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过桥高手是怎样的桥？如果你真的想对各种桥梁结构体系的受力特点和跨越能力有一个全面清晰的了解和掌握，你必须花费大量的时间和精力才能有一个很好的了解。本文可以帮你解惑。
分离法
不同版本的书籍对桥梁结构体系的分类略有不同。一种常见的分类方法是梁式桥、拱桥、刚构桥、斜拉桥、悬索桥和组合体系桥。
梁桥
梁桥是一种历史悠久的古老结构体系。我们的祖先简单地在两个石墩上搭了一根圆木，这就是梁式桥的原貌。由于结构简单，施工方便，梁桥也是现代桥梁最常见的结构形式。
梁作为承重结构，是靠其抗弯能力来承受荷载的，所以钢筋混凝土梁桥的混凝土材料抗裂性差限制了其跨越能力。
我们拿筷子打个比方。我们可以用任何力气弯曲和折断它们，但是你能试着折断它们吗？因此，当大多数材料弯曲时，它们的效率变得非常低。
容易折断的筷子
梁桥分为简支梁、悬臂梁、连续梁、连续刚构和T形刚构。
(也有一些分类方法将刚架体系分类为刚构桥)
均布荷载作用下简支梁的弯矩图
均布荷载作用下连续梁的弯矩图
1.梁桥结构的分类与比较
从上图可以看出，简支梁是一种静定体系。在均布荷载作用下，支点弯矩为零，而跨中弯矩为ql2/8，与跨度成正比，所以跨越能力受到很大限制。目前简支梁最大跨度只有50m。
连续梁是超静定体系。在相同跨度下，其支点处的负弯矩会与ql2/8的弯矩矢量值相同，从而使跨中正弯矩减小，这就是所谓的支点卸荷效应。
同样，T形刚架也是超静定结构。同时，我们将其做成中跨梁较薄、支点梁较高的变截面形式，使其支点的卸载效果更加明显，大大提高了T形刚构的跨越能力。
但这里没有提到的悬臂梁，实际上是简支梁跨越支座延伸的桥梁形式，所以也叫悬臂梁，分为单悬臂和双悬臂，跨越能力与简支梁相同。连续刚构介于连续梁和刚架之间，其跨越能力随支点的卸荷作用、梁截面形式和材料强度而异。
2.梁桥截面特征的分类与比较
下图A是最常见的梁式桥，是以弯曲为主的结构。右边是它的横截面应力分布图。可以看出，拉应力和压应力都集中在外缘，但在中性轴附近几乎为零。也就是说，只要上下边缘达到极限，全断面就离破坏不远了。素混凝土梁的破坏荷载只是混凝土的极限抗拉强度。一旦临界裂纹被穿透，梁将分裂成两部分，发生脆性破坏。所以我们用钢筋代替混凝土抗拉强度，所以才有了普通钢筋混凝土梁。
梁桥结构承载模式图
那么实际上，既然混凝土梁的中间截面几乎为零，其利用率极低，自重增加，为什么不省略呢？所以就有了图B所示的空核心梁，减轻了自重，并配以钢筋代替混凝土抗拉强度，大大提高了构件的延性和承载力。
如果把这个趋势进一步展开，也就是把原来的梁结构进一步网格化，我们就会得到C图的桁架结构。图D显示了其大致的内力分布，红色拉伸，蓝色压缩。其截面分布更加合理，上弦杆受压，下弦杆受拉，大大减轻了结构自重，增加了跨越能力。著名的南京长江大桥就是这样一种结构形式。
总之
梁桥之所以桥梁的跨越能力弱，是因为混凝土不具备抗裂抗弯能力。当然，文中提到，梁式桥也是用不同的结构形式和材料建造的，所以承载力也是不同的。
2015年世界大跨度梁桥排名
等级
桥的名称
国家
完工年份
主跨度(米)
桥式
一个
重庆石板坡长江复线桥
中国
2006
330
连续刚构连续梁混合梁
2
斯托玛(斯托玛)桥
挪威
1998
301
预应力混凝土刚构桥
三
福特三德特桥
挪威
1998
298
预应力混凝土刚构桥
四
巴拉圭河大桥
巴拉圭
1979
270
预应力混凝土实腹梁桥
五
虎门府海峡大桥
中国
1997
270
双肢薄壁刚架系统
拱桥
拱桥在竖向作用下的力图
1.拱桥的力学特性
从上面两张应力图可以看出，在竖向荷载作用下，梁式桥只有向上的约束(约束发生在构件变形不满足时)，而拱桥在竖向荷载作用下也有侧向推力。因此，我们很容易解释，拱桥是一种受压型结构，只要采用抗压性能好的材料(石拱桥、圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢桁架拱桥等)。)都用上了。
这里要介绍的是钢管混凝土拱桥，这是结构领域“三向受压”的又一典型案例。
钢管混凝土拱圈力图
钢管混凝土拱桥的主拱圈是用钢管内的混凝土建造的。由于混凝土被钢管包裹，当主拱圈受压时，钢管也制约了混凝土的找向变形需求，使混凝土处于著名的“三向受压状态”。试验数据表明，该结构在三维受压状态下的承载力高于普通钢筋混凝土结构，但延性大大提高。
2.拱桥的稳定性
主要受力的拱结构还涉及一个稳定性问题，也就是说，在均布荷载作用下，拱结构的稳定性较好，但如果出现集中荷载，拱的稳定性就会受到影响。当然，拱桥上怎么可能没有集中荷载呢？你开车过桥，你的车就是桥的可变集中荷载。比如你踩在地上的空罐上，很难压坏，但是很容易变形或者压平。
因此，拱桥的跨越能力受到其稳定性的限制。但由于拱是受压为主的结构，跨中弯矩不大，所以跨越能力比梁式桥大。
世界大跨度拱桥排名
等级
桥的名称
国家
完工年份
主跨度(米)
桥式
一个
朝天门长江大桥
中国
2009
552
钢桁架拱
2
卢浦大桥
中国
2004
550
钢箱拱
三
邓波长江大桥
中国
2011
530
钢管混凝土拱
四
新河峡大桥
美利坚合众国
1977
518
钢桁架拱
五
巴约讷桥
美利坚合众国
1931
504
钢桁架拱
六
悉尼港湾大桥
澳大利亚
1932
503
钢桁架拱
七
吴山大桥
中国
2005
460
钢管混凝土拱
八
明州桥
中国
2011
450
钢箱拱
九
南广铁路西江大桥
中国
2014
450
钢箱拱
10
沪昆高铁北盘江大桥
中国
2015
445
刚性骨架钢筋混凝土拱
刚性桥梁
“刚性”是指刚性连接。简单来说，这种桥型的梁与墩、板与柱都是固结的，即它们之间没有支撑来满足梁的变形要求。两者都是一起变形的超静定结构。再者，我们一般用“钢”来表示桥梁的材料属性。我们有钢梁桥、钢拱桥、钢悬索桥，但不会说钢架桥。
刚架桥是一种弯压结合的结构。目前跨线桥中普遍采用刚构桥，如斜腿刚构桥、门式刚构桥等。由于其刚性连接在实际应用中经常出现裂缝，其跨越能力受到限制。
斜腿刚构桥
门式刚架桥
刚架结构的力图
我还记得在梁式桥的分类中，连续刚构和T形刚构被归入梁式桥，所以跨度最大的刚架桥也可以用刚架桥来表示，并列入“世界最大跨度桥梁排名”。
总结
梁桥——以弯为主，跨越能力受限于混凝土的抗裂性和抗弯性。
世界最大跨度梁式桥代表:重庆石板坡长江复线桥，预应力连续刚构桥，主跨330m。
拱桥——主要承受压力，跨越能力受稳定性影响，但跨中弯矩不大，所以跨越能力大于梁桥。
世界最大跨度拱桥代表:重庆朝天门长江大桥，主跨552m的三跨连续钢桁系杆拱。
刚架桥——主要受弯压作用，跨越能力受刚接处应力限制，但跨越能力不大。
索拉桥
在这里，有的书把斜拉桥和悬索桥称为索支承桥，有的书把斜拉桥称为组合体系桥。在这里，我们将介绍斜拉桥作为一种桥型。
1.斜拉桥结构体系
斜拉桥是一种由受压塔、受拉索和曲梁组成的结构体系。梁体通过索的组合在多点受拉，就像多跨弹性支撑的连续梁一样，可以减小梁体内的弯矩，降低建筑高度。而且由于螺栓连接和正交异性板箱形截面结构的应用，该结构充分利用了材料的受力特性，减轻了结构自重，节约了材料。
斜拉桥结构图
斜拉桥的力图
2.斜拉桥的组成
斜拉桥主要由索塔、主梁和斜拉索组成，包括独塔、双塔和三塔。索塔的类型有A型、倒Y型、H型和独柱式，材料有钢和混凝土。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由横梁承担。横梁除了支撑在桥墩上，还支撑在从塔柱上引出的斜拉索上。
总之
一般来说，斜拉桥的跨度为300 ~ 1000米。在这个跨度范围内，斜拉桥与悬索桥相比具有明显的优势。德国著名桥梁专家f·莱昂哈特(F.leonhardt)认为，即使是跨度为1400米的斜拉桥，也可以节省同跨度悬索桥一半的高强度钢丝，其成本低30%左右。
世界大跨度斜拉桥排名
等级
名字
国家
完工年份
主跨
一个
罗斯基岛大桥
俄罗斯
2012
1104
2
苏长江大桥
中国
2008
1088
三
安州桥
中国
2009
1018
四
湖北鄂东长江大桥
中国
2010
926
五
塔塔拉桥
日本
1999
890
六
诺曼底大桥
法国
1995
856
七
九江长江公路大桥
中国
2013
818
八
荆长江大桥
中国
2010
816
九
仁川大桥
韩国
2009
八百
10
下大桥北汊桥
中国
2013
780
吊桥
与轴向拉伸和压缩相比，我们知道弯曲是一种效率较低的承载方式。从某种程度上来说，提高结构效率就是尽可能地将弯曲转化为拉伸或压缩。同时，如果能尽可能降低结构的自重就更完美了。拱结构是向受压转化的例子，但拱桥有稳定性问题，悬索桥是向受拉转化的例子。
1.悬索桥结构体系
悬索桥承重模式图
整个悬索承受相同的拉力，整个悬索的拉力由支座处的锚固结构平衡。其实这个结构很好理解。把上图想象成一根晾衣绳，上面挂着11件衣服，晾衣绳两端需要用螺栓牢牢固定在墙上或柱子上。容易理解吗？
因此，悬索桥是由桥塔悬挂缆索(或钢链)并锚固在两侧(或桥梁两端)作为上部结构主要承重构件的桥梁，也称悬索桥。其实是一种古老的桥型。
早期的热带原始人在森林里用藤条、竹子和树干做吊桥跨越溪流。使用的悬索是垂直的、斜拉的或两者兼而有之。婆罗洲、老挝、爪哇的原藤竹桥是早期吊桥的雏形。然而，最早属于中国的有文字记载的吊桥雏形，至今仍在影响着世界吊桥形式的发展。
悬索桥结构图
悬索桥受力示意图
2.悬索桥的结构应力
悬索桥的主要结构是:悬索、桥塔、锚具、吊索和桥面。
悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔中的压力。悬索的几何形状由力平衡条件决定，一般接近抛物线。悬索桥的旧吊索通常是一条铁链或一根铁条连接在一起。现代悬索一般是多股高强度钢丝，材料利用效率最高，悬索桥自重轻。当刚度满足使用要求时，能充分显示其优越性，使其在大跨度桥梁建设中比其他桥梁形式更经济合理。
由于索塔主要承受拉力，不像斜拉桥那样对横梁施加侧压力。主要是施加竖向拉力，稳定性比斜拉桥好，所以塔体结构可以做得更细长。此外，悬索对塔架有一定的稳定作用，塔架顶部设有支撑悬索的鞍形支座。
承受巨大拉力的悬索末端通过锚具固定在基础中，部分固定在刚性梁端，使得悬索桥相比其他桥型有了一个巨大的帮手，因此跨越能力大大提高，对基础的要求也很高。当基础条件不好时，悬索桥的经济性就不太好。
许多吊索从缆索上垂下悬挂桥面，这也是一种多点弹性支承的梁。为了避免车辆通过时桥面随悬索一起变形，现代悬索桥一般都设有刚性梁(也称加劲梁)，与索一起形成组合体系，以减少活载引起的挠度。
总之
悬索桥的受力特点是:荷载由吊索传至锚墩，传力方式简单明了。悬索桥的特点是:结构简单，受力明确；跨度越长，材料成本越少，桥梁成本越低。吊桥可以建得足够高，让船只从下面通过。造桥时不需要在桥的中心搭建临时桥墩。因此，吊桥可以建在更深或更急的水流上。悬索桥是柔性的，所以适合抗风抗震地区的需要。与普通桥梁相比，悬索桥在这些方面必须更坚固、更重。
建于1998年的日本明石海峡大桥跨度达1991米，是目前世界上最大的桥梁。比如采用重量轻、强度高的碳纤维作为主缆，其极限跨度理论上可以超过8000米。
悬索桥的主要缺点是:
刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动，因此有必要采取相应的措施。根据桥面系统的刚度，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。
悬索桥的吊索腐蚀后不易更换。
当然，制约悬索桥跨度和安全性能的不仅仅是竖向荷载，还有横向抗风设计。1940年，美国塔克马海峡大桥在极强的风荷载下倒塌，引起了工程学者对抗风设计的关注。这座桥虽然已经在海洋中安然无恙，但它的坍塌为悬索桥的贡献奠定了不可估量的研究基础。今天的悬索桥，技术水平已经达到了很高的水平。目前，日本跨度最大的明石海峡大桥主跨1991米。其原设计为1990米，但1995年阪神大地震震中距离大桥仅4公里，导致在建的两座桥塔水平距离增加了1米。
大跨度容量比较
索拉桥
吊桥
缆索（斜拉索或悬索＋吊索）承重结构，给梁增加了一个帮手，把梁分成若干多点弹性支承体采用高强材料大大提高跨越能力通过缆索将荷载传递给塔，塔传递给地基主梁以承受斜向拉力为主主梁以承受竖向拉力为主，稳定性好于斜拉桥。
抗变形能力、抗风稳定性优于斜拉桥。
跨越能力
优秀的
更有
世界大跨度悬索桥排名
等级
名字
国家
完工年份
主跨
一个
明石海峡大桥(明石)
日本
1998
1991
2
西堠门桥
中国
2008
1650
三
伟大的腰带
丹麦
1997
1624
四
润扬桥
中国
2005
1490
五
亨伯桥
不列颠，英国
1981
1410
六
江阴长江大桥
中国
1999
1385
七
青马大桥(青银)
中国
1997
1377
八
维拉萨诺桥(维拉萨诺)
美利坚合众国
1964
1298
九
金门大桥
美利坚合众国
1937
1280
10
依靠库斯滕
瑞典
1998
1210
组合桥
组合桥无非是基本结构体系的组合，如梁拱组合、系杆拱、桁架拱、多跨拱梁等。它们利用梁的弯曲特性和拱的承重特性形成组合结构。
总结
1.梁桥——以弯为主，跨越能力受限于混凝土的抗裂能力和抗弯能力。
世界最大跨度梁式桥代表:重庆石板坡长江复线桥，预应力连续刚构桥，主跨330m。
2.拱桥——以受压为主，跨越能力受稳定性影响，但跨中弯矩不大，所以跨越能力大于梁桥。
世界最大跨度拱桥代表:重庆朝天门长江大桥，主跨552m的三跨连续钢桁系杆拱。
3.刚架桥——主要承受弯曲和压缩，跨越能力受刚接处应力限制，但跨越能力不大。
4.斜拉桥——梁被斜拉索分成若干个多点弹性支座，荷载从主塔传递到基础，高效利用高强度材料。它是现代大跨度桥梁的一种常见结构形式，但其优点弱于悬索桥。
世界最大跨度斜拉桥的代表:俄罗斯岛大桥，主跨1104m。
5.悬索桥——以锚定在河两岸地基上的主缆作为主要承重结构，吊索将横梁分成若干个多点弹性支座。荷载从主塔传递到基础，高效利用高强度材料，抗风稳定性好，体现了现代最大跨度桥梁的绝对优势。
世界上最大的斜拉桥的代表:日本明石海峡大桥，主跨1991米。
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