道路与桥梁工程概论

道路与桥梁工程概论
道路的分类与技术标准
一、道路的分类
道路的功能主要是为各种车辆和行人服务，按其所处的位置、交通性质及使用特点的不同，道路可分为公路、城市道路、厂矿及林业道路等。

（一）公路
公路是联结城、镇和工矿基地、港口及集散地等，主要供汽车行驶，具备一定技术和设施的道路。

而公路工程是以公路为对象而进行的规划、设计、施工、养护和管理工作的全过程及其所从事的工程实体。

我国公路根据其使用任务、性质和适应的交通量，按照交通部颁布的《公路工程技术标准》，把公路分为：高速公路、一级公路、二级汽车专用公路、二级公路、三级公路、四级公路六个等级。

高速公路：具有特别重要的政治、经济意义，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路。

一级公路：连接重要的政治、经济中心，通往重点工矿区、港口、机场，专供汽车分道行驶并部分控制出入的公路。

二级公路：连接重要政治、经济中心或大工矿区、港口、机场等地的公路。

三级公路：沟通县以上城市的公路。

四级公路：沟通县、乡、镇、村的公路。

1、城市道路的分类
1）快速路
快速路主要设置在特大或大城市，为城市中大量、长距离的快速交通服务，是联系城市各主要功能分区及过境交通服务。

快速路采用分向、分车道、全立交和控制进、出口。

2）主干路
主干路是联系城市中功能分区（如工业区、生活区、文化区等）的干路，是城市内部的大动脉，并以交通功能为主，担负城市的主要客、货运交通。

3）次干路
次干路是城市中数量较多的一般交通道路。

次干路与主干路组合成道路网，起集散交通的作用，兼有服务的功能。

4）支路
支路是城市中数量较多的一般交通道路。

支路为次干路与街坊路的连接线，解决局部地区交通，以服务功能为主。

2、城市道路的分级
在上述城市道路的分类中，除快速路以外，每类道路按照所在城市的规模、设计交通量、地形等条件，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。

大城市应采用各类道路中的Ⅰ级标准、中等城市应采用各类道路中的Ⅱ级标准、小城市应采用各类道路中的Ⅲ级标准。

有特殊情况需要变更级别时，应做技术经济论证，报规划审批部门批准。

（三）厂矿道路和林业道路
1、厂矿道路
厂矿道路主要是为工厂、矿区交通服务的。

厂矿道路因其功能的不同，可分为厂外道路、厂内道路和露天矿山道路。

1）厂外道路
厂外道路是为厂矿企业与公路、城市道路、车站、港口、原料基地和其他厂矿企业等相连接的对外道路；或本厂矿企业（露天矿除外）分散的厂（场）区、居住区等之间的联络道路；或通往本厂矿企业（露天矿除外）外部各种辅助设施的辅助道路。

2）厂内道路
厂内道路是为厂（场）区、库区、站区、港区等的内部道路。

3）露天矿山道路
露天矿山道路是为矿区范围内采矿场与卸车点之间、厂（场）区之间行驶自卸汽车的道路；或通往附属厂（车间）和各种辅助设施行驶各类汽车的道路。

2、林业道路
林业道路是修建在林区内为发展林业生产服务的道路，在林区内构成林道网。

林道网一般是由基本道路和营林道路所组成。

1）基本道路是指从各基本经营单位（国营林场）通往储木场的道路。

他的主要作用是运输木材，兼有为地方交通运输服务的作用。

2）营林道路
营林道路是对林地以及确定改造成为林地的荒山、疏林地、灌木林地等，进行各项林业经营活动所需要的道路。

道路的设计分为初步设计、技术设计和施工图设计阶段：
1、初步设计
初步设计阶段的目的是确定设计方案。

必须根据批复的可行性研究报告、测设合同的要求，拟定修建原则，选定设计方案，计算工程数量，提出施工方案意见，编制设计概算，提供文字说明及图表资料。

初步设计文件经审查批复后，则为订购主要材料、机具、设备，安排重大科研试验项目，联系征用土地、拆迁，进行施工准备，编制施工图设计文件和控制建设项目投资等的依据。

采用三阶段设计时，经审查批复的初步设计亦为编制技术设计文件的依据。

2、技术设计
技术设计应根据初步设计批复意见、测设合同的要求，对重大、复杂的技术问题通过科学试验、专题研究，加深勘探调查及分析比较，解决初步设计中未解决的问题，落实技术方案，计算工程数量，提出修正的施工方案，修正设计概算。

批准后则为编制施工图设计的依据。

技术设计应根据初步设计批复的意见、测设合同和需要解决的技术问题，满足下列有关要求：
对初步设计所定方案详加研究，进一步补充和修正。

补充必要的地质、水文、气候、地震和地质钻探资料，以及土工、材料、结构或模型试验成果。

提出科学试验成果、专题报告。

提出修正的施工方案。

编制修正概算
3、施工图设计
两阶段（或三阶段）施工图设计应根据初步设计（或技术设计）批复意见、测设合同，进一步对所审定的修建原则、设计方案、技术决定加以具体化和深化，最终确定各项工程数量，提出文字说明和适应施工需要的图表资料以及施工组织计划，并编制施工图预算。

而一阶段施工图设计应根据可行性研究报告批复意见、
测设合同的要求，拟定修建原则，确定设计方案和工程数量，提出文字说明和图表资料以及施工组织计划，编制施工图预算，满足审批的要求，适应施工的需要。

桥梁的基本组成部分
一、桥梁的基本组成部分
1、桥跨结构
桥跨结构又称桥孔结构、上部结构，是在线路中跨越障碍物的结构物，也是主要的承重结构。

2、桥墩、桥台
桥墩、桥台又称下部结构，是支承上部结构并将荷载传递给地基的建筑物。

桥台是设置在两侧，而桥墩设置在桥台的中间。

3、墩、台基础
墩、台基础是保证桥墩、桥台的安全，埋置在土层之中，使桥上全部荷载传递给地基的结构物。

二、桥梁布置的主要尺寸
（一）梁式桥
1、净跨径（λ0）
净跨径是设计洪水位线或通航水位线上相邻两墩、台之间的水平距离。

2、总跨径（∑λ0）
总跨径也称桥梁孔径，是各孔净跨径的总和，他反映了桥梁的排泄洪水的能力3、计算跨径（λ）
计算跨径是桥跨结构两支点之间的距离。

因而桥跨结构的内力计算是以计算跨径为准。

4、桥梁全长（L）
桥梁全长也称桥长，是桥梁两桥台侧墙或八字尾端间的距离；当无桥台时，桥梁全长为桥面系行车道的长度。

5、桥梁总长（L1）
桥梁总长是桥梁两桥台台背前缘间的距离。

6、桥梁高度（H1）
桥梁高度也称桥高，是桥面至枯水位的距离。

7、桥下净空高度（H）
桥下净空高度是设计洪水位或通航水位至桥跨结构最下缘的距离。

桥下净空高度值不得小于因排洪所需要的，以及对该河流通航所规定的净空高度。

8、建筑高度（h）
建筑高度是桥面（或轨顶）对桥跨结构最低边缘的差值。

（二）拱桥
1、桥跨结构
桥跨结构或上部结构是由主拱圈（或主拱肋）、拱上建筑所组成。

2、净矢高（f0）
净矢高是拱顶截面拱腹至相邻两拱脚截面下缘连线的垂直距离。

3、计算矢高（f）
计算矢高是拱顶截面拱轴线至相邻两拱脚截面轴线连线的垂直距离。

4、拱上建筑
拱上建筑是在行车道系与主拱之间传递荷载的构件或填充物。

拱上建筑可分为
实腹式和空腹式两种。

第二节桥梁的主要类型
一、桥梁的分类
（一）按用途分
桥梁按用途可分为：公路桥、铁路桥、公铁两用桥、农桥、运水桥（或渡槽）、其他专用桥等。

（二）按跨径分
桥梁按跨径可分为：特大、大、中、小桥。

当8m≤L<30m 或5m≤λ<20m 时，称为小桥；
当30m≤L<100m 或20m≤λ<40m 时，称为中桥；
当L≥100m 或λ≥40m 时，称为大桥；
当L≥500m 或λ≥100m 时，称为特大桥。

（三）按主要承重结构所用材料分
桥梁按主要承重结构所用材料可分为：木桥、钢桥、圬工桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥等。

（四）按结构体系分
桥梁按结构体系可分为：梁式桥、拱式桥、刚架桥、悬索桥、斜拉桥以及各种组合式桥等。

（五）按上部结构的行车道位置分
桥梁按上部结构的行车道位置可分为：上承式、中承式和下承式等。

（六）按跨越障碍物的性质分
桥梁按跨越障碍物的性质可分为：跨河桥、跨线桥、跨越深谷桥、高架桥、栈桥等。

（七）其他种类
桥梁的其他种类除固定式桥外，还有开启桥、浮桥、漫水桥等。

二、桥梁的结构体系
（一）梁式体系
梁式体系是一种在竖向荷载作用下无水平推力的结构。

由于梁桥恒载和活载的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，因而梁内产生的弯矩最大，通常需要用抗弯性能强的材料（如钢、木、钢筋混凝土、预应力混凝土等）来建造。

梁式桥主要有：简支梁桥和连续梁桥。

（二）拱式体系
1、拱桥的演变过程
2、拱桥的分类
（1）按主拱圈（肋）所用的材料分
砖钢筋钢劲性钢桁架钢管
圬工拱桥石，混凝土，，骨架混凝土，混凝土
混凝土块拱桥拱拱桥钢管混凝土拱桥
（2）按拱上建筑的形式分
可分为：实腹式拱桥和空腹式拱桥。

（3）按桥面所处的位置分
可分为：上承式、中承式和下承式拱桥。

（4）按有无推力分
可分为：有推力拱桥和无推力拱桥。

（5）针对钢筋混凝土拱桥来说，又可按结构体系分和按主拱圈（肋）分
1）按结构体系分
①简单体系拱桥
简单体系拱桥上的全部荷载均由主拱圈（肋）单独承担，而水平推力直接由墩台或基础承担。

Ⅰ单铰拱
Ⅱ两铰拱
Ⅲ三铰拱
Ⅳ无铰拱
②组合体系拱
组合体系拱是将主要承受压力的拱肋和行车道梁组合而成共同承受上部荷载，这样可以充分发挥拱肋和行车道梁的共同作用，达到节省材料的目的。

Ⅰ组成
Ⅱ分类
a 无推力组合拱
一种：柔性系杆刚性拱在刚度比E肋I肋/E系I系＞80时，可以认为所有的弯矩均由拱肋承担，而系杆只承受轴向力。

二种：刚性系杆柔性拱在刚度比E肋I肋/E系I系＜1/80时，可以认为系杆不仅要承受拉力，而且还要承受弯矩；对于拱肋只承受轴向力，而不承受弯矩。

三种：刚性系杆刚性拱在刚度比E肋I肋/E系I系=1/80〜80时，可以认为系杆和拱肋共同承受纵向力和弯矩。

b 有推力组合拱
一种：刚性梁柔性拱
二种：刚性梁柔性拱
2）按主拱截面形式分
①板拱桥
主拱圈的横截面是矩形实体截面的拱桥。

②肋拱桥
在板拱桥的基础上，将板拱桥的主拱圈划分成两条或多条肋形成分离的、高度较大的拱肋，而肋与肋之间用横梁连接的拱桥。

③双曲拱
主拱圈的横截面是由一个或几个横向小拱所组成，由于主拱圈在纵向和横向均呈曲线，因而称之为双曲拱桥。

④箱形拱
将实心的板拱桥截面挖成空心的箱形截面，称为箱形拱桥。

（三）钢筋混凝土刚架桥
桥跨结构（主梁）和墩台（立柱）整体相连的桥梁。

由于主梁与立柱之间是刚性连接，在竖向荷载的作用下，在主梁端部产生负弯矩，这样就可以减少跨中的正弯矩，跨中截面尺寸也就随之减少。

而立柱除要承受压力外，还要承受弯矩，在柱脚处还要承受水平推力。

1、刚架桥的类型
直柱式（门式刚架、直腿刚架）
单跨刚架桥
斜柱式（斜腿刚架）
刚架桥类型
连续式
多跨刚架桥
非连续式（T型刚架）
2、刚架桥的构造特点
1）桥面构造
桥面构造与梁式桥相同。

2）主梁的截面形式
主梁的截面形式与梁式桥相同。

但主梁的纵截面可以是等截面、等高度和变高度等三种截面形式；而变高度截面形式的主梁底缘形式可以是曲线形、折线形和曲线加直线形等。

3）立柱
立柱的形式有薄壁式和立柱式（单柱和多柱）两种；而立柱的横截面可以是实体矩形、I字形、箱形等。

4）节点的构造
刚架桥的节点是指立柱与主梁相连接的地方，又称角偶节点。

3、刚架桥的主要尺寸
刚架桥的主要尺寸是主梁的跨度和高度、立柱的高度和厚度，以及桥面的横向宽度。

（四）吊桥
1、概述
由受拉的悬索作为承重结构的桥梁，称为吊桥。

吊桥可分为悬索桥和牵索桥两种。

牵索桥是由缆索组成的几何不变的牵索桁架作为承重结构。

悬索桥是由悬索、桥塔、吊杆、加劲梁或桥面系、锚碇五部分所组成。

2、主要体系
（1）柔性吊桥
柔形吊桥是没有加劲梁的。

（2）刚性吊桥
1）单链吊桥
单链吊桥是指在一个吊杆平面内只设一根悬索。

这种形式在半跨有活载作用下会产生S形变形。

2）双链吊桥
双链吊桥是指在一个吊杆平面内设有两根悬索。

下链的形式是根据桥面半跨有活载时，用来适应该荷载的力多边形来定出的。

3、结构布置
（1）悬索的横向布置
（2）吊杆的布置
吊杆的布置形式一般有竖向布置和斜向布置两种。

（3）锚固的形式
锚固的形式主要有：外锚式和自锚式两种。

外锚式是把锚固梁或锚固支架放在吊桥结构外的山体或者庞大的桥台中。

自锚式是把锚索在加劲梁的端部联结，锚索的水平分力传递给加劲梁，而垂直分力则通过连杆支座传递给桥台。

4、构造特点及施工
（1）悬索
悬索是由若干通长的钢丝绳或平行钢丝索组成。

钢丝绳：目前我国常用的是直径2.8mm〜4.0mm的高强钢丝分层左旋或右旋绞合而成。

钢绞线钢丝绳常用7H19、7H37、7H61的钢绞线组成。

平行钢丝索的架设方法可采用空中架线法和工厂预制法两种。

空中架线法是以卷在卷扬机卷筒上的长的单根钢丝为原料，用一个移动的纺轮在已架好的辅助缆索上来回移动架设形成股，再将这种绳股按19股、37股、61股配置成六角形并捆紧而形成圆形钢缆。

（2）索夹
悬索桥的悬索和吊杆的连接，一般采用钢性索夹把悬索箍紧，使悬索在受拉时产生的收缩变形不致滑动，而索夹的下端伸出铸铁吊环，通过销栓把吊杆与吊耳相连。

索夹的形式有六边形和圆形两种。

六边形索夹常用于中、小跨径吊桥，由于钢索的数目不多，钢索常排列成六边形截面，与之相适应，索夹也采用六边形；而大跨径吊桥中，由于悬索常采用圆形截面的平行钢丝索，因此索夹也采用圆形。

（3）桥塔
桥塔是用于支撑悬索，承受由悬索传来的水平分力和垂直分力。

对于桥塔的形式，由于悬索的布置多采用两个平面，因此必须设置两根立柱来支撑两根或四根悬索，为了使整个桥塔在横向成为能承受悬索和桥面系上全部横向风荷载的刚性结构，往往在桥塔顶和桥面上设置强大的横系梁，连接两根立柱而形成框架。

（4）加劲梁
加劲梁可以是：钢板梁、钢桁梁和钢箱梁。

加劲梁的力学体系有：简支体系和连续体系。

简支加劲梁在桥塔处的内力最小，在梁端的角变量、伸缩量和挠度（包括竖向和横向挠度）均较大；而连续加劲梁在桥塔处的内力最大，对于一般公路吊桥是可以满足行车要求的，但对于铁路吊桥难于满足要求，因此公路吊桥的加劲梁多采用简支体系，公铁两用吊桥都采用连续加劲梁。

（五）斜拉桥
斜拉桥又称斜张桥，是一种桥面体系受压，支承体系受拉的组合桥梁。

其桥面体系是由加劲梁构成，而支承体系是由钢索组成。

斜拉桥的特点：
1）斜拉桥主梁上的荷载是通过锚固点直接传递给斜拉索的，而悬索桥则是通过吊杆传递给柔性承重索的，因此两者的结构刚度有较大的区别。

2）悬索桥的承重索是锚固在桥台或后台专设的锚碇上，其主梁是不承受轴力的；在斜拉桥中，主梁是要承受巨大的轴向力，形成偏心受压构件。

3）斜拉桥是可以进行内力调整，也可以改变桥梁的刚度。

在健康检查中，如发现斜拉索失效，则可以更换；而悬索桥则无法办到。

1、斜拉桥的主要结构构造与形式
斜拉桥的主要是由：主梁、索塔和拉索组成的。

（1）拉索的布置与类型
①拉索的纵向布置
拉索的纵向布置常用的有：辐射形、竖琴形、扇形和星形等四种。

②拉索的横向布置
拉索的横向布置有：单索面和双索面两种。

③拉索的分类
根据拉索与主梁的相对刚度关系，拉索可分为：柔性拉索和刚性拉索两大类。

柔性拉索可采用高强度钢材，其抗弯刚度一般比主梁小。

刚性拉索是在拉索外包上预应力混凝土的结构。

④斜拉索的倾角
斜拉索的倾角应从塔高与梁跨的比值、拉索的合理布置等方面综合考虑。

一般来说，当拉索的纵向布置是按竖琴形布置时，其倾角为26∘〜38∘；当拉索的纵向布置是按辐射形布置时，其倾角为21∘〜30∘，以25∘左右居多。

⑤拉索与索塔之间的关系
一种塔上设置索鞍，拉索不间断地跨越索鞍。

二种拉索锚固于索塔
（2）主梁的结构与类型
1）主梁的类型
按主梁的材料有：钢主梁、混凝土主梁、钢与混凝土的结合梁、钢梁与混凝土梁的混合式主梁等。

按主梁的力学体系有：连续梁、单悬臂梁、T形刚构、连续刚构等。

①连续梁
这种构造往往在墩台支承处设置活动支座，以便使温度变形均匀，而水平变形由拉索予以约束。

②单悬臂梁
③T形刚构
T形刚构在梁根部与墩、塔连成整体，形成十字固结，在此处要抵抗很大的负弯矩。

④连续刚构
在多跨桥梁中，为了减少变形缝而不需设置挂梁，这样就形成了连续刚构。

2）主梁的截面形式
主梁的截面形式有：工字形、矩形或倒梯形的箱形。

桥面板的形式有：正交异性钢桥面板和钢筋混凝土桥面板。

（3）索塔的结构与类型
斜拉桥的索塔是通过拉索将梁体弹性支承，并以承受压弯为主的一个重要结构。

①塔高
当为单塔时，塔高H=（1/3〜1/4）L主跨
当为双塔时，塔高H=（1/4〜1/6）L中跨
②索塔的布置形式
③索塔的材料
索塔的材料有：钢筋混凝土、预应力混凝土、钢等。

④索塔、主梁和墩台相互之间的连接形式
索塔、主梁和墩台相互之间的连接形式有：全固结型（刚构体系）、塔墩固结型（飘浮体系）、塔梁固结型（支承体系）。

2、悬臂梁桥、多跨刚架桥与斜拉桥的异同
（1）用悬臂施工法施工预应力连续梁桥和刚架桥的制约因素
①由于跨度的增大使悬臂梁的刚度增大的同时，梁的自重弯矩也大大增大；
②长悬臂施工时，使悬臂箱梁下翼缘的压应力迅速增大；
③由于主跨悬臂增大，使悬臂梁中的预应力钢束成倍增加。

（2）悬臂施工桥梁中的预应力钢束与斜拉桥中的斜拉索在受力性能上有所不同
①斜拉桥中的拉索比悬臂施工桥梁中的预应力钢束要大；
②斜拉索的疲劳强度；
③斜拉索的防护；
④风振引起斜拉索疲劳失效
⑤最为根本的不同在于
一方面：对于悬臂梁桥中预应力钢束的竖向分力仅起到改善梁的抗剪作用，而对于斜拉桥斜拉索拉力的竖向分力能给梁提供竖向弹性支撑的作用；
二方面：斜拉索提供的竖向分力可以抵消梁节段产生的向下的重力，并在未加外荷载前可以不产生弯矩，而在营运荷载作用下，减少两个斜拉索之间的局部弯矩至最小的值。

3、斜拉桥的几个特殊问题
①预应力混凝土斜拉桥长悬臂不对称、不平衡施工问题；
②斜拉桥的索力测试和长索应力松弛问题；
③斜拉桥中斜拉索的耐久性与防腐问题；
④斜拉索的风雨振动现象和振动控制；
⑤钢箱加劲梁斜拉桥的桥面沥青混凝土铺装问题。