Unit 13

Bridge Engineering

A bridge is a structure providing passage over an obstacle without closing the way beneath. The required passage may be for a road, a railway, pedestrians, a canal or a pipeline. The obstacle to be crossed may be a river, a road, railway or a valley.

Components of a bridge

The main parts of a bridge structure are below:

1. Decking, consisting of a slab, girders, trusses, etc. ;
2. Bearings for the decking;
3. Abutments and piers;
4. Foundations for the abutments and piers, such as concrete spread footing and groups of bearing piles;
5. River training works, like revetment for slopes at abutments, aprons at bed level, etc.;
6. Approaches to the bridge to connect the bridge proper to the roads on either side;
7. Handrails, guard stones, etc.

The components above the level of bearings are grouped as superstructure, while the parts below the bearing level are classed as substructure

Classification

Bridges may be classified in many ways, as below:

1. According to the material of construction of superstructure as timber, masonry, steel, reinforced concrete, prestressed concrete or composite bridge;
2. According to function as viaduct, aqueduct, pedestrian, highway, railway, road-cum-rail bridge.
3. According to the structure system as rigid frame, arch, cable-stayed or suspension bridge.
4. According to the interspan relations as simple, continuous or cantilever bridge.
5. According to the span length as culvert (less than 8 m), minor bridge(between 8 m and 30 m), medium span bridge(above 30 m), long span bridge(above 120 m)..
6. According to the anticipated type of service and duration of use as permanent, temporary, military bridge.

Historical development

The history of development of bridge construction is closely linked with the history of human civilization. From the point of view of structural action, bridge structures can be classified into four basic types: beam bridges, arch bridges, frigid frames and suspension bridges (Shown in Fig. 13. 1 ). Nature fashioned the first bridges. The tree fallen accidentally across a stream was the earliest example of a beam type bridge. Similarly, the natural rock arch formed by erosion of the loose soil below and the creepers hanging from tree to tree allowing monkeys to cross from one bank to the other were the earliest fore-bears of the arch and suspension bridges, respectively.

For a few thousand years the classical form in bridge design has been the vault or arch. This structure, because of its inherent contour, utilized masonry as its material. The Chinese were building stone arch bridges since 250 B.C. The Chao-Chow Bridge built around 600 A.D. is perhaps the most long-lived vehicular bridge today. Situated about 350 km south of Beijing, it is a stone arch bridge of a single span of 37.4 m and rise of 7.23 m, with a roadway width of 9 m. The secret of its longevity was that the voussoirs were dressed exactly to match and there was no mortar joint.

In the world, steel was first extensively used in the Eads Bridge at St. Louis, Missouri, Built in 1874. This is a steel arch bridge of three spans of 153, 158 and 153 m, and was the first bridge to make extensive use of cantilever method of erection. The first all-steel bridge was built at Glasgow, South Dakota in 1878. Steel was also used in the cables and spans of Brooklyn bridge during 1869~1883.

The use of concrete as a building material, however, was not considered until late in the nineteenth century. In general, the first practical application of reinforced concrete is credited to Monier in 1867. In 1866 Wayss and Koenen, in Germany conducted a series of tests on reinforced concrete beams, and in the years between 1891 and 1894 extensive research in this field was done by Moeller of Germany, Wunsch of Hungary, Melan of Austria, and Hennebique of France.

The first reinforced concrete bridge was built in 1971 as a 15 m span bridge across the Waveney at Homersfield, England. Soon after, a 6 m arch was built in 1889 at Golden Gate Park in San Francisco and girder bridge was built in 1893 as an approach to a mill at Don, France. The adaptability of reinforced concrete to any architectural form and the increased efficiency in concrete construction resulted in its widespread use in bridge building.

In the same period prestressed concrete concepts were being formulated by Jackson and Doehring(1886 and 1888). Their application was not successful because of the high losses in prestress caused by shrinkage and creep of the concrete. It was not until 1926-1928 when Freyssinet was able to control these losses with high-strength steel that prestressing was considered feasible.

The application of prestressing in concrete design opened new horizons in the use of concrete since 1930. One of the early prestressed concrete bridge was the Marne bridge built in France. The first prestressed concrete highway bridge built in India is the Palar bridge, built in 1954 with 23 spans of 27 m each. Since than many prestressed concrete bridge have been successfully built in the world.

Recently, cable stayed bridges have gained popularity for long span bridges in the range of 200 m to 1000 m. One well-known bridge in this category is Yang-pu bridge in Shanghai built in 1996. Other examples are mainly in China and other countries.

The suspension bridge has co

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桥梁工程

桥梁是提供穿越障碍的通道而没有关闭其下面通道的结构。所需提供的通道可能的公路，铁路，行人，运河或管道。要跨越的障碍可能是一条河，一条道路，铁路或一个山谷。

桥梁的组成

桥梁结构的主要组成部分如下：

（1）桥面，包括板、梁、桁架等；

（2）桥面支撑；

（3）桥墩桥台和护坡；

（4）墩台基础和边坡基础，比如混凝土扩展基础和支撑桩组；

（5）河道整治工作，例如墩台护坡，河床护墙，等；

（6）引桥部分用来连接桥梁和两侧的道路；

（7）栏杆，护石等。

桥面以上的结构称为上部结构，桥面以下的结构称为下部结构

分类

桥梁可以用多种方法分类,如下:

（1）根据上部结构的材料分为木质桥、砌体桥、钢结构桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥或复合桥；

（2）根据功能分为高架桥、运水桥、人行天桥、高速公路桥、铁路桥、公路桥和公铁两用桥；

（3）根据结构系统分为刚架桥、拱桥、斜拉桥或悬索桥；

（4）梁式桥可以分为简支梁桥，连续梁桥和悬臂梁桥；

（5）根据跨径长度可以分为小桥（少于8m），中桥（8m到30m），大桥（大于30m），特大桥（大于120m）

（6）根据使用时间分为永久桥，临时桥，军用桥。

历史发展

桥梁建设的发展史与人类文明史的发展有着密切的联系。从结构作用的角度看，桥梁结构可以分为四种基本类型：梁桥、拱桥、桥涵和悬索桥（如图13所示.1）。第一座桥的本质是，一棵树意外的倒下并且横在了一条小溪上面，这就是最早的梁式桥例子。同样，岩石由于下部土壤天然侵蚀而形成的石拱，树上垂下的藤蔓让猴子从一个树冠荡往另一个树冠形成了最早的拱桥和悬索桥。

几千年来，桥梁设计中的经典形式一直是拱顶或拱。这种结构，由于其固有的形状，适合用砌体作为其材料。中国从公元前250年就已经开始修建石拱桥，公元600年左右建造的赵州桥也许是最长寿的拱桥。它位于北京以南350公里处，它是一个单跨37.4米和7.23米高的石拱桥，行车道宽有9米，其长寿秘诀在于巷道宽度，楔形拱石的无缝连接和无灰缝。

在世界上，钢是第一个广泛使用于Eads Bridge在St. Louis，Missouri，建于1874年。这是一座跨度分别是153、158和153米三跨的钢拱桥，是第一座用悬臂法施工的桥梁。第一座全钢桥是在Glasgow，建于1878年。在1883到1869年间，Brooklyn大桥的电缆和跨度也同样使用了钢。

然而，混凝土作为建筑材料的使用，出现在在第十九世纪末算是很晚了。总的来说，钢筋混凝土的首次实际应用于桥梁是在Monier 1867。1866 Wayss和Koenen，在德国对钢筋混凝土梁进行了一系列测试，并在1891和1894之间这一领域的研究是由德国的Moeller、匈牙利的Wunsch、亚美尼亚的Melan、还有法国的Hennebique共同完成的。

第一个钢筋混凝土桥建于1971，15米跨度的大桥横跨在Homersfield的Waveney，英格兰。不久后，一个6米的钢筋混凝土拱桥建于1889在Golden Park在旧金山而且钢筋混凝土梁桥建于1893用于连接一所工厂，Don，法国。钢筋混凝土对任何建筑形式的适应性和混凝土施工效率的提高，导致了其在桥梁建设中的广泛应用。

在同一时期，预应力混凝土的概念是由Jackson和Doehring提出（1886和1888）。由于混凝土收缩徐变引起的预应力损失较大，导致其应用不成功。直到1926-1928 Freyssinet能够控制这些损失，预应力高强钢才是可行的。

在混凝土设计中预应力混凝土的应用开辟了新的视野， 1930。一个早期的预应力混凝土桥建于法国马恩河桥。第一预应力混凝土公路桥建在印度帕拉桥，建于1954，23跨、每跨27米。如今许多预应力混凝土桥已成功地建立在世界各处。

近年来，斜拉桥在200米至1000米的跨境范围内已广受欢迎，这一类的著名的桥梁是上海的杨浦大桥，建于1996。其他例子主要也在中国和其他国家。

悬索桥已经作为最适合在500m致3000m跨境内修建的桥梁。日本的Okashi Kaiko大桥是世界上最长的悬索桥。它建于1999且主跨达到1991m。

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桥梁设计与建造

桥梁结构良好的设计应满足以下要求：（1）功能；（2）美观；（3）经济。

计划。一个现代大桥施工的第一步是一个全面的研究，以确定是否需要一座桥。如果它是一个公路桥，在美国，例如，规划研究是由一个国家的桥梁局完成的，可能与当地政府或联邦政府合作。研究大桥的交通量，缓解了附近的公路网络拥挤的交通，该项目，如公共税收或销售收入债券偿还辊收费。如果这一研究导致了该项目的提前决定，该桥的土地和它的方法是在选定的地点获得的。在这一点上，现场工程工作开始。准确的土地调查。潮汐，洪水条件，土壤和岩石都采取了可能的基础位置，在土地和水下。

桥梁设计选择。决定是否将桥梁建造为梁、悬臂梁、桁架、拱、悬挂或其他类型的主要因素有：（1）位置；（2）用途；（3）跨度长度；（4）可用材料的强度；（5）成本；（6）所在位置的美观和一致。

每种类型的桥只有在一定范围内的跨度长度是最有效和经济的，如图所示：

桥梁类型	最佳跨径
	(英尺)	(米)
梁桥	20~1,000	6.1~304.8
刚架桥	80~300	24.4~91.4
拱桥	200~1,000	61.0~304.8
桁架桥	200~1,400	61.0~426.7
悬臂桥	500~1,800	152.4~548.6
悬索桥	1,000~5,000	304.8~1,524.0

如表中所示，各种类型桥梁的适用范围有相当大的重叠。在某些情况下，初步设计有集中可供选择的桥梁类型，以便有一个更广的选择，来决定最终类型。

材料选择。桥梁设计者可以选择一些现代高强度材料，包括混凝土、钢、和多种耐腐蚀的合金钢。

力学分析。桥梁必须抵抗拉力、压缩、弯曲、剪切和扭转的复杂组合。此外，该结构还必须提供一个安全因素，作为防止失效的保险。在结构中的个体应力和应变的精确计算，称为分析，也许是一座桥梁建筑中技术最复杂的方面。分析的目的是确定作用在桥梁上所有的力学作用。

作用于桥梁结构构件的受力是由2种荷载-静力和动力作用的。静力荷载-桥梁结构本身的自重-通常是最大的荷载。动态，或活载，组件，包括车辆行驶在桥梁上，风力，和积累的冰和雪所产生的荷载。

虽然车辆的总重量，在任何时间对于桥梁，通常是一小部分的静态和动态负载，对于桥梁设计师他提出了特殊的挑战和问题，振动和冲击应力产生于移动车辆。例如，在道路上车辆运动或颠簸的违规行为造成的严重影响可能会暂时改变桥面上的活荷载。

在桥梁结构中，风力直接作用于桥梁结构，并通过冲击行驶的车辆穿过桥梁。如果风引起的气动弹性振动，塔科马海峡大桥在这种情况下，其效果可能大大放大。由于危险，桥梁设计师提前坐好预判可能发生在桥梁位置的最强风的情况。那其它的力作用在桥上，如地震产生的应力，还必须提供抗震验算。

特别注意的是桥墩的设计，因为他们的负载可能因所受到的的水流，波浪，和漂浮的冰和碎片所加强。桥墩甚至可能被一艘过往的船撞击。

电子计算机在帮助桥梁设计师们的分析中发挥着越来越重要的作用。使用精确的模型测试，特别是用于研究的动态行为的桥梁，也有助于设计师。桥的比例缩小模型的构建，并放置在模型的各种测量应变，加速度和变形的测量仪。然后进行各种规模的沉降或动态的情况下模拟，找出会发生什么。风洞试验也可确保没有像塔科马海峡大桥的破坏。有现代先进的技术援助，现代桥梁失败的几率要小得多。

架设上部结构。等所有墩台到位，上部结构的施工开始。所建的施工方法很大程度上取决于正在建造的桥的类型。有六种施工方法：支架、浮选、悬臂、滑动、吊装、悬浮。

在支架施工中，主要用于建筑混凝土拱桥、金属或木材的支持是建立临时支撑安装。很多都是根据需要而灵活搭建的脚手架，尤其是在奔腾的河流或峡谷的结构。临时杆和支架常用于宽浅河流。

浮选法，主要用于建设大桥，主桥部分是预制在岸和驳船浮移到桥址。这些部分随后吊装到位，用浮吊起重机或放在建造的桥段绞车。

悬臂技术不仅用于悬臂桥也为钢拱桥。施工开始于一个基台，并延伸到中心片的一块。移动起重机和吊车的结构已完成部分处理重。

滑动建设很少使用。在这种方法中，一个预制的单元，如桁架，国际空间站在岸上竖立，并通过一个临时或永久性的支持，直到它停在另一个支持。

在直接吊装法中，主要用于轻型、短跨公路桥梁，一个预制桥单元由一个提升机提升，并在桥支架上直接吊到。

在悬索桥的施工过程中，将电缆连接在桥的中间，用作桥面的支撑。桥面竖立在桥的两端，向中心发展。一个行驶的吊杆，在甲板上完成的一部分，是用来处理重型材料。临时悬挂电缆偶尔用于其他类型的桥梁，以传达材料跨越跨度。

在所有的施工方法，都是必要的，以确定在每一个阶段的应力和变形。在部分完成的桥的应力，由悬臂法施工，因为完全不同的条件下的支持和装载，可以超过在一个完整的桥的应力。

当车道铺装完毕，标志、照明、护栏，并安装其他配件后，桥梁投入使用。

8.3 碳酸盐岩

碳酸盐岩中含有50%以上的碳酸盐矿物，其中方解石和白云石占主导地位。通常这个词是用于那些灰岩，碳酸盐组分主要由方解石和白云岩是长期保留在白云岩占一半以上的碳酸盐组分的岩石。白垩是一种相当奇特的软质，特别是在上白垩统中发育的典型的纯灰岩。

Fookes和Higginbottom设计以工程为目的分类石灰岩。他们选择了矿物组成、起源、晶粒尺寸和硬结程度作为其分类的基础标准。

碳酸盐岩某些物理性质的代表性值见表8.3。可以看出，一般来说，随着年龄的增长，这些岩石的密度增大，而气孔率减少。成岩加工主要解释为低孔隙度和镁灰岩是石炭系。另一方面，高孔隙率的上白垩可能是存在的空心测试和复杂的形状的组成颗粒。还有，上白垩非常不好胶结，相比中间和更低的白垩不能遭受相同程度的预固结加载。

年龄往往对碳酸盐岩和其他沉积岩的强度和变形特征有着重要影响。从表8.3可以看出，石炭系灰岩一般是很强的，反之，Bath Stone（大鲕、侏罗纪）只是中强。同样古老的灰岩往往具有最高的杨氏模量值。

厚层灰岩，水平在相对自由的溶洞提供良好的基础。例如，石灰系完整的石灰石样品有无侧限抗压强度大于100 MPa。另一方面，薄层，高度折叠或海绵状灰岩可能会出现浆液性基础问题。一个滑动的可能性可能单薄，存在折叠序列，同样如果床分隔层粘土或页岩，尤其是倾斜的，可以作为滑动面失败的原因。

雨水一般为弱酸性，可从有机物或矿物物质中进一步得到酸。对水的侵蚀程度可以评估的基础上，溶解的碳酸盐含量，PH值和水的温度之间的关系。在任何给定的PH值，较冷的水侵蚀力更强。如果继续侵蚀那么PH将持续减小并最终达到饱和。因此当碳酸氢饱和度低时溶液浓度是最大的。这是发生在水里的循环，使新鲜的供应与低石灰饱和是不断提供。不含盐的水中能溶解到400 ppm的碳酸钙。

灰岩通常由连接损伤。这些都受到了不同程度的侵蚀，有些可能裂开。天坑可能发展在关节相交，这可能会导致地下坑道和洞穴。后者的特点是厚，块状灰岩。有时侵蚀产生在一个高度不规则的表面上，在高处的石灰石路面。的大小，形态，数量，和上述功能下降的程度取决于地质结构和存在的互渗层。单独的洞可能是开放的；他们可以部分或完全填充粘土，粉土、砂或砂砾混合料，也可以是充满水的管道。溶洞目前众多问题如大型基础建设水坝，其中轴承的强度和不透水性是最重要的。

很少有地点是如此的差，它是不可能构建安全和成功的结构，但必要的整治的费用可能是令人望而却步。坝的选址应该放弃一些有很大空腔，并延伸到相当大的深度的地点。

在石灰石溶液中侵蚀的主要作用是扩大的孔隙，提高水循环，为进一步的侵蚀提供条件。这带来了压力的增加，在剩下的岩石框架，降低了强度的岩石质量，并导致增加应力腐蚀。在加载，空隙的体积是由岩石，

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