关于桥梁上部结构的探讨分析

桥梁跨越空间的结构物，简称桥跨或桥跨结构。桥梁上部结构通过支座支承于桥墩和桥台上，它的结构类型，决定了桥梁的形式。
　　一、组成
　　桥梁上部结构由桥面、主梁和支座三部分组成。
　　1.桥面　供车辆和行人直接走行的部分。铁路桥面有钢轨和轨枕支承于纵、横梁系统的明桥面；有道碴槽板、道碴、轨枕、钢轨组成的道碴桥面；有钢轨直接联结于桥面板或主梁上的无碴无枕桥面。
　　2.主梁　桥梁主要承重结构，是桥梁上部结构的主体。铁路桥的主梁,一般为两片。小跨度的主梁间距不大,桥面可直接铺在主梁上。也有采用多片主梁的。主梁可做成实腹的板梁,杆件连成的刚架或桁架,主梁与桥面、联结系结合而成的箱梁。
　　3.支座　桥梁上部结构的支承部分。其作用是将上部结构的支承反力（包括竖向力、水平力）传递给桥梁墩台，并保证上部结构在荷载的作用和温度变化的影响下，具有设计要求的静力条件。支座有活动支座和固定支座两种，可用钢、橡胶或一定标号的钢筋混凝土制作。橡胶支座是一种新型支座，具有重量轻、高度低、构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉及安装方便等优点。
　　二、类型　按桥面置于上部结构的位置，桥梁上部结构可分为上承式、下承式（穿式或半穿式）和中承式。上承式、下承式和中承式的桥面分别置于上部结构的顶部、底部和中间。按上部结构主梁的结构形式或主要承重构件特征，桥梁上部结构可划分为板式梁、桁梁、拱桥、刚架（构）和斜腿刚构、斜拉桥、悬索桥等类型。
　　1.板式梁　板式梁截面形式一般为矩形、I形、T形、□形和箱形，适用于中小跨度的简支梁及较大跨度的连续梁。常用的有混凝土板梁、钢板梁、结合梁、箱形梁和槽形梁。
　　①混凝土板梁。包括普通钢筋混凝土梁及预应力混凝土梁。可采用工业化和机械化施工，砂石骨料一般可就地取材,用钢量小;维修工作简单;行车时噪声小;使用寿命长。对中小跨度的铁路桥梁，各国都基本上采用预应力混凝土梁。并实行标准化、系列化和预制装配施工。
　　中国从20世纪50年代开始制订出全国铁路统一的钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁(包括先张法、后张法)标准设计。1956年在东陇海线新沂河桥建成中国第一座预应力混凝土铁路桥梁。目前，无碴无枕预应力混凝土铁路桥梁及后张法预应力混凝土串联梁正在不断发展，两者最大跨度均达到40米。
　　②钢板梁。其主要承重结构是两片 I字形截面的板梁。上承板梁的构造较简单，钢料较省，可以整孔装运，整孔架设。下承板梁是将桥面布置在两片梁之间，列车在两片梁之间通过。一般将桥面搁置在纵梁上，使建筑高度(自轨底至梁底)大为缩小。下承板梁与上承板梁相比，结构复杂,用料较多,制造和施工都比较费工。但由于具有较小的建筑高度，适用于桥下净空受限制的地区。
　　中国从20世纪50年代初期即开始制订出铆接钢板梁标准设计。郑州黄河桥新桥即采用40米钢板梁标准设计，其桥孔为71个，每孔梁长40米,双线共采用142孔。70年代制订出上、下承焊接板梁标准设计，跨度分别为24～40米及20～40米。
　　③结合梁。用钢筋混凝土道碴槽板和钢梁结合起来共同受力的桥跨结构。适用于曲线或陡坡地段的钢梁桥。中国在20世纪50年代首先在京广铁路十字江桥上修建了一座跨度32米的结合梁试验桥。1956年制订出跨度28～44米铆接板梁的结合梁标准设计。
　　④箱形梁。主梁截面为箱形结构。多用于较大跨度的连续梁桥。箱形梁的优点是抗扭刚度大，适用于曲线桥及承受较大偏心荷载的直线桥。箱形梁主要有预应力混凝土箱形连续梁和钢箱形梁。
　　预应力混凝土箱形连续梁由于结构形式简洁，外形美观，抗扭性能好，偏载作用下的横向分布比其他形式的梁好，所以近年来很快得到推广。这种梁截面高度为适应内力的变化，通常沿跨度相应变化的，但也可采用等高度的。采用变高度梁适合用悬臂法施工，采用等高度梁适合用顶推法施工。
　　1950年联邦德国首先采用了预应力混凝土箱形梁。1975年中国在北京枢纽东北环线通惠河桥上修建了跨度26.7+40.7+26.7米双线铁路变高度箱形连续梁桥。1978年在西延铁路上用顶推法建成一座 4×40米等高度箱形连续梁铁路桥。1978年日本建成目前世界最大跨度的110米上越新干线太田川铁路桥。
　　钢箱形梁是随着高强度钢和焊接技术在桥梁上的应用以及薄壁结构计算理论的发展，于20世纪50年代以来发展起来的。钢箱形梁在一定跨度范围内比其他类型的梁式桥节省钢材可达10％～20％；抗扭刚度和横向刚度较大；安装、制造及养护较简易，因而采用较多。钢箱形梁的截面形式有矩形及梯形两类。箱形梁是闭口的薄壁结构，其应力及应变按薄壁结构理论计算。
　　20世纪50年代联邦德国首先采用钢箱形梁。60年代以来，世界各国都相继修建了不少钢箱形梁桥。联邦德国于1961年在莱茵河上建成一座箱形两跨连续梁，跨度为113米，无枕双线桥面，平均腹板高度5.2米。这座桥是世界上目前最大跨度的铁路箱形梁桥。1966年中国试制了一孔跨度32米的钢箱形梁，1969年架在南同蒲铁路潼河桥上。1976年在北京西北环上架设了一孔跨度40米箱形钢梁。
　　⑤槽形梁。这种梁的形状与半穿式梁相仿。其最大优点是底板薄，建筑高度低，最适用于立交桥，在满足桥下净空的要求下可以减少两端线路路堤的土方量。槽形梁可做成单线桥或双线桥，有简支梁，也有4～5孔的连续梁。两侧主梁有竖直的，也有斜的；有实心的，也有空心的。1976年日本建成的第二丘里跨线桥，跨度达61.4米，上铺复线。80年代初中国在北京枢纽双桥辅助站及京承铁路双桥至怀柔段第二线上分别修建了 2孔24米单线和1孔20米双线槽形梁，系三向预应力。
　　2.桁梁　桥梁的主桁架常用的几何图式有四种基本类型,即三角形、斜杆形、K形和双重腹杆形（带辅助竖杆的双重腹杆桁架又称菱形桁架）。选择桁架图式的原则是经济、构造简单和利于标准化。
　　这种桥梁形式发展较早，过去较大跨度的桥梁多采用这种形式。1917年加拿大建成的魁北克桥跨度为548.6米，是目前世界上最长的悬臂桁架桥。中国济南黄河桥也是这类结构。悬臂桁架桥由两边的锚跨和中间的组合跨组成。锚跨梁的一端伸出中间墩一段长度，称为悬臂，组合跨的挂孔两端用铰接与悬臂端相连。悬臂桁架桥为多跨静定梁，墩台基础的沉陷不影响梁的内力。
　　中国单线简支钢桁梁标准设计主要有三种图式六种跨度,如图1中国桁梁标准设计结构形式所示。桁高第Ⅰ组为8米，第Ⅱ组为11米,第Ⅲ组为16米。主桁中心距(□)第Ⅰ组为 4米，第Ⅱ组为5.75米，第Ⅲ组为5.758米。在拟定上述尺寸时，考虑了杆件的标准化和模数化。
　　目前中国简支钢桁梁最大跨度为成昆铁路的三堆子金沙江桥,主跨为192米菱形下承铆接钢桁梁。南京长江桥主跨为3联3×160米连续钢桁梁,是中国当前连续钢桁梁最大跨度的桥。
　　栓焊钢梁是近年来发展较快的一种新型钢梁，已逐渐代替铆接钢梁。中国于1962年和1964年分别在湘桂铁路上建成雒容桥（跨度44.62米）和浪江桥（跨度61.44米）。1965年在成昆铁路上修建了44座 112孔14种不同跨度和结构形式的栓焊钢桁梁桥,其中最大跨度为112米系杆拱。1977年在京通铁路上修建了3×128米栓焊桁梁白河桥。这座桥在下弦主要受力杆件采用15锰钒氮新的高强钢种，其极限强度为60千克力/毫米□。1980年在京山铁路永定新河上修建了一座3×144米下承栓焊桁梁桥，主桁受力最大杆件也采用15锰钒氮钢种。该桥是目前中
国采用15锰钒氮高强度钢最大跨度的栓焊桁梁桥。
　　3.拱桥　这种桥在竖直荷载作用下，拱端不仅有竖直反力，还有水平推力，适用于深谷大跨、地基坚实地区的桥梁。拱桥由拱圈、拱上结构、墩台及基础等部分组成（图2 拱桥结构示意图）。拱圈是桥跨结构的主要承载部分。拱圈以上的桥跨结构部分称为拱上结构，用以支承道碴桥面及活载。设计得合理的拱主要承受压力，而承受的弯矩和剪力较小。这样可利用抗压性能强而抗拉性能弱的材料建造，如石及混凝土等。也可以修建钢拱桥。
　　石拱桥的石料可以就地取材，因而能大大节约钢材和水泥；石拱桥坚实耐久，形式美观，几乎不需要养护。中华人民共和国成立后，在新建铁路上修建了许多中小跨度石拱桥，如在宝成铁路上共修建156座计188孔石拱桥。在成昆铁路上修建了中国最大跨度的一线天空腹石拱桥，其跨度为54米。
　　混凝土拱桥较石拱桥和一般钢筋混凝土梁的跨越能力大，可以做成无铰、两铰或三铰的拱。铰的制造复杂，价格贵，而且拱顶铰使拱的挠度曲线有明显转折，引起活载的附加冲击,因此铁路拱桥一般避免采用三铰拱,多采用无铰拱。混凝土拱桥一般为空腹拱。
　　拱桥作为铁路桥梁已有百余年历史，由于施工时需要复杂的脚手架，20世纪60～70年代初有逐渐被其他形式取代的趋势。70年代中期,随着预应力技术的提高,悬臂法施工的创新，从而提高了拱桥的竞争能力。苏联于1952年在第聂伯河上修建了一座跨度 228.0米的钢筋混凝土铁路拱桥，是目前这类铁路桥梁中跨度最大者。铁路钢拱桥最大跨度为澳大利亚悉尼港桥,跨度503米。中国铁路修建混凝土拱桥的历史比较早。京广线南段广东省与湖南省交界附近在20世纪30年代修建了 5座钢筋混凝土拱桥,最大跨度为40米。中华人民共和国成立后,陆续修建了几座较大跨度的钢筋混凝土拱桥，其中最大跨度为1966年在丰沙铁路二线修建的永定河 150米装配式钢筋混凝土拱桥（见永定河七号桥）。
　　系杆拱桥是拱与梁的组合结构，拱的推力由系杆承受而不传给墩台，和简支梁一样不受地基不均匀沉陷的影响,适用于地质条件较差的情况。其建筑高度较低,当建筑高度受限制时采用较为有利。系杆拱根据拱肋与系杆的刚度比分三种结构图式。当系杆与拱肋刚度比小于1/80～1/100时，系杆可视为只承受轴向力,不承受弯矩，称之为柔性系杆刚性拱；当系杆与拱肋刚度的比值大于80～100时，拱肋可视为只承受轴向力，不承受弯矩,称之为刚性系杆柔性拱；介于以上两者之间则称之为刚性系杆刚性拱。
　　4.刚架（构）和斜腿刚构　刚架桥是上部结构和墩台（或支柱）整体相连的一种结构形式。这种桥的上部结构同墩台间属刚性连接，能提供较大的桥下净空，因此多用作跨线桥和栈桥。中国从20世纪50年代以来，陆续修建了大量刚架式立交桥。施工用不影响运输的顶进法。
　　5.斜腿刚构是刚架桥的两个支腿向梁的两端斜置而成的结构形式。这种结构比同样跨度的桁架或拱桥都省料，外形轻巧，施工方便。其轴线比较接近荷载压力线，而两侧支承于桥台的伸出部分可以使梁的跨中弯矩进一步减小。因此，这种桥的跨度可以作得比较大而仍然经济。这种桥在河岸较高陡、峡谷较深和需建造立交桥的地方采用较多。
　　1954年联邦德国在霍莱姆建造了两座预应力混凝土斜腿刚构铁路桥，斜腿支座间距为85.5米，是目前世界上跨度最大的预应力混凝土斜腿刚构铁路桥。1981年中国在邯长铁路线上修建了跨过浊漳河的预应力混凝土斜腿刚构桥，跨度为82米。这座桥整体性好,线条挺拔,外观轻巧，形式新颖，为中国第一座大跨度预应力混凝土斜腿刚构铁路桥。
　　钢斜腿刚构比预应力混凝土斜腿刚构可以跨越更大跨度。1966年南斯拉夫建成的内雷特瓦河斜腿刚构桥，主跨达 120米。1982年中国在陕西安康建成跨越汉江的钢斜腿刚构铁路桥，梁跨为56+192+56米,主跨按64+64+64米分跨，两斜腿铰中心距为176米,是当前世界上最大的铁路钢斜腿刚构桥（见安康汉江桥）。
　　6.斜拉桥　由梁、斜拉索及索塔三部分组成。其主要特点是利用索塔引出斜拉索悬吊梁跨。这种悬吊作用相当于在梁跨下面设置若干弹性中间支承。这样可以大大减小梁跨的弯矩，提高梁的跨越能力。
　　组成斜拉桥的刚性梁、斜拉索和索塔有各种不同的形式。它们之间的组合方式亦有多种。斜拉索顺桥方向布置，常用的斜拉索形式有辐射形、竖琴形、扇形和星形（图3 斜拉索形式示意图）。索塔的形式应根据拉索布置、主梁跨度以及桥面宽度等因素决定。常用的索塔形式在顺桥方向有柱形和A字形刚架两种。此外,尚有倒V形和倒Y形索塔。
　　斜拉桥的刚度与稳定性大于悬索桥，且不需用沉重的钢索锚桩。斜缆引到桥面板上的压力可以利用来施加预应力于混凝土桥面板上。因此，斜拉桥刚度大，抗风稳定性好。目前世界各国建成的预应力混凝土斜拉铁路桥以联邦德国1972年建成的美因河二号桥（即赫希斯特桥）最大,跨度为148.23米,系公路、铁路、管道三用桥。中国于1980年在湘桂铁路Ⅱ线修建了第一座跨越红水河的预应力混凝土铁路斜拉桥，主跨为48+98+48米（见红水河桥）。
　　目前世界上已建成的钢铁路斜拉桥为数还不多。联邦德国1966年于内卡河上修建了第一座钢铁路斜拉桥。1977年阿根廷在首都布宜诺斯艾利斯附近巴拉那河的两个分岔河道上修建了两座公路铁路两用的钢斜拉桥。两桥的主跨都是 110+330+110米三跨对称布置的梯形钢箱梁。这两座桥是当前世界上跨度最大的公路铁路两用钢斜拉桥。1980年南斯拉夫在贝尔格莱德萨瓦河上修建了一座跨度为253.7米的双线铁路钢斜拉桥。
　　7.悬索桥　以缆索跨过索塔顶锚固在河岸上作为承重结构，在缆索上悬挂吊杆吊着桥面系，以供行车、行人的桥，是目前世界上跨度最大的一种桥梁形式。
　　1855年建成的尼亚加拉瀑布悬索桥是世界上第一座铁路桥,桥跨度约200米。这座桥后来改建为拱桥。1966年葡萄牙修建的里斯本塔古斯河的萨拉扎尔公路铁路两用悬索桥，主孔达1013米。日本正在修建的本州和四国的联络桥，共有5座大跨度的公路铁路两用悬索桥,其中最大跨度达1780米。悬索桥较柔软，多用于公路运输方面。
　　三、设计
　　上部结构设计包括：总体的布置；结构形式和体系的研究；材料的选择；按确定的方案或比较方案进行结构分析；选定部件的具体尺寸。对新型上部结构，一般尚须经过设计的比较、模型试验或局部试验，然后对建成的桥跨进行现场测试和分析。
　　桥梁结构设计曾长期使用容许应力法。这种方法不分构件种类和使用情况，都根据名义强度，取统一的安全系数，常使多数部件设计得过于保守，而使部分部件的安全性不足。后来，开始采用荷载系数法和极限状态法等。但是，这些方法对设计部件参数的选择，仍然是依靠主观判断和设计经验，还不能正确反映结构的安全度。因此，近年来，随着可靠性理论的发展，以及概率理论分析工程结构安全度的应用，桥梁结构设计已有了重大的进展。对于安全度的计算，已在二次矩法和近似概率法的基础上，经过数学上的推演改进，发展成了一种新的计算方法，简称“JCSS”法。
　　四、施工
　　包括梁部的制造和安装架设。
　　梁部的制造　主要有钢梁制造和预应力混凝土梁的制造。
　　钢梁制造的工艺过程为：作样、号料、号孔、切割、钢料矫正、制孔、料件边缘加工、杆件组装、焊接或铆合、杆件矫正、钻制工地钉孔、结构试拼装、除锈并油漆、包装发运等。栓焊钢梁的制造工艺过程主要可分为：料件加工、杆件组焊，除锈节点联接处的板面处理、油漆和装运等三个过程。
　　预应力混凝土梁制造有后张法和先张法。后张法预应力混凝土梁的制造工艺过程为：灌筑梁体混凝土，穿入和张拉钢丝束、管道压浆及封端。预应力张拉体系有拉锚式和拉丝式两种。中国1958年设计了一套拉锚式体系（利用锚头进行张拉）预应力混凝土铁路桥梁标准设计。这种体系所使用的千斤顶（120吨双作用千斤顶）笨重，配件又多，安装操作不方便，劳动强度大。1975年编制了拉丝式体系（直接张拉钢丝）预应力混凝土铁路桥梁标准设计。这种体系的锚头采用钢制锥形锚，由锚塞和锚圈组成。张拉钢丝束用三作用千斤顶(TD－60型)。1980年又试制成功TD－100型张拉千斤顶及24－□5 钢丝混凝土锚具。先张法预应力混凝土梁的制造工艺过程为：建造台座、初调应力、整体张拉、灌筑混凝土、整体放松、调离台位、封端。
　　五、安装架设　上部结构是架空的,必须在高空作业,所以尽可能在运送尺寸和起吊重量的允许范围内，在工厂制成构件运到现场拼装。过去常用的施工方法是在支架上拼装或现浇梁部构件，比较费工费时。近年来，钢结构多采取在岸边预拼成较大的部件或全跨，然后整孔拖拉、整孔浮运，逐节伸臂和悬索提升架设。混凝土结构则采用架桥机吊装、整孔纵向滑引的模板浇筑、连续顶推及逐节平衡悬臂灌筑或拼装，以及利用斜拉索悬臂拼装等方法施工。
　　中国使用的架桥机，20世纪50年代初期用双悬臂式，60年代以来陆续采用简支梁式（单梁或双梁）。起重能力为130吨。80年代初广州铁路局试制成功“长征160－40”架桥机，最大起重能力达160吨,可架设跨度40米预应力混凝土梁。