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桥梁与桥梁施工方法汉语版
桥梁和桥梁施工方法
一．桥梁
简支桁架桥
在相当长的一段时间里，美国的桥梁设计师把他们的创造才能都用在设计新型的桁架梁和板梁上，他们做这种努力的目的是要找到一种桥梁形式使其金属使用量尽可能减小。每一种设计出来的桥梁形式都要受到实际应用的严峻考验，只有通过实际应用才能确定这种形式的优点和缺点。根据适者生存的原则，经过实践，少数几种桥梁形式保留下来了，而其他的形式则被湮没在桥梁的历史中。像人们预期的那样，保留下来的为数不多的桥梁形式是所有形式中最简单的。虽然现在，人们偶尔还听说某些桁架桥的改进形式，但是这种设想的改进却很少得以实现。那些经受了时间考验而保留下来的桥梁形式包括普拉特型、佩蒂特型以及其他一些形式。
普拉特桁架是梁美国在桥梁跨度小于250英尺的最常用的一种形式。它的优点是简单节约钢材，而且便于同桥面和横向系统联接。佩蒂特桁架梁是普拉特桁架桥的修正形式，一般用于跨度超过250-300英尺的桥梁。相对来说，这种形式也比较简单，而且也像普拉特桁梁一样节约钢材，而且便于同桥面和横向系统联接。
悬臂桥
悬臂桥的桥跨是由悬臂支撑的。悬臂由支撑它的桥墩向前后延伸，并在桥跨中心会合而联接在一起。悬臂的设计可以采取不同的形式，但都遵循在一个共同中心平衡的原则。
悬臂桥主要有两大优点。一是，在修建高架桥的时候，用这种方法建桥可以使用体积较小，结构更紧密的桥墩，而要是让每个桥墩都支撑相邻的两段板梁桥跨，就做不到这一点。其次，在铁路必须穿越宽阔水道的情况下，如果水流又急又深，难以做到基础设置中间桥墩，在这种情况下，可以采用悬臂桥形式。
但是，除非出现上述情况，否则不宜采用悬臂桥的形式，因为它的刚度不如简支桁梁桥，而且建造起来需要使用更多的钢材。
拱桥
拱桥特别适合建在两边是石壁的深谷上，以及具有岩石河底与天然桥台的浅滩上。拱桥的优点是节约钢材，而且外形美观。而它的缺点是刚度不够。而且对大多数拱桥来说，其构件的应力具有不确定性。
当桥梁的基础建立在桥桩或是热河其他容易轻微下陷的材料上，或者桥台可能横向移动，哪怕是一点点，上部结构都不适宜采用拱桥，因为不论是桥墩或是桥台发生任何下陷或移动都会推翻设想的计算条件，从而造成某些应力增加到难以确定的数值，而这些应力在上部结构中应是成比例的。
斜拉桥
在过去的十年中，斜拉桥得到了广泛的应用，特别是在西欧。在世界其他地方，应用的广泛性则相对小一些。斜拉桥是按照这样一种结构体系造建的，这种体系包括一个由拉索吊住的正交异性桥面板和连续梁。拉索是指通过或固定在主桥塔上的斜缆。
用缆索来支撑桥跨的这种想法并不新鲜，在很久以前就记载有这种结构的一些例证。不幸的是，一般来说，这种办法都没有获得成功，其原因是当时人们没有充分理解静力学，而且使用了不适当的材料，例如用板条和链条来做斜支撑或拉索。
直到最近，由于采用高强度的钢材与正交异性桥面板，以及焊接技术的发展和在结构分析方面的进步，斜拉体系才得到广泛而成功的应用。电子计算机的发展和应用开辟了新的、几乎是无限的可能性，来确切地解决这种在静力学上非常不确定的体系以及对这些体系的三维性能进行准确的静力分析。
把斜拉桥体系应用到桥梁工程中，从而产生了许多具有极佳特征和优点的新型桥梁结构，其中最突出的是它们的结构特征、效率和应用的广泛性。斜拉桥的基本结构与它能迅速发展以及得到成功的理由如下：
斜拉桥是一个空间体系，由加劲梁、钢或混凝土桥面和支承部分的受压桥塔和受斜拉缆组成。斜拉桥按照它的结构性能，介于桥梁和悬索桥之间。
斜拉桥的结构特征是它的加劲梁和预加应力或后加拉应力的斜缆结合起来的整体性，因为斜缆是通过桥塔顶端向下连到加劲梁的锚固点上的。由于斜缆作用产生的水平压缩力由加劲梁承受，因而不需要巨大的锚固装置，这样，下部结构就比较节约钢材。 采用正交异性系统产生了新型的上部结构，它能轻易的承受斜缆的水平拉力而几乎不需要增加材料，即使对大跨度桥梁也是如此。
在旧式、传统的上部结构中，平板、纵梁、桥面托梁和主梁都被视为起独立作用的。这种上部结构不适合斜拉桥。但是，使用正交异性桥面，具有巨大截面积的加劲板不仅用作主梁和横梁的上弦杆，而且还可以用作水平板梁以抵抗风力，使现代桥梁比旧式桥梁的抗风支撑具有更大的横向刚度。事实上，在正交异性体系中，所有的车行道构件和上部结构的辅助部分都在主桥体系中起作用，其结构是减低了梁的高度，节约了钢材。
这个体系的另一个结构特征是在桥梁任何位置承受荷载的情况下其几何形状不会改变，而且所有缆索都处于拉紧的状态之下。斜拉桥的这种特征使得它可以用相对来说比较轻而且柔软的材料—缆索来制造。
这种三维桥梁的重要特征是其横向结构在纵向方面也充分分担了主结构的任务。这意味着这个结构的惯性矩有了很大的增加，这样可以降低梁的高度从而节约钢材。
正交异性体系使得在桥塔和桥梁主跨中心之间的桥面成为连续体。跨越多个桥孔的上部结构成为连续体具有很多优点。这实际上是一座不多的斜拉桥所必需的。
二．桥梁施工方法
一座桥梁的最终造价是建造桥梁结构物的材料费用与这项工程相关的机械费用和临时工程及劳动力的费用的总和。材料的费用能够被预算的相当准确的，承包商们借助施工经验是能够估算施工机械和劳动力的费用的。但是劳动力的费用是不能够精确分析的。最近的一项比较有竞争力的设计试图通过减少临时工程和工程的工期来革新施工方法。
桥梁上部结构比较适宜的施工方法将随施工场地不同而不同，并主要取决于桥梁的长度和跨度、桥梁的类型、基础条件及其所使用的材料。例如：现场浇注混凝土的施工方法适用于40米以下的短跨径桥梁，如果河床在一年中的大部分时间是干燥的，那么预应力混凝土悬臂施工方法在有通航要求的大跨桥梁中是比较合适的。现在的发展趋势是尽可能避免使用台架施工，而在最大程度上采用预制构件；另一方面，起重机、滑拽梁等施工机械的应用范围也越来越广。这些都是从对施工方法的密切关注甚至是设计过程的密切关注而取得的巨大收获，而不是在善于解决永久材料。
小跨度桥梁
当桥梁的跨度小于40米左右时，它的上部结构可以通过支承在地面上的趾甲施工。其它的施工方法中的梁可以整体预制，然后利用顶推梁或起重机架设。如果这座桥梁是等跨的，在后一种施工方法中，由于架设设备而增加的费用和由于施工工期短而减少的费用之和将会比前一种施工方法的模板制作费用低。
大跨度桥梁
大跨度桥梁经常是连续梁形式或悬臂梁形式的预应力混凝土桥梁。以前许多的施工方法已发展为连续梁桥的施工方法。如果模板和地面之间的距离较小并且土质坚硬，桥梁的上部结构可以使用支架施工方法。不过这种施工方法已经越来越过时了。目前，自由悬臂法和移动模架法的应用渐广并能节省时间和提高安全性。
移动模架法是利用固定在钢制台架上的移动系统而形成，这种系统能够达到一跨长并支承在一端支承在桥墩上并借助于第二根钢导梁逐跨移动的钢梁上。
一种经济的施工方法是被广泛知晓的由Baur-leonhard团队所发展的使用广泛的顶推法。整个的连续梁被划分成10-30米长度的节段，这种划分主要依据跨径和能够利用
的施工时间。每个节段在桥台后面的钢模上能够快速浇注，钢模可以周转使用而浇注所有的节段。这样设计模板是为了能够横向移动或在铰上转动，以便在混凝土充分硬化后脱模。在第一节段的顶端安装上一个由轻型桁架组成的钢导梁，以实现第一节段以后的节段顺利架设而防止在施工出现过大的悬臂部分。第二节段及以后的节段可以直接在第一节段的硬化面上浇注并在施工过程中将节段连接起来。顶推是通过支承在桥台上的液压千斤顶实现的，由于聚四氟乙烯的滑块的摩擦系数只有0.02，低效能的千斤顶就足够完成长度甚至达数百米的桥梁的顶推。这种方法可以应用在长度在120米左右的直线桥梁或曲线桥梁上。
自由悬臂法是由法国的Dyckerhoff和Willmann所创始。这种施工方法中，桥梁的上部结构是通过节段长度基本在3.5米的悬臂机上施工，悬臂机的费用相对比较低并且固定在桥梁承重结构上，由于它的重复利用性使它能在长桥上使用。由于施工速度的加快和时间的节省使得这种施工方法的费用比较低从而避免了使用台架施工，自由悬臂法比较适用于桥墩较高并且悬臂能伸到跨径中部的桥梁上。
另一种施工方法是整体沉箱法。沉箱是一种底边有刃脚的大型圆筒，其刃脚可以切入水底。当压缩空气进入沉箱内部时水就会被排出。沉箱的利用必须严加注意。首先，工人们只能在这种压缩空气的空间里呆很短的时间；另一方面，如果工人们从沉箱进入正常的大气压条件下过于迅速，他们将比较容易患上潜水病（也被称作沉箱病），这在能使人致残的甚至致命的环境中由于血液中氧气过多所引起的一种病。
当St.louis市的密西西比河Eads上的桥在1867-1874年施工时，由于人们对在压缩空气中工作的危险性认识不足，最后由于患潜水病而导致14人死亡。
当在桥墩上有外力作用时，基桩经常需要嵌入基岩，也就是说它们的下部一直延伸到基岩。这种方法曾经用来建造位于强风和地震区域的旧金山金门大桥的桥墩。钻孔是在水下由深水潜水员进行的。
在不能到达基岩的地方，桩通常被打进河床。今天，在施工的基桩基本上是预应力混凝土结构。在建造纽约哈德逊河上的泰平.吉桥时所采用的一种巧妙技术是将一个空心混凝土箱置于桥桩层上，当它里面的水被抽干时，它的浮力足够支承桥梁重力的一大部分。
每一种类型的桥梁实际上代表了特殊的问题。许多桁架桥的施工是先将桥上桁架运到已施工完毕的基桩位置，然后再利用千斤顶或起重机架设到适当位置。拱桥是在脚手架或临时脚手架上施工的，这种方法通常用于预应力混凝土拱桥。然而对钢拱桥来说已发展了一种技术，用这种技术将已装好的部分借助起支承作用的钢索控制就位（钢拱在安装过程中还没有合拢前，是两个悬臂，需要用钢索拉住两个悬臂以免倾倒）。当钢索中的拉力增加时，起重机就沿着拱桥的顶部移动以架设新的钢拱。
对悬索桥来说，需要首先施工基础和索塔。这时钢索从锚碇（一个固定钢索的大混
凝土块）穿过直至索塔并且通过另一索塔而锚固在锚碇上，然后从卷线盘上放松钢索的轮子沿着钢索运动，当卷线盘到达另一面时，另一根钢丝又装进卷线盘并最终到达它的原位置。当所有的钢索被放在固定的位置后，另一台机器沿着钢索移动并对其进行张拉锚固。当钢索施工完毕时，逐渐开始在支架上从两端向中间施工。
在桥梁下部结构和基础设计中要考虑的荷载包括：从上部结构传下来的荷载和直接作用于下部结构的基础的荷载。
AASHTO荷载。 AASHTO规范第三部分总结了桥梁设计（上、下部结构）要考虑的荷载和作用力。主要有：恒载、活载、活载冲击力或动力作用、风荷载以及其他荷载——如纵向力、离心力、温度力、土压力、浮力、收缩及徐变、拱肋缩短、安装应力、冰及水流压力、冲撞力及地震应力。除了这些通常能够量化大的典型荷载外，AASHTO同样认识到诸如活动支座处产生的摩擦以及由于桥梁的沉降差而产生的应力等间接荷载效应。
LRFD规范将荷载按不同的方式划分为两种：永久作用和可变作用。
永久作用
荷载：包括所有桥梁构件、器件及辅助设备、道路面层的净重及未来铺装重量、填土恒载。AASHTO及LRFD规范都给出了表格，总结了桥梁工程重常用的单位重量。
可变作用
汽车荷载 小跨度桥梁的汽车荷载：美国和加拿大已致力于发展一种比H或HS AASHTO模型更实际的代表高速公路活荷载的模型。到目前为止，AASHTO模型仍被广泛采用。
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