第1章 绪论
[教学提示] 本章主要介绍桥梁的基本组成、分类以及国内外桥梁发展状况。
[教学要求] 通过本章的学习，要求掌握桥梁有关的基本概念、基本组成以及梁桥、拱桥、刚构桥、悬索桥等基本桥型和组合体系桥型的概念和基本特点，了解国内外桥梁的发展现状和新技术的应用情况。
1.1 桥 梁 概 述
土木工程（civil engineering）是以房屋、桥梁、道路等工程设施为研究对象的学科，是建造各类工程设施的科学技术的统称。所谓工程设施，指由若干构件组成并固定于地面，能为人们提供服务且能安全承受各种荷载的建筑结构物。土木工程既指工程设施本身，也指与其相关的各种技术活动。
桥梁工程（bridge engineering）是土木工程的一个分支。“桥梁工程”一词通常有两层含义：一是指桥梁建筑的实体；二是指建造桥梁所需的科技知识，包括桥梁的基础理论和研究，以及桥梁的规划、设计、施工、运营、管理和养护维修等。
桥梁（bridge）就是供车辆（汽车、列车）和行人等跨越障碍（河流、山谷、海湾或其他线路等）的工程建筑物。简而言之，桥梁就是跨越障碍的通道。“跨越”一词，突出表现出桥梁不同于其他土木建筑的结构特征。从线路（公路或铁路）的角度讲，桥梁就是线路在跨越上述障碍时的延伸部分或连接部分。
当原始人类尚不知如何造桥时，会利用自然界的物体，如天然倒下的树干（梁的雏形）、因自然地壳变化侵蚀而形成的拱状物（拱的雏形）、森林里攀缠悬挂的藤萝（索的雏形）等，来帮助他们跨越溪流、山涧和峡谷。人类的学习和创造能力，逐渐促使他们在遇到溪流山涧时自己动手建造简陋的桥梁，例如碇步桥、圆木桥、踏板桥等。碇步桥（step-stone bridge）可能是桥梁起源的标志，它是沿河道横向间断摆放的高出水面的一连串的石头，以便帮助人们在水流较小时踏石过河。将未经刨削加工的树干搭放在小溪两岸而成的桥，为圆木桥或独木桥（log bridge）。将稍长稍平坦的石板搁放在石堆上，就形成踏板桥（clapper bridge）。这些桥的共同特点是建桥材料不用加工，使用时间不长。等到人类已能够聚族而居、拥有简单生产劳动工具的时候，桥梁也势必得到发展。
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尽管对桥梁起源的考察还没有确切的结论，但可以确定的是，桥梁是随着历史的演进和社会的进步而逐渐发展起来的。综观近代历史，每当陆地交通运输工具（火车、汽车）发生重大变化（这对桥梁在载重、跨度方面提出新的要求），每当工程材料（钢材、混凝土）产生重大进步，便会推动桥梁工程技术的发展。桥梁发展到今天，其基本类型虽仍是梁桥、拱桥和悬索桥，但设计建造更加先进合理、建筑材料更加坚固耐用、结构形式更加丰富多彩、使用功能更加完备齐全。
在当今社会中，大力发展交通运输事业，建立四通八达的公路、铁路交通网，对促进交流、发展经济、提高国力具有非常重要的意义。在公路、铁路线路中，桥梁以及涵洞（culvert）是其重要组成部分。从技术上讲，一座重要的特大跨度桥梁通常会集中体现出一个国家在工程设计、建筑材料和制造工艺等方面的水平。从经济上讲，一条线路中桥涵的造价通常要占到线路总造价的 10%～20%（对山区公路和铁路，这一比值会更高，有时高达80％以上）。从美学上讲，桥梁不仅仅是满足实用要求的工程结构物，还常作为建筑艺术实体长久地存在于社会生活之中。那些工程宏大、结构造型雄伟壮观的大桥，往往成为一座城市的标志和骄傲。
我国幅员辽阔，大小山脉纵横，江河湖泊众多。随着社会主义市场经济的快速发展，需要大力加强基础设施（包括公路、铁路、地铁、轻轨）建设，迫切需要修建大量的公路、铁路和城市桥梁。
1.2 桥梁的组成、分类和结构体系
1.2.1 桥梁的组成
桥梁组成部分的划分与桥梁结构体系有关。如图 1.1所示的常见简支梁桥，通常由以下几部分组成。
图1.1 简支桥梁的基本组成
1.2.1.1 上部结构
上部结构（superstructure）指桥梁位于支座以上的部分。它包括桥跨结构和桥面构造两部分：前者指桥梁中直接承受桥上交通荷载的、架空的主体结构部分，后者则指为保证桥跨结构能正常使用而需要建造的桥上各种附属结构或设施。
桥跨结构的形式多样。对梁桥而言，其主体结构是梁；对拱桥而言，其主体结构是拱肋；
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对悬索桥而言，其主体结构是缆索。详见后面章节的论述。
附属结构或设施（accessory facilities）是指公路桥的行车道铺装，铁路桥的道砟、枕木、钢轨，伸缩装置，排水防水系统，人行道，安全带（护栏），路缘石，栏杆，照明等（见第5章）。
1.2.1.2 下部结构
下部结构（substructure）指桥梁位于支座以下的部分，也叫支承结构。它包括桥墩（pier）、桥台（abutment）以及墩台的基础（foundation），是支承上部结构、向下传递荷载的结构物（见第9章）。桥梁墩台的布置是与桥跨结构相对应的。桥台设在桥跨结构的两端，桥墩则分设在两桥台之间。桥台除起到支承和传力作用外，还起到与路堤衔接、防止路堤滑塌的作用。为此，通常需在桥台周围设置锥体护坡。墩台基础是承受由上至下的全部荷载（包括交通荷载和结构重力）并将其传递给地基的结构物，它通常埋入土层之中或建筑在基岩之上，时常需要在水中施工。
架空的主体结构与支承结构一起，组成承重结构（load-bearing structure）。承重结构由梁、墩或柱、拱、塔、缆等构件组成，例如由梁、桥墩、桥台组成的梁桥，由塔、缆、锚碇组成的悬索桥等。承重结构承受荷载、跨越空间并支承在基础之上。承重结构的任何一部分破坏，结构就破坏；而结构附属部分的破坏，则不会导致结构的彻底破坏。
1.2.1.3 支座
在桥跨结构与墩台之间，还需要设置支座（bearing），以连接桥跨结构与桥梁墩台，是荷载由上部结构向下部结构传递的途径，详细介绍见第8章。
除此之外，根据具体情况，与桥梁配套建造的附属结构物可能还有挡土墙、护坡、导流堤、健康检测、检查设备、台阶扶梯、导航装置等。
为便于读者理解，现结合图 1.1，对桥梁工程常用的专有名词和技术术语简要说明如下。 主桥与引桥：对规模较大的桥梁工程，通常包含主桥（main bridge or bridge proper）与引桥（bridge approach）两部分。正桥指桥梁跨越主要障碍物（如通航河道）的结构部分。一般来说，正桥采用跨越能力较大的结构体系，需要深基础，是整个桥梁工程中的重点。引桥指连接正桥和路的桥梁区段，其跨度一般较小，基础一般较浅。在正桥和引桥的分界处，有时还会设置桥头建筑（桥头堡）。
跨度：也称为跨径（span），表示桥梁的跨越能力。对多跨桥梁，最大跨度称为主跨（main span）。一般而言，跨度是表征桥梁技术水平的重要指标。桥跨结构相邻两支座间的距离L1，称为计算跨径。桥梁结构的分析计算以计算跨径为准。对梁式桥，设计洪水位线上相邻两桥墩（或桥台）间的水平净距L0，称为桥梁的净跨径。各孔净跨径之和，称为总跨径，它反映
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出桥位处泄洪能力的大小。
对公路梁桥，把两桥墩中线间距离或桥墩中线与台背前缘的间距，称为标准跨径LK（也称之为单孔跨径）。当跨径在 50 m 以下时，通常采用标准跨径（从 0.75 m 至 50 m，共 21级，常用者为 10 m、16 m、20 m、40 m 等）设计。对铁路梁桥，则以计算跨径作为标准跨径（从 4 m 至 168 m，共 18 级，常用者为 20 m、24 m、32 m、48 m、64 m、96 m 等）。采用标准跨径设计，有利于桥梁制造和施工的机械化，也有利于桥梁养护维修和战备需要。
桥长：对梁桥，两桥台侧墙或八字墙尾端之间的距离LT，可称为桥梁全长，它标志桥梁工程的长度规模。两桥台台背前缘（对铁路桥，指桥台挡碴前墙）之间的距离L，可称为多孔跨径总长（公路）或桥梁总长（铁路），它仅作为划分特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞的一个指标，如表 1.1所示。
桥下净空高度：设计洪水位或设计通航水位对桥跨结构最下缘的高差H，称为桥下净空（clear opening）高度。桥下净空高度应大于通航及排洪要求的规定。
桥梁建筑高度与容许建筑高度：桥面（或铁路桥梁的轨底）至桥跨结构最下缘的垂直高度h，称为桥梁建筑高度。公路或铁路桥梁线路设计中所确定的桥面（或轨底）高程与通航及排洪要求所规定的净空高度之差，为容许建筑高度。显然，桥梁建筑高度不得大于容许建筑高度。
表1.1 桥梁涵洞按跨径分类
公 路 桥 涵 桥涵分类 多孔跨径总长L/m 特大桥 大 桥 中 桥 小 桥 涵 洞 单孔跨径LK/m 桥长L/m 铁路桥涵 L > 1 000 100≤L≤1 000 30 ② 一般指L<6 m 且顶上有填土。 1.2.2 桥梁的分类 桥梁有各种不同的分类方式，每一种分类方式均反映出桥梁在某一方面的特征。比如可以按工程规模划分，有特大桥、大桥、中桥、小桥等，如表1.1所示。 按桥梁用途划分，有铁路桥、公路桥、公铁两用桥、人行桥等。铁路桥（railway bridge）专供铁路列车行驶，桥的宽度和跨度有限，其所承受的车辆活载相对较大。由于铁路迂回运 4
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