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橋

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日本明石大橋
馬來西亞檳城第二大橋，東南亞最長的跨海大橋
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問題和解決方案
研究領域
實例
公共設施主題（英語：Portal:Infrastructure）

橋或橋梁是跨越峽谷、山谷、道路、鐵路、河流、其他水域、或其他障礙而建造的結構，是一種由水面或地面突出來的高架，用來連着橋頭橋尾兩邊路。橋的目的是允許人、車輛、火車或船舶穿過障礙。橋可以打橫搭着谷河或者海峽兩邊，又或者起在地上升高，檻過下面的河或者路，讓下面交通暢通無阻。 「橋」源於「喬」，即「喬木」，泛指高大的樹，因為夠高大，砍下來就夠長放在河面，可以連着兩邊岸，即獨木橋。啟閉式橋梁給大船通過的空間。

橋是一種用來跨越障礙的大型建造物。確切的說是用來將交通路線（如道路、鐵路、水道等）或者其他設施（如管道、電纜等）跨越天然障礙（例：河流、海峽、峽谷、沼澤以及其他不適合行運路段）或人工障礙（公路、鐵路、園區）的構造物。

歷史

直到公元19世紀，石頭和木材一直是最重要的橋梁建築材料。公元前6世紀巴比倫人用柏木和松木建造橋梁。羅馬人開始用石頭和混凝土建造拱橋。工業化開始後，1779年，世界上第一座鐵橋Ironbridge（英語：Ironbridge）出現在英國。這是一座由工程師Abraham Darby III（英語：Abraham Darby III）用新材料—鑄鐵——修築的主跨30米的拱橋。隨着橋梁建築材料的進一步發展，鍛鐵這種具有更高抗拉強度的材料開始使用，使長距離的鐵索吊橋成為可能。一個具有代表性的例子是威爾士的Menai橋（德語：Menai-Brücke），全長521米，主跨177米，由Thomas Telford（德語：Thomas Telford）在1818年至1826年間建造。1860年由羅伯特·史蒂芬遜在威爾士建造的桁架梁橋不列顛大橋（德語：Britanniabrücke），跨徑146米。現代混凝土從1860年開始運用在橋梁工程中。由Joseph Monier（德語：Joseph Monier）建造的第一座鋼筋混凝土梁橋出現在一個農莊，並且只是跨過一條小河。大跨徑鋼筋混凝土梁橋從20世紀起才開始建造，例如1930年建造的90米跨徑的薩爾基那山谷橋。第二次世界大戰之後發展起來的預應力混凝土技術終於使纖細預應力梁橋成為可能。1965年在87本多夫修建的跨徑208米的萊茵河大橋（德語：Rheinbrücke Bendorf），在世界範圍內拉開了修建大跨徑梁橋的序幕。直到今天這種大跨徑梁橋依然活躍在世界橋梁工程當中。隨着預應力混凝土橋梁同時發展起來的還有鋼結構形式和斜拉橋。世界上第一座此形式的大型的橋梁於1957年出現在德國的杜塞爾多夫，總長914米，跨徑260米。

橋的舉例

橋的分類

橋可以被按照不同的分類方法進行分類。常見的分類方法是根據形式和構造、材料以及功能等。

按結構受力特點分類

結構工程上的受力構件主要分為拉、壓、彎三種受力方式，分別對應三種基本的橋梁結構體系：懸吊式、拱式、梁式，即懸索橋、拱式橋、梁式橋。 其他橋梁結構形式體系由以上三種基本結構體系組合而成，統稱為組合橋，又主要分為剛架橋（主要受力形式為彎、壓）、斜拉橋（主要受力形式為拉、彎）、桁架橋（主要受力形式為拉、壓）等各種形式。

梁式橋

梁式橋
梁式橋

梁橋以受彎為主的主梁作為主要承重構件的橋梁。主梁可以是實腹梁或者是桁架梁（空腹梁）。實腹梁外形簡單，製作、安裝、維修都較方便，廣泛用於中、小跨徑橋梁。實腹梁在材料利用上不夠經濟。桁架梁中組成桁架的各杆件基本只承受軸向力，可以較好地利用杆件材料強度。桁架梁的構造複雜、製造費工，多用於較大跨徑橋梁。桁架梁一般用鋼材製作，偶用預應力混凝土或鋼筋混凝土製作。用木材製作桁架梁耐久性差，現很少使用。實腹梁主要用鋼筋混凝土、預應力混凝土製作，也可用鋼材做成鋼鈑梁或鋼箱梁。實腹梁橋的最早形式是用原木做成的木樑橋和用石材做成的石板橋。由於天然材料本身的尺寸、性能、資源等原因，木橋現在已基本不採用，石板橋也只用作小跨度人行橋。

代表橋梁：

拱式橋

阿爾坎塔拉橋

以承受軸向壓力為主的拱（稱為主拱圈）作為主要承重構件的橋梁。

按照主拱圈的受靜力形式，拱橋可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱。拱的種類：三鉸拱、兩鉸拱、無鉸拱、帶拉杆拱。帶拉杆的拱：在屋架中，為消除水平推力對牆或柱的影響，在兩橋梁支座間增加一拉杆，由拉杆來承擔水平推力 鐵路拱橋：在橋梁中為了降低橋面高度，可將橋面吊在拱上

按照主拱圈的構成形式，拱又可分為板拱、肋拱、雙曲拱、箱形拱、桁架拱等。

  • 板拱：拱圈橫截面呈矩形實體截面，它橫向整體性較好、拱圈截面高度小、構造簡單，但抵抗彎矩能力較差，一般用於圬工拱橋。
  • 肋拱：拱圈是由兩條或多條拱肋組成，肋與肋之間用橫系梁相聯繫，拱肋形狀可以是矩形、工字形、箱形或圓管形，它的抗彎能力較板拱為優，用料較省，但製作較板拱複雜，多用於鋼筋混凝土拱橋或鋼拱橋。
  • 雙曲拱：60年代以後，在中國採用的一種拱式橋梁。它在橫向除有拱肋外，還有由拱波、拱板等構成的小拱將整個拱圈聯結成整體，它在施工時可以將拱肋、拱波預製，安裝後再澆築拱板，減輕吊裝重量，並可以不用拱架，或只需用簡單支架，為混凝土拱橋提供了一種新的結構形式和簡便易行的施工方法。但需採取措施保證拱圈的整體性。
  • 箱形拱：橫截面可為整體多室箱形或分離箱形。混凝土或鋼筋混凝土箱形拱也可採用無支架施工。它的整體性、橫向穩定性和抗扭性能都較雙曲拱的結構為好，但在中、小跨徑時不如雙曲拱簡便和節省鋼材。
  • 桁架拱：拱圈由桁架構成，可做成桁肋拱或肩拱形式。桁架拱的材料用量較經濟，但桁架的某些杆件將承受拉力，故主要用在鋼拱橋或預應力混凝土拱橋中。

拱橋主拱圈沿橋跨方向的形狀，可以做成橫截面尺寸沿拱軸線不變的等截面拱，或者做成橫截面尺寸由拱腳向拱頂逐漸變化的變截面拱。變截面拱能較好地適應拱圈內力的變化，用料較經濟；等截面拱構造簡單、施工方便，因而採用較普遍。

主拱圈的拱軸線形狀，對拱圈截面的應力大小將產生直接影響。一般儘量使拱軸線與荷載作用下的拱圈壓力線相吻合，以減小截面的彎矩值。當不計拱圈彈性壓縮及其他因素的影響時，拱在均布荷載作用下的壓力線為拋物線；在由拱頂向拱腳按拱軸線形狀逐漸增大的分布荷載作用下，拱的壓力線將為懸鏈線；而圓弧線線形最簡單，利於施工。故這幾種線形成為拱橋中常用的拱軸線形狀。

拱還可按拱上建築的形式不同而分為實腹式拱和空腹式拱。實腹式拱是將主拱圈以上至橋面間的空間全部用填料填實，一般用於小跨徑的橋梁；空腹式拱則在主拱圈以上設有橫橋向貫通的腹孔，一般用於中等以上跨徑的橋梁。趙州橋是現存修建最早的空腹式拱橋。

在豎直荷載作用下，作為承重結構的拱肋主要承受壓力。拱橋的支座則不但要承受豎直方向的力，還要承受水平方向的力。因此拱橋對基礎與地基的要求比梁橋要高。拱橋又可分為上承式拱橋（橋面在拱肋的上方）、中承式拱橋（橋面一部分在拱肋上方，一部分在拱肋下方）與下承式拱橋（橋面在拱肋下方）。僅供人、畜行走的拱橋可以把橋面直接鋪在拱肋上。而通行現代交通工具的拱橋，橋面必須保持一定的平直度，不能直接鋪在曲線形的拱肋上，因此要通過立柱或吊杆將橋面間接支承在拱肋上。 　　

  • 三鉸拱是靜定結構，其整體剛度較低，尤其是撓曲線在拱頂鉸處產生折角，致使活載對橋梁的衝擊增強，對行車不利。拱頂鉸的構造和維護也較複雜。因此，三鉸拱除有時用於拱上建築的腹拱圈外，一般不用作主拱圈。
  • 兩鉸拱取消了拱頂鉸，構造較三鉸拱簡單，結構整體剛度較三鉸拱為好，維護也較三鉸拱容易，而支座沉降等產生的附加內力較無鉸拱為小，因此在地基條件較差和不宜修建無鉸拱的地方，可採用兩鉸拱橋。
  • 無鉸拱屬三次超靜定結構，雖然支座沉降等引起的附加內力較大，但在荷載作用下拱的內力分布比較均勻，且結構的剛度大，構造簡單，施工方便，因此無鉸拱是拱橋中，尤其是圬工拱橋和鋼筋混凝土拱橋中普遍採用的形式。

拱的受力特點：在豎向荷載作用下產生水平推力。拱與梁的區別：看是否有水平推力。拱的內力特點：與簡支梁相比拱的彎矩、剪力較小，軸力較大（壓力），應力沿截面高度分布較均勻。節省材料，減輕自重，能跨越大跨度。宜採用磚、石、混凝土等材料。缺點：拱對基礎或下部結構施加水平推力，增加了下部結構的材料用量，對地基要求高。

代表橋梁：

桁架橋

桁架橋的主體類似屋子裡的「桁」。「桁」原本是指屋頂下面托住椽子的橫木，這種結構是由短木樑發展成的堅固三角形連結組合而成，而後發展成鋼鐵結構，應用到橋梁構築時會再用一個架子支撐橋體，一般跨距較大的鋼橋，為了避免梁的深度太大而看起來笨重，多會採用桁架橋的設計方式，目前世界最長的桁架橋是由日本日立造船株式會社所建造的東京京門大橋。[1]

這些鋼架組件一般均先會在預鑄工廠內先依交通運輸可容許的最大寬度與長度，分塊分節製作完成後，再運到工地現場組裝後，然後利用吊車將組裝後的鋼梁構材吊到橋墩或橋台上方，在早期構件的組合多半以鉚釘結合，後來為強化結構則改用高拉力螺栓或焊接來接合。

斜拉橋

主條目：斜拉橋
多多羅大橋

由主梁、鋼纜索、索塔等部分組成；主梁承載橋面荷載，主要受彎；鋼纜索斜向拉緊主梁，受拉；索塔固定鋼纜索，主要受壓。

斜拉橋的纜索張拉成直線形，整個結構為幾何不變體，其剛度比懸索橋大。主梁同彈性支承上的連續梁的性能相似。斜拉橋的跨徑一般在梁橋和懸索橋之間。

斜拉橋在構造上有單塔或雙塔、單面布索或兩面布索、密索或少索等形式，索的布置也有不同的放射形式，塔、梁、墩之間鉸接或固接等也有多種類型。

斜拉橋的結構型式古已有之。但是由於斜拉索中所受的力很難計算和很難控制，所以一直沒有得到發展和廣泛應用。直到20世紀中葉，由於電子計算機的出現，解決了索力計算困難的問題，以及調整裝置的完善，解決了索力的控制問題，使得斜拉橋成為近50年內發展最快，應用日廣的一種橋型。

代表橋梁：

懸索橋（吊橋）

新店溪上的碧潭吊橋

是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構件的橋梁。懸索橋由懸索、索塔、錨碇、吊杆、橋面系等部分組成。懸索橋的主要承重構件是懸索，它主要承受拉力，一般用抗拉強度高的鋼材（鋼絲、鋼絞線、鋼纜等）製作。由於懸索橋可以充分利用材料的強度，並具有用料省、自重輕的特點，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達到1900米以上。懸索橋的主要缺點是剛度小，在荷載作用下容易產生較大的撓度和振動，需注意採取相應的措施。

按照橋面系的剛度大小，懸索橋可分為柔性懸索橋和剛性懸索橋。柔性懸索橋的橋面系一般不設加勁梁，因而剛度較小，在車輛荷載作用下，橋面將隨懸索形狀的改變而產生S形的變形，對行車不利，但它的構造簡單，一般用作臨時性橋梁。剛性懸索橋的橋面用加勁梁加強，剛度較大。加勁梁能同橋梁整體結構承受豎向荷載。除以上形式外，為增強懸索橋剛度，還可採用雙鏈式懸索橋和斜吊杆式懸索橋等形式，但構造較複雜。

橋面支承在懸索（通常稱大攬）上的橋稱為懸索橋。英文為Suspension Bridge，是"懸掛的橋梁"之意，故也有譯作"吊橋"的。"吊橋"的懸掛系統大部分情況下用"索"做成，故譯作"懸索橋"，但個別情況下，"索"也有用剛性杆或鍵杆做成的，故譯作"懸索橋"不能涵蓋這一類用橋。和拱肋相反，懸索的截面只承受拉力。簡陋的只供人、畜行走用的懸索橋常把橋面直接鋪在懸索上。通行現代交通工具的懸索橋則不行，為了保持橋面具有一定的平直度，是將橋面用吊索掛在懸索上。和拱橋不同的是，作為承重結構的拱肋是剛性的，而作為承重結構的懸索則是柔性的。為了避免在車輛駛過時，橋面隨着懸索一起變形，現代懸索橋一般均設有剛性梁（又稱加勁梁）。橋面鋪在剛性梁上，剛性梁吊在懸索上。現代懸索橋的懸索一般均支承在兩個塔柱上。塔頂設有支承懸索的鞍形支座。承受很大拉力的懸索的端部通過錨碇固定在地基中，個別也有固定在剛性梁的端部者，稱為自錨式懸索橋。此外還有索橋（不是懸索橋）、開啟橋、浮橋、漫水橋等。

代表橋梁：

上承式懸帶橋

橋的一部門由端錨梁、一連T梁、蓋梁排架、主索懸帶組成。主索懸帶是主要的受力不見，橋面梁板結構可以起到平衡懸帶拉力的作用。與其他同樣跨徑的橋型比起來，這種橋型的橋用料更少，結構更輕，而且施工起來越發利便。

代表橋梁：

按建築材料分類

按建築材料分類可分為木橋、索橋、圬工橋、鋼橋、鋼筋混凝土橋、預應力混凝土橋、混合橋、複合材料橋等。
隨着材料科學的發展，尤其是複合材料性能的不斷進步，越來越多的橋梁開始應用複合材料製造核心部件。日本與美國將FRP材料製造的鋼筋或預應力索應用在鋼筋混凝土橋中；而世界各國軍隊都將複合材料用在舟橋車上，以便可以快速架設大跨度浮橋[2]；對於一些擁有較長歷史的橋梁，出於保護目的，一般會在不改變橋梁結構的基礎上對橋面進行翻修、加固甚至拓寬，這種情況下通常也會採用複合材料，例如瑞士在翻新沃州阿旺河上已有100年歷史的道路橋時，採用了思瑞安COLEVO橋架板，使得橋梁在具有較好的承載能力的同時，具有較低的密度，降低了橋梁的質量。常用於橋梁的複合材料有FRP（纖維增強複合塑料），CFRP（碳纖維增強複合材料），GFRP（玻璃纖維增強塑料），此外，作為夾層結構材料的芯材常採用BALTEK（巴沙輕木）、PET泡沫（AIREX）等等。

按橋梁跨徑分類

按照2014年的公路工程技術標準（JTG B01-2014）第六章：橋涵分類規定

  • 特大橋：多孔跨徑總長L>1000m或單孔跨徑Lk>150m。
  • 大橋：多孔跨徑總長100m≤L≤1000m或單孔跨徑40m≤Lk≤150m。
  • 中橋：多孔跨徑總長30m＜L＜100m或單孔跨徑20m≤Lk＜40m。
  • 小橋：多孔跨徑總長8m≤L≤30m或單孔跨徑5m≤Lk＜20m。
  • 涵洞：單孔跨徑Lk＜5m

按橋面位置分類

  • 上承式：橋面布置在橋跨結構上面
  • 下承式：橋面布置在橋跨結構下面
  • 中承式：橋面布置在橋跨結構中間

按使用功能分類

按使用功能可分為公路橋、人行橋、鐵路橋、運河橋等。

按使用年限分類

分為臨時性橋、永久性橋和半永久性橋。

橋梁主要構件

橋的上部結構主要構件示意圖
拱式橋主要構件示意圖
懸索橋主要構件示意圖

這裡用公路橋的各部分構件舉例。並不是所有的橋都有這些全部構件，而有些橋還會增加一些附加構件。也不是每一個公路橋都擁有全部這些構件，而是根據設計要求選擇使用。

上部結構

一座鋼橋的橋台施工

橋梁的上部結構主要由行車道板、主承重結構、可能包含支架、橫梁的組成。上部結構將橋梁荷載傳給下部結構。

下部結構

橋的下部結構主要指橋台和橋墩。下部結構承受上部結構和車輛荷載，並將其傳給墩台基礎。

  • 橋台：橋台通常位於橋的終端，將路堤上的道路同橋梁行車道連接起來。他們將橋台上部荷載傳給基礎並承受橋台背面的土壓力。
  • 橋墩：橋墩用來減小上部結構在兩個橋台之間的跨徑，並能減小上部結構的高度。他們將相應跨徑內的上部結構自重和車輛荷載傳到基礎。他們主要由柱和支座組成。在斜拉橋和懸索橋上，「橋墩」主要通過拉杆或拉索扮演。這時它稱為「塔」。

基礎

主條目：基礎

橋梁的基礎位於橋台和橋墩之下，它承受整個橋的全部荷載並將其傳導到地基土石。基礎可分為深基礎和淺基礎。

支座

滾動支座

支座是位於上部結構和下部結構中間的接觸點。

按照設計要求，梁在受溫度變化影響和各種外力荷載影響下，必須具有一定範圍內的位移和形變的能力，所以在支座處必須為梁的角位移和線位移，也就是翻轉和移動提供可能性。

金屬支座：金屬支座可以作為滑動支座或滾動支座。由於過去金屬支座容易損壞，現在在德國已經不再使用。滾動支座由鋼桶和鋼板構成。他們可以平衡較大的橋梁位移。

橡膠支座

橡膠支座：橡膠支座是一種通過橡膠變形來承受外力的支座。它由具有彈性的不易老化的合成塑料和用來加固並增加其抗壓性的鋼板組成。它可以通過橡膠變形承受水平、豎直和翻轉三個方向的外力並允許兩個方向的位移。橡膠支座允許的位移比滾動支座要小。但是它幾乎不需要看護，因為橡膠支座中的金屬板不與空氣和水汽直接接觸，抗腐蝕性較好。當在需要較大位移處使用橡膠支座時，通常會附加防滑板。

邊梁

邊梁通常在行車道板鋪裝和密封工程結束後安裝。這樣可以掩蓋一些上部結構的懸臂梁部分施工瑕疵。邊梁可以通過結構鋼筋或盤型錨栓與上部結構有力的聯結在一起。在邊梁上可以安裝欄杆和減噪板。通常用泡沫混凝土生產邊梁。要考慮其不透水性。邊梁還可以用來保障交通安全。在城區內的橋梁的邊梁經常被用來建設自行車道和人行道，此時要考慮其不透水性。同時處於安全考慮，防止行人被偏離路線的機動車傷害，變量上會加設15厘米高的路緣石。否則若只是保障行車安全，只需要將邊梁在行車道板基礎上加高7厘米，或者安裝防撞板。

橋面鋪裝

現代橋梁的公路路面一般由密封層、保護層和面層三部分組成。

  • 密封層：約2厘米厚的密封層通常由瀝青密封帶來鋪裝，有時還加設鋼絲網來加固。它保護橋梁上部結構不受水、凍霜和融雪鹽的侵害。這樣的一個覆蓋層也能防止位於其下面的橋梁上部結構的構造筋等破壞保護層。
  • 保護層：保護層通常由4厘米厚的澆注瀝青或碾壓瀝青來鋪設。它保護密封層免受汽車荷載和天氣作用的傷害。
  • 面層：位於保護層之上，約4厘米厚，直接承受交通荷載的作用。通常用瀝青混凝土建造。在一些例如位於風景區的小橋上也可能用木材做橋面鋪裝。一些古橋如羅馬人的橋、中國趙州橋，直接用天然塊石鋪裝橋面。
  • 排水：橋面鋪裝應具有排水功能，以使上面的水儘可能迅速的排走。這不僅是出於交通安全的考慮，也是為了保護橋梁設施。
布魯克林大橋 面前、曼哈頓大橋 背後、曼哈頓-布魯克林區 連接、紐約市

橋梁之最

參閱

參考資料

  1. ^ 日立造船株式會社>東京京門大橋. [2018-08-16]. （原始內容存檔於2014-11-29）. 
  2. ^ 楊允表，石洞。複合材料在橋梁工程中的應用。橋梁建設，1997年，第4期.

延伸閱讀

[在維基數據編輯]

維基文庫中的相關文本： 《欽定古今圖書集成·經濟彙編·考工典·橋梁部》，出自陳夢雷《古今圖書集成》
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