拉桥的上部结构由塔柱、主梁和斜拉索组成，斜拉桥实际上是梁式桥与吊桥的组合形式。它的主要受力特点是：斜拉索受拉力，它将主梁多点吊起（类似吊桥），将主梁的恒载和车辆等其他荷载传至塔柱，再通过塔柱传至基础和地基。塔柱以受压为主。主梁由于被斜拉索吊起，从而使主梁内的弯矩较一般梁式桥大大减小，这也是斜拉桥具有较大跨越能力的主要原因。主梁由于同时受斜拉索水平力的作用，因此为压弯构件。

斜拉桥的塔柱、拉索和主梁在纵向面内形成了稳定的三角形，因此，斜拉桥的结构刚度较悬索桥大，其抗风稳定性较悬索桥好。在目前所有的桥型中，斜拉桥的跨越能力仅次于悬索桥。但是，当斜拉桥的跨度很大时，悬臂施工的斜拉桥因主梁悬臂过长，承受斜拉索传来的水平压力过大，因而风险较大，塔也过高，外侧斜拉索过长，这也是斜拉桥跨越能力不能与悬索桥相比的主要原因。如图3-27所示，南京长江三桥为斜拉桥，跨径为648m。

图3-26 云南元江大桥

图3-27 南京长江三桥

3.桥梁的其他分类

桥梁除了上述按受力特点分类外，另外还有按桥梁的用途、建桥的材料、大小规模等进行分类的。

（1）按用途来划分 可分为公路桥、铁路桥、公铁两用桥、人行桥、水运桥（或渡桥）和管线桥等。

（2）按主要承重结构采用的材料来划分 可分为钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、圬工桥（包括砖、石、混凝土）、钢桥、钢-混凝土组合桥和木桥等。木材易腐，而且资源有限，因此，除了少数用于临时性桥梁外，一般不采用。

（3）按桥梁总长和跨径的不同来划分 可分为特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞。

4.桥梁施工

连续梁桥的施工 连续梁桥的构造和受力特点与简支梁桥有很大的区别，由于其主梁的长度和重量大，除采用整体支架现浇的方法外，一般很难能像简支梁那样将整根梁一次浇筑或架设完成。

连续梁桥目前常用的几种施工方法，包括逐孔施工法、悬臂施工法和顶推施工法，这几种方法也可统称为“节段施工法”。

（1）逐孔施工法

1）支架施工。在支架上浇筑连续梁时，其支架、模板、钢筋工程、混凝土工程等各主要施工过程，连续梁在中墩支点处结构连续，为超静定结构，所以必须重视以下因素的影响。

①不均匀沉降的影响。墩、台的刚度比临时支架的刚度大得多，支架及其基础的不均匀沉降往往导致主梁在支点截面处开裂。

②混凝土收缩的影响。由于每次浇筑的梁段较长，混凝土的收缩受到桥墩、支座摩阻力和先浇部分混凝土的约束，也容易引起主梁开裂。(www.xing528.com)

为了在施工过程中消除上述影响，可采用设置工作缝或者分段浇筑的方法。工作缝应设在主梁弯矩和剪力较小的部位，一般可设在墩台的顶部。若支架采用了较大跨径的梁式构件，则在其两端支点上方也应设置工作缝。梁段间工作缝宽度一般为0.8～1m，两端用木板与梁体隔开，并留出钢筋通过的孔洞。待梁体混凝土浇筑完成，沉降和收缩稳定后，再拆除隔板，凿毛并清洗端面，然后浇筑接缝混凝土。

有时为了避免设置工作缝的麻烦，也可以采取不设工作缝的分段浇筑方法。每个分段应根据实际情况采用水平分层或斜层法浇筑混凝土。当桥面较宽、混凝土数量较大时，可将梁分成若干纵向单元分别浇筑。

2）移动模架施工。移动模架施工法是利用机械化支架和装配式模板逐跨地移动，现浇混凝土施工。它像一座设在桥孔上的活动预制场，随着模架的不断移动实现连续浇筑施工。常用的移动模架可分为支承式模架和悬吊式模架两大类。

支承式移动模架由承重梁、导梁、台车、桥墩托架和模架等构件组成。在桥墩两侧各设置一根承重梁，用来支承模架和承受施工重力。承重梁的长度要大于桥梁跨径，浇筑混凝土时承重梁支承在桥墩托架上。导梁主要用于运送承重梁和模架，因此，其长度应大于两倍桥梁跨径。前端台车在导梁上行走，后端台车在已建成的梁上行走。其施工流程，叙述如下。

①浇筑混凝土，混凝土达到规定强度后施加预应力。

②脱模卸架，由台车将承重梁和模架运送至下一桥孔。

③承重梁就位后，再将导梁向前移动，准备下一循环的浇筑工作。

施工时，连续梁分段时的接头部位应放在弯矩最小的部位，应通过计算确定，若无详细计算资料，可以取距离桥墩1/5处。预应力筋锚固在浇筑缝处，浇筑下一孔梁段前再用连接器将预应力筋接长。

移动模架法适用于20～50m跨径的等截面连续梁桥，也可以用来修建多跨简支梁桥。这种方法有以下特点：

①不需要设置地面支架，施工不受河流、道路、桥下净空和地基等条件的影响。

②机械化程度高，劳动力少，质量好，施工速度快，安全可靠。

③只要下部结构稍提前施工，之后上下部结构可同时平行施工，缩短工期。而且施工从一端推进，梁建成后就可用作运输便道。

④整套设备投资较大，准备工作较复杂，要求施工人员具有较熟练的操作技术，用于长度较大、孔数较多的桥梁较经济。

3）装配整体施工。装配整体施工法的基本构思是：将整根连续梁按吊装能力先分段预制，然后用各种安装方法将预制构件安装至墩、台或临时支架上，再现浇接头混凝土，最后通过张拉部分预应力筋，使梁体整体成为连续体系。用此法施工可以避免采用满堂支架，最大限度地减少在桥上现浇混凝土的数量，并能使上部结构的预制工作和下部结构的施工同时进行，显著缩短工期。在施工中可采用三种分段方式：简支-连续、单悬臂-连续以及双悬臂-连续。

其中简支连续的方式由于施工方法简单，质量可靠，可适应空心板、T形梁、箱形梁等多种截面形式，便于工厂化生产、装配式施工，可用简支梁的施工工艺达到建造连续梁桥的目的，因此近年来在中小跨径连续梁桥中得到了广泛应用。其施工过程通常为：

①按简支梁预制梁体构件，并张拉正弯矩预应力筋；预制时应预留顶板负弯矩预应力孔道，并预设齿板，预留工作人孔。

②根据施工条件用各种方法将梁体安装就位，支承在墩顶两侧的临时支座上；为使临时支座拆除方便，目前应用较多的是硫黄砂浆，内部盘有电热丝；硫黄砂浆的配比应严格控制，既要保证强度，又能在需要拆除时通电融化。

③在墩顶的设计位置安放永久支座，布置模板，按设计要求连接相邻梁端预留钢筋，在顶部布设与相邻梁体对应的负弯矩预应力筋孔道，浇筑接缝混凝土。

④接缝混凝土养护达到规定强度后，拆除模板，穿束张拉承受墩顶负弯矩的预应力筋并锚固，拆除临时支座，使结构转换成连续体系。

（2）悬臂施工法 悬臂施工法是以桥墩为中心，向两岸对称地、逐节悬臂接长的施工方法。现代的悬臂施工法，最早主要用来修建预应力混凝土T型刚构桥。由于其独特的优越性，后来又被推广应用于建造预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥和拱桥等，如图3-28所示。

图3-28 悬臂施工法全貌

按照悬臂接长的方式不同，悬臂施工法可分为悬臂浇筑法和悬臂拼装法两大类。

1）悬臂浇筑法 悬臂浇筑是以桥墩为中心，在悬吊模架（挂篮）上向两岸对称平衡地浇筑梁端混凝土，待每段混凝土养护并达到规定强度后，张拉预应力筋并锚固，再将挂篮前移，以供浇筑下一节段之用。

悬臂浇筑的每个节段长度一般为3～4m，特大桥也不宜超过6m。节段太长，将增加混凝土自重与挂篮结构的重量，同时还要相应增加平衡重或挂篮后锚固设施；节段过短，影响施工进度。因此应根据设备条件、受力情况以及工期等因素，选择合适的节段长度。

挂篮是悬臂浇筑的主要施工设备，它是一个能够沿轨道行走的活动模架，悬挂在已经张拉锚固的梁段上。在挂篮上可进行下一节段的模板、钢筋的安装，预留孔道，混凝土浇筑和预应力张拉、压浆等工作。完成一个循环后，挂篮即可前移一个节段，再固定在新的节段位置上，如此循环直至悬臂梁浇筑完成。

悬臂浇筑法施工的主要优点是：不需要占地很大的预制场地；逐段浇筑，易于调整和控制梁段的位置，整体性好；不需要大型机械设备；主要作业在设有顶棚、养生设备等的挂篮内进行，不受气候条件影响；各段施工属严密的重复作业，需要施工人员少，技术熟练快，工作效率高等。主要缺点是：梁体部分不能与桥墩平行施工，施工周期较长，而且悬臂浇筑的混凝土加载龄期短，混凝土收缩和徐变影响较大。

2）悬臂拼装法 悬臂拼装法施工，是在工厂或桥位附近将梁体沿轴线划分成适当长度的节段进行预制，然后将预制节段运至架设地点，用悬拼吊机起吊后向桥墩两侧对称均衡地拼装就位，张拉预应力筋。重复这些工序直至拼装完全部节段为止。

悬拼施工适用于预制场地及吊运条件好，工程量大和工期较短的连续梁、刚构桥的施工。其主要优点是：梁体块件的预制和下部结构的施工可同时进行，拼装成桥的速度较现浇的快，可显著缩短工期；块件在预制场内集中制作，质量较易保证；混凝土收缩、徐变的影响小，可减少预应力损失；施工不受气候影响。其缺点是：需要占地较大的预制场地；为了移运和安装需要大型的机械设备，如果不用湿接缝，则块件安装的位置不易调整。

图3-29 顶推施工流程

悬拼施工工序主要包括：梁体节段的预制、移位、堆放、运输、节段起吊和拼装；合拢段施工以及结构体系转换。悬拼的核心是梁体节段的吊运与拼装，节段预制是悬拼的基础。

（3）顶推施工法 顶推施工是在沿桥纵向的台后设置预制场地，分节段预制梁体，并用纵向预应力筋将预制节段与施工完成的梁体连成整体，然后通过水平千斤顶施力，将梁体向前顶推出预制场地，之后继续在预制场进行下一节梁的预制，循环操作直至施工完成，如图3-29所示。

由于不需要大型起重设备，梁体预制节段的长度可适当增加，一般可取10～20m。

在顶推过程中为了减少悬臂负弯矩，一般要在梁的前端安装一节长度为顶推跨径0.6～0.7倍的钢导梁，导梁应自重轻而刚度大。当跨径较大时，可能需要在桥墩间设置临时支墩。

顶推装置和滑道是顶推法中重要的施工设备。根据顶推装置不同的传力方式，顶推工艺又有推头式或拉杆式两种。

推头式是由水平千斤顶与竖向千斤顶联合使用，顶推预制梁前进。

它的施工程序为：利用竖向千斤顶将梁顶起后，起动水平千斤顶推动竖向千斤顶（推头），推头与梁底间橡胶垫板（或粗齿垫板）的摩擦力显著大于推头与桥台间滑板的摩擦力，这样就能将梁体向前推动。水平千斤顶完成一个行程后，降下竖向千斤顶使梁体落在支承垫板上，水平千斤顶退回，然后再重复上一循环将梁推进。