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桥梁工程
桥梁工程包括规划、设计、施工、操作和维护承载人类、动物或材料在自然或人为障碍上移动的设施。本节中使用的大多数图表取自《桥梁设计实践手册》、加利福尼亚州交通部和《公路桥梁标准规范》、美国国家公路与运输协会。作者对允许使用本综合性权威出版物中的这些插图表示感谢。
17.1桥梁类型
桥梁一般有两种类型：固定式和移动式。它们还可以根据以下特性进行分组：
配套设施：公路或铁路桥梁及高架桥、运河桥梁及渡槽、人行或牛行过路、材料装卸桥、管道桥。
设施或自然特征上的桥梁：公路和铁路上的桥梁；河桥；海湾、湖泊、泥沼和山谷交叉口。
基本几何：平面上为直桥或曲线桥、方桥或斜桥；立面上为低层桥，包括堤道和栈桥，或高层桥。
17.2设计规范
混凝土或钢制公路和铁路桥梁的设计通常以最新版的“公路桥梁标准规范”或美国国家公路与运输协会（AASHTO）的“荷载和阻力系数设计规范”（LRFD）和“铁路工程师手册”为基础。美国铁路工程与道路维护协会（AREMA）的“ING”。各种公路管理部门和铁路公司发布的标准计划也很有用。
桥梁的长度、宽度、高程、线形和交叉角必须满足受支撑设施的功能要求和跨接设施或自然特征的几何或水力要求。图17.1显示了典型的公路净空图。
结构系统、施工材料和详细尺寸的选择取决于结构安全、制造、安装、操作和维护的经济性以及美学考虑。
公路桥面板应提供舒适、排水良好的路面。纵坡和横截面应符合与开放式公路类似的标准（第16）。应在长桥上提供道路照明和应急服务。
护栏应将车辆保持在道路内，必要时，应将车道与行人和自行车分开。桥上或桥下的公用设施应得到充分保护，并配备设备，以适应结构的膨胀或收缩。大多数铁路要求道床连续横跨桥梁，以便于垂直轨道调整。长桥应配备服务走道。
17.3桥梁设计荷载
桥梁必须在不超过容许应力和变形的情况下支撑以下荷载：
-
- 恒载D，包括永久性公用设施；
- 活载L和冲击力I；
- 由于加速或减速产生的纵向力LF和摩擦力F；
- 离心力CF；
- 作用在结构W和移动荷载Wl上的风压；
- 地震力EQ；
- 作用于下部结构的土壤E、水和冰压力、冰、水流SF和隆起B
- 弹性变形产生的力，包括肋骨缩短器；
- 热变形产生的力T，包括收缩S和二次预应力效应。
17.3.1公路桥梁荷载
公路桥梁的车辆活载用设计车道和车道荷载表示。设计车道的数量取决于道路的宽度。
在标准规范中，每一车道荷载由带拖车的标准卡车（图17.3）表示，或者，作为10英尺宽的均匀荷载与集中荷载的组合（图17.2）。如图17.3所示，有两种装载类型：hs20和hs15，分别代表一辆装有三个装载轴的卡车和拖车。这些载荷名称后面是44，表示1944年采用了载荷标准。LRFD HL-93车辆活载由图17.3所示的HS20-44设计卡车或LRFD设计串列以及LRFD活载组成。LRFD设计串列被定义为一对间隔4.0英尺的25 kip轴。Lrfd活荷载包括纵向和横向均匀施加的0.64 k/lf。
当按比例分配任何构件时，应假定所有车道荷载在其各自车道内占据在该构件中产生最大应力的位置。表17.1给出了一条满载车道的最大力矩、剪切力和反作用力。两条以上车道同时加载产生的影响可通过加载系数减小，其中三条车道为0.90，四条车道为0.75。
在钢格栅和木地板的设计中，可使用24 kips的一个轴荷载或16 kips的两个轴荷载（间隔4 ft），以产生较大应力的为准，而不是图17.3所示的32 kip轴。对于平板设计，车轮中心线应假定为距路缘面1英尺。
风力通常被认为是可在任何方向水平作用的移动荷载。它们对上部结构的暴露区域施加压力，如侧立面图所示；对桥梁上的交通施加压力，重心在桥面上方6英尺处；对下部结构的暴露区域施加压力，如侧立面图或前立面图所示。表17.2和17.3中的风荷载取自“公路桥梁标准规范”、美国国家公路与运输协会。它们基于100英里/小时的风速。除第三组荷载（第条）外，其他设计速度应乘以（v/100）2。(Art.17.4）。
在倾覆调查中，在垂直于纵向桥梁轴线的水平风力作用下，对无活载的结构增加20 lb/ft2的向上力，或在结构承载活载时增加6 lb/ft2的向上力。该力应施加于横向上部结构宽度迎风四分之一点平面图中的桥面和人行道区域。
冲击表示为活载应力的一部分，并由以下公式确定：
式中，Lfrac14;跨距，ft；或对于悬臂上的卡车荷载，从力矩中心到最远轴的长度；或对于由于卡车荷载而产生的剪力，跨距的加载部分的长度。对于连续跨中的负力矩，使用相邻两个加载跨的平均值。对于悬臂剪切，使用Ifrac14;30%。不影响桥台、挡土墙、桥墩、桩（除了钢结构和混凝土桩刚性地嵌入上部结构）、地基压力和基础和人行道荷载。
公路桥梁上的纵向力应假定为车道荷载的5%，加上单向力矩的集中荷载，加上桥梁膨胀支座摩擦产生的力。
离心力应按设计活荷载的百分比计算。
式中S=设计速度，mi/h
R=曲率半径，ft
假设这些力水平作用于桥面以上6英尺处，并垂直于桥梁中心线。
设计中必须考虑防止变形旋转产生的约束力。
特别是来自约束的热力，可能导致应力过大、屈曲或开裂。应规定温度变化引起的膨胀和收缩，以及混凝土结构和收缩。对于美国大陆，表17.4涵盖了大多数位置的温度范围，并包括收缩对普通梁式混凝土结构的影响。混凝土和钢材每8华氏度的热膨胀系数为0.0000065（约1/150000）。混凝土拱和刚性框架的收缩系数应假定为0.002，相当于31 F的温度降。
桥墩上的水流压力应根据
其中p=压力，lb/ft2；
V=水流速度，ft/s；
k=4/3方端，角度为308或更小时角端为1/2，圆形桥墩为2/3。
冰压应假定为400 psi。设计厚度应局部确定。
桥墩和桥台上的土压力应采用公认的土力学公式计算，但当增加应力时，等效流体压力应至少为36 lb/ft3，当减少应力时，等效流体压力应不超过27 lb/ft3。
人行道及其直接支撑应设计为85 lb/ft2的均匀活荷载。
人行道活荷载对主桥构件的影响应根据
式中P=人行道活荷载，lb/ft2；
L=人行道荷载长度，ft；
W=人行道宽度，ft。
路缘石应能抵抗作用在地板上方10英寸处的500 lb/lin ft的力。栏杆设计荷载见图17.4。
冲击荷载占铁路活荷载的百分比可从表17.5中计算。
应计算制动和牵引的纵向力，并应计算每个轴对应的离心力。更多信息，请参见AREMA“铁路工程手册”。
17.3.2铁路桥梁荷载
活载由轴载图或“库珀列车”的E号表示，由两辆机车和一辆独立数量的货车组成。图17.5显示了E80负载的典型轴间距和轴负载。
承受一条以上轨道荷载的构件应假定承载以下比例的活荷载：两条轨道为全活荷载；三条轨道为两条轨道的全活荷载，三条轨道为半活荷载；四条轨道为两条轨道的全活荷载，一条轨道为半活荷载，其余一条轨道为四分之一活荷载。
17.3.3桥梁构件和截面比例
以下组代表结构可能承受的各种荷载和力的组合。结构的每一个部件，或者它所搁置的基础，都应该是比例的，以安全地承受适用于特定位置或类型的这些力的所有组组合。工作荷载设计和荷载系数设计的组荷载组合如下：
其中n=组编号，或分配给特定荷载组合的编号；
gamma;=提供材料、工艺和尺寸在可接受公差范围内的微小不利变化的能力折减系数；
beta;=荷载系数（下标表示适用的荷载类型）。
适当系数见表17.6。也见Art.17.3.1和Secs.8和9。
根据设计目标,AASHTO LRFD将荷载组合与各种极限状态联系起来。系数荷载之和必须小于系数阻力之和：
式中eta;i=负荷模型可靠性、冗余性和操作重要性;
gamma;i=荷载系数，基于统计的乘数，反映力效应值的确定性;
Qi=力效应I;
phi;=阻力系数，一个基于统计的乘数，反映特定材料属性值的确定性。
设计目标、极限状态荷载组合和荷载系数见表17.7和17.8。阻力系数随材料和特性而变化，如弯曲、剪切、承载、扭转等，但未显示。在LRFD中，Grsquo;s和Wrsquo;s都经过校准，以在整个结构中实现统一的安全水平。
17.4抗震设计
地震力是地震活动区桥梁设计中经常考虑的重要荷载。所有桥梁的设计应确保在最大考虑地震（MCE）要求下的生命安全。桥梁业主可能需要更高水平的性能，以提供地震后进入应急设施的通道，或者当地震后恢复服务所需的时间将产生重大经济影响时。
所有桥梁都应该有一个清晰可识别的系统，以抵抗地震造成的力和变形。试验研究和以往的性能表明，简单的桥梁结构特征导致更可预测的地震响应。不规则特征导致地震响应复杂且不易预测，应尽可能避免发生在高地震区（见表17.9）。应尽一切努力平衡框架内相邻排架、排架内相邻柱和相邻框架之间的有效横向刚度。如果不可避免地会出现不规则特征或横向刚度的显著变化，则应通过更严格的分析对其进行评估，并针对更高水平的抗震性能进行设计。
箱涵和地下结构的地震效应不需要考虑，除非它们交叉活动断层。
17.4.1抗震设计方法
通常情况下，由于经济限制和预测地震需求的不确定性，桥梁在MCE期间不会保持弹性。设计规范允许设计师利用延性和后弹性强度，只要预期变形不超过桥梁的横向位移能力。桥梁系统中的延性响应通常是通过持续的滞回力变形循环来实现的，该循环会消耗能量。这种耗散发生在结构构件内部，通过形成柔性塑料铰链，或外部带有隔离轴承或外部阻尼器。
非弹性行为应限制在桥梁内预定的位置，以便地震后检查和维修。大多数桥梁的非弹性行为的最佳位置包括柱、墩墙、桥台后墙和翼墙。上部结构中的非弹性响应不可取，因为检查和维修困难，可能会妨碍桥梁恢复到可用状态。
不参与一次耗能系统的构件（即柱剪力、接缝、盖梁和基础）应受到能力保护。这是通过确保来自塑料铰链、隔离轴承和阻尼器的最大力矩和剪切力可被相邻元件可靠抵抗来实现的。
17.4.2地震要求
均匀荷载法可用于确定主要以基本振动模式响应的桥梁的地震荷载。等效静态地震荷载通过将支流永久荷载乘以响应谱系数来计算：
式中，Pe=桥梁单位长度的等效均匀静态地震荷载
csm=弹性响应系数见公式17.8
W=桥梁上部结构和附属下部结构的恒载
L=桥梁总长度（ft）
式中，tm=MTH模式的振动周期（秒）
A=国家地面运动图的加速度系数
S=表17.10中规定的现场系数
其中g=重力加速度
K=桥梁横向刚度
单跨桥梁不需要进行地震分析。上部结构和下部结构连接处的最小设计力不得小于现场系数、加速度系数a和支流永久荷载的乘积。
如果预期纵向、横向和/或垂直响应之间存在耦合，则应使用多模谱模式分析方法。桥梁应采用三维线性动力模型来表示。利用均方根法或完全二次组合法等可接受的方法，将多个振型产生的弹性地震力和位移组合起来。模型中的模式数应至少是建模跨度数的三倍。场地特定反应谱通常用于多模态分析，包括震源、地面衰减和近断层现象。
当使用反应谱分析时，通过组合两个水平方向上的圆周运动分量来计算最大单地震力。这些构件沿纵向轴线施加，该纵向轴线由与桥梁中心线相交的弦和正常横轴所确定（见图17.7）。
设计桥梁以抵抗大的地震弹性是不经济的。当地震力超过设计水平时，将弹性计算力矩除以适当的响应修正系数r（见表17.11和17.12），柱被假定为非弹性变形。
美国国家公路与运输协会桥梁设计规范规定了关键桥梁、重要桥梁和其他桥梁的三级响应修正系数。桥梁业主必须根据社会/生存和安全/防御要求确定所需的性能水平。
更为严格的分析，如非弹性时程分析，应用于地震断层附近的几何复杂桥、临界桥、沙桥。非线性分析提供力和变形作为特定地震运动的时间函数。
应至少使用三个代表设计事件的地面运动。
非线性静力分析，通常被称为推覆分析，最近已被加州交通局采用。将桥墩的非弹性位移能力与考虑桥梁开裂弹性刚度的弹性需求分析中的位移进行比较。利用所期望的材料特性和可靠的材料应变极限，采用矩曲率分析法计算了抗震构件的弹性变形能力。位移能力也受到强度退化和大非弹性变形下产生的P-D效应的限制。如果P-D力矩小于构件塑性力矩承载力的20%，则通常忽略它们。
17.4.3混凝土桥柱抗震设计
横截面柱的尺寸应限制在上部结构或盖梁的深度，以减少向上部结构迁移的非弹性损伤的可能性。受压构件的纵向钢筋不应超过柱总横截面积的4%，以确保足够的延性，避免堵塞，并允许对纵向钢筋进行适当的锚固。相反，不小于支柱总横截面积的1%，以确保强度达到合理水平。在柱电位塑性铰区，圆形柱的横向钢筋R s不应小于：
f#39;c=28天时混凝土的规定抗压强度（ksi）
fy=钢筋屈服强度（ksi）
对于矩形截面，矩形箍筋的总截面积应不小于：
其中：S =箍的垂直间距不超过4英寸（英寸）
ac=柱芯面积（in2）
Ag=柱总面积（in2）
Ash=系
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