梁式桥、拱式桥、悬索桥与斜拉桥的对比分析总结

分别从结构构造、力学特性、适用范围、结构内力计算方法以及主要施工工艺五个方面对梁式桥、拱式桥、悬索桥与斜拉桥进行对比分析总结。

一、梁桥

以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁。主梁可以是实腹梁或者是桁架梁（空腹梁）。实腹梁外形简单，制作、安装、维修都较方便，因此广泛用于中、小跨径桥梁。但实腹梁在材料利用上不够经济。桁架梁中组成桁架的各杆件基本只承受轴向力，可以较好地利用杆件材料强度，但桁架梁的构造复杂、制造费工，多用于较大跨径桥梁。桁架梁一般用钢材制作，也可用预应力混凝土或钢筋混凝土制作，但用的较少。过去也曾用木材制作桁架梁，因耐久性差，现很少使用。实腹梁主要用钢筋混凝土、预应力混凝土制作，也可以用钢材做成钢钣梁或钢箱梁。实腹梁桥的最早形式是用原木做成的木梁桥和用石材做成的石板桥。

二、拱桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为主要承重构件的桥梁。

1.按照主拱圈的静力图式，拱轿可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱（图3 拱桥形式示意图）。

(1).三铰拱是静定结构，其整体刚度较低，尤其是挠曲线在拱顶铰处产生折角，致使活载对桥梁的冲击增强，对行车不利。拱顶铰的构造和维护也较复杂。因此，三铰拱除有时用于拱上建筑的腹拱圈外，一般不用作主拱圈。

(2).两铰拱取消了拱顶铰，构造较三铰拱简单，结构整体刚度较三铰拱为好，维护也较三铰拱容易，而支座沉降等产生的附加内力较无铰拱为小，因此在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方，可采用两铰拱桥。

(3).无铰拱属三次超静定结构，虽然支座沉降等引起的附加内力较大，但在荷载作用下拱的内力分布比较均匀，且结构的刚度大，构造简单，施工方便,因此无铰拱是拱桥中,尤其是圬工拱桥和钢筋混凝土拱桥中普遍采用的形式。

2.按照主拱圈的构成形式，拱又可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱等(图4主拱圈的构成形式示意图)。

①板拱：拱圈横截面呈矩形实体截面，它横向整体性较好、拱圈截面高度小、构造简单，但抵抗弯矩能力较差，一般用于圬工拱桥。1972年建成的四川九溪沟桥为石砌的板拱桥，跨径达到116米,为目前世界上最大跨径的石拱桥。

②肋拱：拱圈是由两条或多条拱肋组成，肋与肋之间用横系梁相联系，拱肋形状可以是矩形、工字形、箱形或圆管形，它的抗弯能力较板拱为优,用料较省,但制作较板拱复杂，多用于钢筋混凝土拱桥或钢拱桥。1960年建成的瑞典恩斯科洛夫约桥，跨径为278米,为目前最大的钢管拱桥。

③双曲拱:60年代以后,在中国采用的一种拱式桥梁。它在横向除有拱肋外，还有由拱波、拱板等构成的小拱将整个拱圈联结成整体，它在施工时可以将拱肋、拱波预制，安装后再浇筑拱板，减轻吊装重量，并可以不用拱架，或只需用简单支架，为混凝土拱桥提供了一种新的结构形式和简便易行的施工方法。但需采取措施保证拱圈的整体性。1969年建成的河南省前河桥跨径为150米，为目前跨径最大的双曲拱桥。

④箱形拱：横截面可为整体多室箱形或分离箱形。混凝土或钢筋混凝土箱形拱也可采用无支架施工。它的整体性、横向稳定性和抗扭性能都较双曲拱的结构为好，但在中、小跨径时不如双曲拱简便和节省钢材。1979年建成的南斯拉夫克拉克桥，跨径为390米,是当前世界上最大的钢筋混凝土箱形拱桥。

⑤桁架拱：拱圈由桁架构成，可做成桁肋拱或肩拱形式（图5 桁架拱的形式示意图）。桁架拱的材料用量较经济，但桁架的某些杆件将承受拉力，故主要用在钢拱桥或预应力混凝土拱桥中。1976年建成的美国新河桥，跨径为518米，为目前跨径最大的钢桁架拱桥。

拱桥主拱圈沿桥跨方向的形状，可以做成横截面尺寸沿拱轴线不变的等截面拱，或者做成横截面尺寸由拱脚向拱顶逐渐变化的变截面拱。变截面拱能较好地适应拱圈内力的变化，

用料较经济；等截面拱构造简单、施工方便，因而采用较普遍。

主拱圈的拱轴线形状，对拱圈截面的应力大小将产生直接影响。一般尽量使拱轴线与荷载作用下的拱圈压力线相吻合，以减小截面的弯矩值。当不计拱圈弹性压缩及其他因素的影响时，拱在均布荷载作用下的压力线为抛物线；在由拱顶向拱脚按拱轴线形状逐渐增大的分布荷载作用下，拱的压力线将为悬链线；而圆弧线线形最简单，利于施工。故这几种线形成为拱桥中常用的拱轴线形状。

3.拱还可按拱上建筑的形式不同而分为实腹式拱和空腹式拱。实腹式拱是将主拱圈以上至桥面间的空间全部用填料填实，一般用于小跨径的桥梁；空腹式拱则在主拱圈以上设有横桥向贯通的腹孔，一般用于中等以上跨径的桥梁。赵州桥是现存修建最早的空腹式拱桥。

在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力。拱桥的支座则不但要承受竖直方向的力，还要承受水平方向的力。因此拱桥对基础与地基的要求比梁桥要高。下图分别表示上承式拱桥（桥面在拱肋的上方）、中承式拱桥（桥面一部分在拱肋上方，一部分在拱助下方）与下承式拱桥（桥面在拱肋下方）。仅供人、言行走的拱桥可以把桥面直接铺在拱肋上。而通行现代交通工具的拱桥，桥面必须保持一定的平直度，不能直接铺在曲线形的拱肋上，因此要通过立柱或吊杆将桥面间接支承在拱肋上

三、斜拉桥：由主梁、斜向拉紧主梁的钢缆索以及支承缆索的索塔等部分组成（图9 斜拉桥形式示意图）。斜拉桥的缆索张拉成直线形,整个结构为几何不变体,其刚度比悬索桥大。主梁同弹性支承上的连续梁的性能相似。斜拉桥的跨径一般在梁桥和悬索桥之间。斜拉桥在构造上有单塔或双塔、单面布索或两面布索、密索或少索等形式，索的布置也有不同的放射形式，塔、梁、墩之间铰接或固接等也有多种类型。

四、悬索桥又名吊桥，是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁。悬索桥由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成（图6 悬索桥示意图）。悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢绞线、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。1981年建成的英国恒比尔悬索桥的跨径为1410米，是目前世界上跨径最大的桥梁。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，需注意采取相应的措施。

按照桥面系的刚度大小，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S 形的变形，对行车不利,但它的构造简单，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。加劲梁能同桥梁整体结构承受竖向荷载。除以上形式外，为增强悬索桥刚度，还可采用双链式悬索桥和斜吊杆式悬索桥等形式，但构造较复杂。

桥面支承在悬索（通常称大揽）上的桥称为悬索桥。英文为Suspension Bridge，是"悬挂的桥梁"之意，故也有译作"吊桥"的。"吊桥"的悬挂系统大部分情况下用"索"做成，故译作"悬索桥"，但个别情况下，"索"也有用刚性杆或键杆做成的，故译作"悬索桥"不能涵盖这一类用桥。和拱肋相反，悬索的截面只承受拉力。简陋的只供人、畜行走用的悬索桥常把桥面直接铺在悬索上。通行现代交通工具的悬索桥则不行，为了保持桥面具有一定的平直度，是将桥面用吊索挂在悬索上。和拱桥不同的是，作为承重结构的拱肋是刚性的，而作为承重结

构的悬索则是柔性的。为了避免在车辆驶过时，桥面随着悬索一起变形，现代悬索桥一般均设有刚性梁（又称加劲梁）。桥面铺在刚性梁上，刚性梁吊在悬索上。现代悬索桥的悬索一般均支承在两个塔柱上。塔顶设有支承悬索的鞍形支座。承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中，个别也有固定在刚性梁的端部者，称为自锚式悬索桥。

1.梁式桥在竖直荷载作用下,梁的截面只承受弯矩,支座只承受竖直方向的力。它是一种使用最广泛的桥梁型式。梁式桥又可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥(图1)。多孔梁桥的梁在桥墩上不连续的称为简支梁;在桥墩上连续的称为连续梁;在桥墩上连续,在桥孔内中断,线路在桥孔内过渡到另一根梁上的称为悬臂梁。支承在悬臂上的简支梁称为挂梁;伸出有悬臂的梁称为锚梁。梁式桥的梁身可以做成实腹的,也可做为空腹的,空腹的称为衍梁。

2.拱式桥由拱上建筑、拱圈和墩台组成,。在竖直荷载作用下,作为承重结构的拱肋主要承受压力,拱桥的支座既要承受竖向力,又要承受水平力,因此拱式桥对基础与地基的要求比梁式桥要高。拱式桥接桥面位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥。上承式拱桥的桥面在拱肋的上方;中承式拱桥的桥面一部分在拱肋上方,一部分在拱肋下方;下承式拱桥的桥面在拱肋下方。桥面一般通过即在拱脚处用一根称为系杆的纵向水平受拉杆件将两拱连接起来,以减轻地基承受的荷载。

3.悬索桥桥面支承在悬索(也称大缆)上的桥叫悬索桥,又称吊桥。它是以悬索跨过塔顶的鞍形支座锚固在两岸的锚锭中,作为主要承重结构(图4)。在缆索上悬挂吊杆,桥面悬挂在吊杆上。由于这种桥可充分利用悬索钢缆的高抗拉强度,具有用料省、自重轻的特点,是现在各种体系桥梁中能达到最大跨度的一种桥型。

4.斜拉桥将梁用若干根斜拉索拉在塔杜上,形成斜拉桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成(图5)。斜拉桥是一种自锚式体系,斜拉索的水平力由梁承受。梁除支承在墩台上外,还支承在由塔柱引出的斜拉索上,称为刚性梁或加劲梁。若在桥墩上不设置支座,而在塔柱处另设竖吊索吊住刚性梁,称为“全漂浮式”斜拉桥,它具有较好的抗震性能。按刚性梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥