混凝土梁桥

背景

近 590,000 座公路桥梁跨越美国各地的水路、旱地洼地、其他道路和铁路。最引人注目的桥梁使用复杂的系统，如拱门、电缆或三角形填充桁架，以在雄伟的柱子或塔楼之间承载道路。然而，公路桥梁系统的主力是相对简单和廉价的混凝土梁桥。

梁桥也称为梁桥，由两端支撑的水平板组成。由于楼板（以及楼板上的任何物体）的所有重量都垂直转移到支撑柱上，因此柱子的重量可以小于拱桥或悬索桥的支撑，后者水平转移部分重量。

简单的梁桥通常用于跨越 250 ft (76.2 m) 或更小的距离。通过将一系列简单的梁桥连接成所谓的连续跨度，可以跨越更长的距离。事实上，世界上最长的桥梁，路易斯安那州的庞恰特雷恩湖堤道，是一对平行的、双车道的连续跨度桥梁，长近 24 英里（38.4 公里）。两座桥梁中的第一座于 1956 年竣工，由 2,000 多个独立跨度组成。姊妹桥（现在承载北向交通）13年后竣工；虽然它比第一座桥长 228 英尺，但它仅包含 1,500 个跨度。

桥梁具有三个主要元素。首先，下部结构（基础）将桥梁的承载重量转移到地面；它由柱（也称为桥墩）和桥台等组件组成。桥台是桥端与大地之间的连接；它为桥梁的端部提供支撑。其次，桥梁的上部结构是跨越柱间空间的水平平台。最后，桥面是上层建筑的交通承载面。

历史

史前人类通过模仿自然开始建造桥梁。他发现在一棵倒在小溪上的树上行走很有用，于是他开始在他想穿过小溪的地方放置树干或石板。当他想架起一条更宽的溪流时，他想出了如何在水中堆石头，并在这些柱子和河岸之间铺设木梁或石梁的方法。

公元前 484 年，希罗多德描述了第一座被记载的桥梁。它由由石柱支撑的木材组成，大约 300 年前就建在幼发拉底河对面。

最出名的是他们的石头和混凝土拱桥，罗马人还建造了梁桥。事实上，已知最早的罗马桥建于公元前 620 年，横跨台伯河。，被称为 Pons Sublicius 因为它是由木梁（sublicae）制成的。 罗马桥梁建造技术包括在建造柱子时使用围堰。他们通过将圆形排列的木杆驱动到预期柱位置周围的地面来做到这一点。在用粘土衬里木环以使其不透水后，他们将水从外壳中抽出。这允许他们为柱基浇筑混凝土。

1717 年，法国工程师休伯特·戈蒂埃 (Hubert Gautier) 撰写了一篇关于桥梁建造的论文，桥梁建造开始了从艺术到科学的过渡。 1847 年，一位名叫 Squire Whipple 的美国人撰写了 A Work on Bridge Building， 其中包含第一个计算桥梁应力和应变的分析方法。 “咨询桥梁工程”是在 1880 年代作为土木工程的一个专业设立的。

梁桥建设的进一步进步将主要来自建筑材料的改进。

建筑材料
及其发展

大多数公路梁桥是用混凝土和钢材建造的。罗马人在他们的桥梁中使用了由石灰和火山灰（一种红色的火山粉）制成的混凝土。这种材料即使在水下也能快速凝固，而且坚固且防水。在欧洲中世纪，石灰砂浆被用来代替，但它是水溶性的。今天流行的波特兰水泥是一种石灰石和粘土的特殊混合物，由一位名叫约瑟夫·阿斯普丁的英国瓦匠于 1824 年发明，但直到 1900 年代初才被广泛用作地基材料。

混凝土具有良好的强度以承受压缩（压力），但在张力（拉力）下没有那么强。十九世纪欧洲和美国曾多次尝试通过在混凝土中嵌入抗拉铁来加强混凝土。 1880 年代，Francois Hennebique 在法国开发了一个高级版本，他使用钢制钢筋。在美国的一座桥梁中首次大量使用钢筋混凝土是在旧金山金门公园的阿尔沃德湖大桥；它于 1889 年完工，至今仍在使用，它由设计师 Ernest L. Ransome 设计的扭曲钢钢筋建造而成。

混凝土施工的下一个重大进步是预应力的发展。通过拉动穿过梁的钢杆，然后将杆的末端锚固到梁的末端，对混凝土梁施加预应力。这会对混凝土施加压缩力，抵消在梁上施加载荷时施加在梁上的拉力。（压在水平梁上的重物往往会使梁在中间向下弯曲，沿梁顶部产生压缩力，沿梁底部产生拉力。）

预应力可以应用于在工厂预制、运到施工现场并由起重机吊装到位的混凝土梁；或者它可以应用于在梁的最终位置浇筑的现浇混凝土。可以在浇筑混凝土之前对钢丝或钢棒施加张力（预张紧），或者可以将混凝土浇筑在包含未张紧钢材的管子周围，在混凝土硬化后对其施加张力（后张紧）。

设计

每座桥梁在建造之前都必须单独设计。设计师必须考虑许多因素，包括当地的地形、水流、河冰形成的可能性、风模式、地震潜力、土壤条件、预计的交通量、美学和成本限制。

此外，桥梁的设计必须结构合理。这涉及分析 典型混凝土梁桥的剖视图。 作用在已完工桥梁每个部件上的力。三种类型的载荷对这些力有贡献。静载是指桥梁本身的重量。活荷载是指桥梁将承载的交通重量。环境载荷是指其他外力，如风、可能的地震作用以及与桥梁支座的潜在交通碰撞。对静载荷的静态（静止）力和活载荷和环境载荷的动态（移动）力进行分析。

自 1960 年代后期以来，设计中冗余的价值已被广泛接受。这意味着桥梁的设计使得任何一个构件的故障都不会导致整个结构立即倒塌。这是通过使其他成员足够强大以补偿受损成员来实现的。

制造
过程

由于每座桥梁都是针对特定地点和功能进行独特设计的，因此建造过程也因一座桥梁而异。下面描述的过程代表了建造一座相当典型的横跨浅河的钢筋混凝土桥梁的主要步骤，中间混凝土柱支撑位于河流中。

许多桥梁部件的示例尺寸包含在以下描述中以帮助可视化。有些取自供应商的手册或行业标准规范。其他是 1993 年在新墨西哥州阿尔伯克基的里奥格兰德河上建造的高速公路桥梁的细节。这座 1,245 英尺长、10 车道宽的桥梁由 88 根柱子支撑。它在结构中包含 11,456 立方码的混凝土，在人行道中还有 8,000 立方码。它还包含 620 万磅的钢筋。

子结构

1 围堰围绕河床中的每个柱子位置建造，水从围护结构内部抽取。设置地基的一种方法是在河床中钻孔，直至基岩。当螺旋钻将土壤从竖井中运出时，粘土泥浆被泵入孔中以替换土壤并防止竖井坍塌。当达到适当的深度（例如，大约 80 英尺或 24.4 m）时，钢筋（钢筋）的圆柱形笼子被降低到充满浆液的竖井中（例如，直径为 72 英寸或 2 m）。混凝土被泵送到竖井底部。当竖井充满混凝土时，泥浆被挤出竖井顶部，在那里收集和清洁，以便可以重复使用。每根柱子的地上部分既可以成型并就地浇筑，也可以预制并吊装到位并连接到地基。
2 桥台准备在河岸上，桥的端部将停在那里。在岸顶和河床之间形成并浇筑混凝土后墙；这是桥端以外土壤的挡土墙。在后壁的顶部形成了一个用于支撑桥端的壁架（座）。可能还需要翼墙，从后墙沿河岸向外延伸，以保留桥梁引道的填充泥土。
3 在本例中，桥将靠在每个支撑点的一对柱子上。通过放置一个垂直于桥梁方向的帽（钢筋混凝土梁）完成子结构，从一根柱子的顶部到其搭档的顶部。在其他设计中，桥梁可能依赖于不同的支撑结构，例如桥梁宽的矩形桥墩或单个 T 形柱。

上层建筑

4 起重机用于在整个桥梁长度的连续柱组之间设置钢梁或预应力混凝土梁。大梁用螺栓固定在柱帽上。对于阿尔伯克基高速公路桥，每根梁高 6 英尺（1.8 m），最长 130 英尺（40 m），重达 54 吨。
5 块钢板或预制混凝土板铺设在大梁上，形成一个坚固的平台，完成了桥梁的上部结构。例如，一家制造商提供 4.5 英寸（11.43 厘米）深的重型（7 号或 9 号）钢波纹板。另一种选择是用于混凝土甲板的原位钢模板，稍后浇筑。

甲板

6 防潮层放置在上部结构平台的顶部。例如，可以使用热应用的聚合物改性沥青。
7 在防潮层上建造钢筋网格；该网格随后将被包裹在混凝土板中。网格是三维的，在板底部附近有一层钢筋，在顶部附近有一层钢筋。
8 浇筑混凝土路面。 8-12 英寸（20.32-30.5 厘米）厚的混凝土路面适用于高速公路。如果使用原位模板作为上部结构平台，则将混凝土倒入其中。如果不使用模板，可以使用滑模摊铺机在一次连续操作中摊铺、压实和平整混凝土。在任何一种情况下，通过用刷子或粗麻布等粗糙材料手动或机械地在表面上划痕，将防滑纹理放置在新拌混凝土板上。大约每 15 英尺 (5 m) 设置一次横向接缝，以防止路面开裂；这些要么在浇筑混凝土之前添加到模板中，要么在滑模板硬化后切割。柔性密封剂用于密封接头。

质量控制

桥梁的设计和建造必须符合多个机构制定的标准，包括美国国家公路和运输官员协会、美国测试和材料协会以及美国混凝土协会。随着施工的进行，对各种材料（例如混凝土批次）和结构部件（例如梁和连接）进行测试。再举一个例子，在阿尔伯克基大桥项目中，在现场建造的一个样品柱基础和两个生产竖井上进行了静态和动态强度测试。