第一讲      道路与桥梁基本知识
【考点】高等级公路组成
一般由路基、路面、桥梁、隧道工程和交通工程设施等几大部分组成。
    1、路基工程
路基是用土或石料修筑而成的线形结构物。它承受着本身的岩土自重和路面重力，以及由路面传递而来的行车荷载，是整个公路构造的重要组成部分。公路路基主要包括路基体、边坡、边沟及其它附属设施等几个部分，各部分名称如图1-1所示。
路基设计洪水频率
 
    2、路面工程
    路面是用各种筑路材料或混合料分层铺筑在公路路基上供汽车行驶的层状构造物。其作用是保证汽车在道路上能全天候、稳定、高速、舒适、安全和经济地运行。
路面通常由路面体、路肩、路缘石及中央分隔带等组成。其中路面体在横向又可分为行车道、人行道及路缘带，如图1-2所示。路面体按结构层次自上而下可分为面层、基层、垫层或联结层等。
     3、桥隧工程
桥隧工程是高等级公路中的重要组成部分，它包括桥梁、涵洞、通道和隧道等。
桥梁的组成
桥梁由两个主要部分组成：
（一）桥跨结构（或称桥孔结构，上部结构），是在线路遇到障碍而中断时，跨越障碍的主要承重结构。                      
（二）桥墩、桥台 、墩台基础（统称下部结构），是支承桥跨结构并将恒载和车辆等荷载传至地基的建筑物。
桥台设在桥的两端，桥墩则在两桥台之间。桥台除了支承桥跨结构的作用外，还要防止路堤滑坡，并与路堤衔接。为保护桥头路堤填土，每个桥台两侧常做成石砌的锥体护坡。
墩台基础，是埋入土层之中，并使桥上全部荷载传至地基的结构部分。
在桥跨结构与墩台之间，还需设置支座，它不仅要传递荷载，而且根据结构体系的不同，保证桥跨结构能产生一定的变位。
除上述基本结构外，桥梁还常常建造一些附属结构物，如护坡、护岸、挡土墙、导流结构物、检查设备等。
在桥梁规划和设计中，设计洪水位、计算跨径、标准跨径、桥长、桥梁净跨径、桥梁的建筑高度等均为主要的桥梁技术指标。
净跨径：对于梁式桥是指设计洪水位上相邻两个桥墩（桥台）之间的净距，用L0表示；对于拱式桥是每孔拱跨两个拱脚截面最低点之间的水平距离。
计算跨径：对于具有支座的桥梁，是指桥跨结构相邻两个支座中心之间的距离，用 1表示。对于图1所示的拱式桥，是两相邻拱脚截面形心点之间的水平距离，或拱轴线两端点之间的水平距离。桥跨结构的力学计算是以 1为基准的。总跨径  在多孔桥梁中，各孔净跨径的总和，也称桥梁孔径（ ），它反映了桥下宣泄洪水的能力。
标准跨径：对于梁式桥或板式桥是指两相邻桥墩中线之间的距离，或桥墩中心线至桥台台背前缘之间的距离；对于拱桥，则是指净跨径。
桥梁全长：简称桥长，是桥梁两端两个桥台的侧墙或耳墙后端点之间的距离，以L表示。在一条线路中，桥梁和涵洞总长的比重，反映了它们在线路建设中的重要程度。
桥梁高度：简称桥高，是指桥面与低水位之间的高差，或为桥面与桥下线路路面之间的距离，以H1表示。
桥下净空高度：是指设计洪水位或计算通航水位至桥跨结构最下缘之间距离，以H表示。它应保证排洪和该河流通航所规定的净空高度。
建筑高度： 是指桥上行车路面标高至桥跨结构最下缘之间距离（图1-1中的 ）。公路定线中所确定的桥面标高与通航净空顶部标高之差，又称为容许建筑高度。显然，桥梁的建筑高度，不得大于容许建筑高度，否则就不能保证桥下的通航要求。
净矢高：拱式桥从拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点之连线的垂直距离，以 表示（图12-2）。
计算矢高：是指从拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂直距离以 表示。
矢跨比：是指计算矢高 与计算跨径 之比（ / ），也称拱矢度。
涵洞：是来宣泄路堤下水流的构造物。凡是单孔跨径小于5m的泄水结构物，称为涵洞；管涵及箱涵不论管径或跨径大小、孔数多少，均称为涵洞。
桥梁的分类
桥梁有不同的分类方式，每一种分类方式均反映出桥梁在某一方面的特征。但是，桥梁按结构体系的分类，是基本的分类方法，不同的体系对应于不同的力学形式，表现出不尽相同的受力特点。
（一） 桥梁的基本体系
按结构体系及受力特点，桥梁可划分为梁、拱、索三种基本体系，以及由基本体系之间组合而形成的组合体系。
1．梁式桥
梁式桥的特点是其桥跨的承载结构由梁组成。在竖向荷载作用下梁的支承处仅产生竖向反力而无水平反力（推力）。梁的内力以弯矩和剪力为主。
梁式桥可分为简支梁桥，连续梁桥和悬臂梁桥。简支梁桥的跨越能力有限（一般在50m以下），当计算跨径小于25m时，通常采用混凝土材料，而计算跨径大于25m时，更多采用预应力混凝土材料。
2．拱式桥
拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。其特点是结构在竖向荷载作用下，两拱脚处不仅产生竖向反力，还产生水平力（推力），由于水平推力的作用使拱中的弯矩和剪力大大地降低。设计合理的拱主要承受拱轴压力，拱截面内弯矩和剪力均较小，因此可充分利用石料或混凝土等抗压能力强而抗拉能力差的圬工材料。
拱式桥是推力结构，其墩台，基础必须承受强大的拱脚推力。因此拱式桥对地基要求很高，适建于地质和地基条件良好的桥址。拱式桥构造简单，承载能力大，造型美观，是桥梁工程中广泛采用的桥型之一。
3．悬索桥
悬索桥又称吊桥，其特点是桥梁的主要承重结构由桥塔和悬挂在塔上的高强度柔性缆索及吊索，加劲梁和锚锭结构组成。桥跨上的荷载由加劲梁承受，并通过吊索将其传至缆索。主缆索是主要承重结构，但其仅受拉力。缆索本身是几何可变体，但可通过桥塔，锚锭结构及作用的荷载相组合，在空间形成有一定几何形状的平衡受力结构体系。主缆索的拉力通过对桥塔的压力和锚锭结构的拉力传至基础和地基。这种桥型充分发挥了高强钢缆的抗拉性能，使其结构自重较轻，能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无法比拟的特大跨度。
4．组合体系
组合体系桥是指承重结构采用两种基本结构体系，或一种基本体系与某些构件（塔，柱，索等）组合在一起的桥。代表性的组合体系有以下几种。
（1） 刚架桥
刚架桥是梁与立柱（墩柱、竖墙）刚性连接的结构体系。刚架桥的特点是在竖向荷载作用下，柱脚处不仅产生竖向反力，同时产生水平反力，使其基础承受较大推力。结构中梁和柱的截面均作用有弯矩，剪力和轴力。由于梁和柱结点为刚结，梁端部承受负弯矩，使梁跨中弯矩减小，跨中截面尺寸也可相应减小；与一般墩台不同，刚架桥的支柱（墩台）不仅承受压力，还承受较大弯矩，通常采用较小的钢筋混凝土或预应力混凝土构件。由于刚架桥的上述特点，在城市中当遇到线路立体交叉或需要跨越通航江河时，常采用这种桥型以降低线路标高，减少路堤土方量。当桥面标高已确定时，能增加桥下净空。
T型刚构是目前修建较大跨径预应力混凝土桥梁的常用桥型之一，与其他刚架桥的受力特点不同，它属于无推力结构。它是由单独立柱与主梁连接成整体，形成T形，各T形刚架之间以剪力铰或挂梁相连，在竖向荷载作用下，无水平力产生。T形刚架桥的悬臂部分主要承受负弯矩，预应力筋通常布置在桥面，与悬臂施工方法实现高度协调一致。T形刚架桥的悬臂一般为对称布置，使支柱仅在活载作用时才有弯矩作用。
（2） 梁、拱组合体系
图1-8 a）所示为一种梁和拱的组合体系，此时梁和拱都是主要承重结构两者相互配合共同受力。由于吊杆将梁向上（与荷载作用方向相反）吊住，着就显著减小了梁中弯矩；同时由于拱和梁连接在一起，拱的水平推力就传给梁承受，这样梁除了受弯矩以外尚且受拉。这种组合体系桥能跨越较一般简支梁桥更大的跨度，而墩台没有推力，因此，对地基的要求就与一般简支梁桥一样。拱置于梁的下方，通过立柱对梁起辅助支承作用的组合体系桥。
（3） 斜拉桥
斜拉桥是典型的悬索结构和梁式结构组合的结构体系。这一结构体系由主梁，缆索和塔架组成，充分利用了悬索结构和梁结构的特点，其组合相当合理。在结构体系中，梁结构直接承受桥面外荷载引起的弯矩和剪力，桥塔两侧的斜拉索张紧后为梁结构提供弹性支承，同时承受由荷载引起的拉力，其拉力的竖向分量通过桥塔传至基础和地基；斜拉索中荷载引起拉力的水平分量，使桥结构承受轴向压力，相当于对梁结构施加预应力。此外，通过调整斜拉索间距可改变弹性支承的间距，使梁内力分布更加均匀合理，因而减小了主梁的建筑高度，提高了跨越能力。与悬索桥相比，斜拉桥的斜拉索直接作用于主梁结构，使结构体系的抗弯、抗扭的刚度大大增强，抗风稳定性也明显改善。由于斜拉索的拉力的水平分量由梁结构承担，因而也不再需要巨大的锚锭结构。