Types of Bridges

Any number of different methods may be used to classify bridges. Bridges can be classified according to materials (concrete, steel, or wood), usage (pedestrian, highway, or railroad), span (short, medium, or long), or struc- tural form (slab, girder, truss, arch, suspension, or cable-stayed). None of these classifications are mutually exclusive. All seem to contain parts of one another within each other. For example, selection of a particular material does not limit the usage or dictate a particular structural form. On the other hand, unique site characteristics that require a long-span bridge with high vertical clearance limit the choices of materials and structural form.

Experience, modeling, peer review, public review, architectural review, and landscape review all may play important roles in selection of a bridge type. Contractor experience, traffic control, construction methods are addi- tional considerations. Designers seldom select a bridge type based solely on the elements of aesthetics and/or economics—many factors are involved.

In this book, the design topics in concrete and steel highway bridges have been limited to medium and short spans, which obviously narrows the field of bridge types that are discussed in detail. However, to put this discussion in perspective, a brief overview of all bridge types commonly used is presented. The classification of bridge types in this presentation is according to the location of the main structural elements relative to the surface on which the

Fig. 2.43

New River Gorge Bridge. (Photo courtesy of Michelle Rambo-Roddenberry, 1996.)

user travels, that is, whether the main structure is below, above, or coincides with the deck line.

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Main Structure below the Deck Line

Arched and truss-arched bridges are included in this classification. Exam- ples are the masonry arch, the concrete arch (Fig. 2.17), the steel truss-arch, the steel deck truss, the rigid frame, and the inclined leg frame (Fig. 2.15) bridges. Striking illustrations of this bridge type are the New River Gorge Bridge (Fig. 2.43) in West Virginia and the Salginatobel Bridge (Fig. 2.44) in Switzerland.

With the main structure below the deck line in the shape of an arch, gravity loads are transmitted to the supports primarily by axial compressive forces. At the supports, both vertical and horizontal reactions must be resisted. The arch rib can be solid or it can be a truss of various forms. Xanthakos (1994) shows how the configuration of the elements affects the structural behavior of an arch bridge and gives methods for determining the force effects.

Orsquo;Connor (1971) summarizes the distinctive features of arch-type bridges as:

• • • • The most suitable site for this form of structure is a valley, with the arch foundations located on dry rock slopes.

Fig. 2.44

General view of Salginatobel Bridge. [From Troitsky (1994). Reprinted with permission of John Wiley amp; Sons, Inc.]

• • • • The erection problem varies with the type of structure, being easiest for the cantilever arch and possibly most difficult for the tied arch.
      • The arch is predominantly a compression structure. The classic arch form tends to favor concrete as a construction material.
      • Aesthetically, the arch can be the most successful of all bridge types. It appears that through experience or familiarity, the average person regards the arch form as understandable and expressive. The curved shape is almost always pleasing.

Suspension, cable-stayed, and through-truss bridges are included in this category. Both suspension and cable-stayed bridges are tension structures whose cables are supported by towers. Examples are the Brooklyn Bridge (Fig. 2.19) and the East Huntington Bridge (Fig. 2.18).

Suspension bridges (Fig. 2.45) are constructed with two main cables from which the deck, usually a stiffened truss, is hung by secondary cables. Cable- stayed bridges (Fig. 2.46) have multiple cables that support the deck directly from the tower. Analysis of the cable forces in a suspension bridge must consider nonlinear geometry due to large deflections.

Orsquo;Connor (1971) gives the following distinctive features for suspension bridges:

Main Structure above the Deck Line

Fig. 2.45

Typical suspension bridge. [From Troitsky (1994). Reprinted with permission of John Wiley amp; Sons, Inc.]

• • • • The major element of the stiffened suspension bridge is a flexible cable, shaped and supported in such a way that it can transfer the major loads to the towers and anchorages by direct tension.
      • This cable is commonly constructed from high-strength wires either spun in situ or formed from component, spirally formed wire ropes. In either case the allowable stresses are high, typically of the order of 90 ksi (600 MPa) for parallel strands.
      • The deck is hung from the cable by hangers constructed of high- strength wire ropes in tension.
      • The main cable is stiffened either by a pair of stiffening trusses or by a system of girders at deck level.
      • This stiffening system serves to (a) control aerodynamic movements and (b) limit local angle changes in the deck. It may be unnecessary in cases where the dead load is great.
      • The complete structure can be erected without intermediate staging from the ground.

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Fig. 2.46

Cable arrangements in cable-stayed bridges (Leonhardt, 1991). (From Bridge Aesthetics Around the World, copyright copy; 1991 by the Transportation Research Board, National Research Council, Washington, DC. Reprinted with permission.)<!--

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桥梁类型

桥梁分类有许多不同的方法。 桥梁可以根据使用的材料的不同（混凝土、钢或木材)、用途不同(行人、公路或铁路)、跨径长短的不同(短、中或长)或结构形式不同(板、梁、桁架、拱、悬索或斜拉）进行分类。 这些分类方式彼此的依据有所不同，但即使不同类别的桥梁也会有相同的特点。 例如，使用某种特定材料并不意味着一定要采用某种对应的结构形式。 另一方面，若桥梁跨径较大、距地面净空较高，也会限制材料和结构形式的选择。

在选择桥梁类型时，需要考虑经验、建模、同行评审、公众评审、建筑评审和景观评审等方面。此外， 还需要考虑施工单位的经验水平、运输能力、施工方法。设计师会综合考虑许多因素，而不是仅仅根据美学或经济学来选择桥梁的类型。

在本书中，设计讨论的主题仅限于中等跨径和短跨径的混凝土桥梁和公路钢桥，因此会明显的缩小能够详细讨论的桥梁类型的范围。然而，为了更加全面的讨论，会简要介绍所有常用的桥梁类型。

在本说明中，桥梁类型是根据主要结构相对于汽车所行驶的表面的位置来分类的，即主要结构是在桥面板线的下方，上方，还是与桥面板线重合来分成三类的。

图 2.43

新河峡大桥。 (图片由Michelle Rambo-Roddenberry提供，1996年)

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桥面板线以下主要结构

这类桥梁包括拱桥和桁架拱桥。 例如砌体拱桥，混凝土拱桥，钢桁架拱桥，钢板桁架桥，刚性框架桥，斜腿架桥梁桥。 这类桥例如有西弗吉尼亚州的新河峡大桥（图2.43）和瑞士的萨尔吉纳托贝尔桥（图 2.44)。

由于桥面板线以下的主体结构呈拱形，重力荷载主要通过轴力传递给支座。 支座会承受垂直和水平反力。 拱肋可以是实心的，也可以是各种形式的桁架。桑塔科斯（1994）提出了构件的配置对拱桥结构的影响，并给出了确定作用力效应的方法。

Olsquo;Connor（1971）总结了拱桥的独特特点：

• • • • 拱基适于建造在干燥的岩石斜坡上，因此山谷是最适合建造拱桥的地形。

图 2.44

萨尔吉纳托贝尔桥的概况。 [摘自托里茨基（1994年）。 经John Wileyamp;Sons公司许可转载]

• • • • 施工的难度因结构类型而异，悬臂拱施工最容易，而绑拱则可能是最困难的。
      • 拱是主要受压的结构。 拱桥材料一般使用混凝土。
      • 拱桥是所有桥梁形式中最优美的一种桥。人们仅通过生活经验，就能够欣赏到拱桥的美。 人们都比较喜欢这种弯曲美。

这类桥型包括悬索桥、斜拉桥和桁架桥。 悬索桥和斜拉桥都是由塔支撑的受拉结构。 例如布鲁克林大桥和东亨廷顿大桥。

悬索桥（图2.45)由两根主缆组成，桥面板通常是加劲桁架，并由辅助缆绳悬挂。斜拉桥通过多根缆绳直接从塔上吊起桥面板。 分析悬索桥中的缆索力时，必须考虑因为挠度较大产生的非线性几何变形。

奥康纳（1971）给出了悬索桥的以下显著特征：

桥面板线上方的主体结构

图2.45

典型的悬索桥。 [摘自托里茨基（1994年）。 经John Wileyamp;Sons公司许可转载]

• • • • 加劲悬索桥的主要构件是柔性缆绳，其形状和支撑方式使其能够直接通过拉力将主要荷载传递到塔和锚固。
      • 该缆绳通常由高强度钢丝制成，这些钢丝可以原位纺制而成，也可以由成螺旋形的钢丝绳制成。 这两种情况下制成的钢丝，都有很高的允许应力，一般是90ksi(600MPa)的平行股。
      • 桥面板通过缆绳悬吊在高强度钢丝绳制成的吊架。
      • 主缆由一对加劲桁架或桥面板高度的梁系完成加固。
      • 这个加劲系统用于(A)控制空气的动力学运动和(B)限制桥面板的局部转角变化。 但如果静力负荷很大的话，则不需要考虑这些。
      • 可以无需中间过渡从地面而直接架立起完整的结构。

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图 2.46

斜拉桥的缆绳结构(Leonhardt，1991年)。 （摘自《环游世界的桥梁美学》，版权所有(1991年），由华盛顿特区国家研究委员会交通研究委员会出版。 经许可转载)

• • • • 主体结构优雅，功能齐全。。
      • 这是跨径能超过2000ft（600米）的唯一的桥梁形式，它通常也是1000英尺(300米）跨径最常用的桥梁形式。此外，这种桥梁形式也可以用在一些较短的跨径的桥梁，例如一些外观优美的人行天桥。

考虑斜拉桥的下列特点(Olsquo;Con-Nor，1971)：

• • • • 与加劲悬索桥相比，缆绳是直的而非弯曲的。 因此，桥梁的刚度较大。上面所提过的，加劲悬索桥的非线性的状况是由于缆绳曲率的变化和静载缆绳张力所产生的相应弯矩的变化所致。在直线缆绳的结构中不会出现这种现象。
        • 缆绳被锚固在桥面板上，因此会使桥面板轴向受压。 为了降低造价，桥面板系统必须承担部分荷载。 在混凝土结构中，这种轴向力会使桥面板轴向受压。
        • 与加劲悬索桥相比，斜拉梁桥在承受静载荷方面效率较低，但在动载下则效率更高。因此，跨径较大时，它的造价会较为昂贵。跨径在300-1100英尺（100-350米)范围时它的造价较为便宜 ，但也有设计师在桥梁跨径高达2500英尺(800米）的桥梁上使用悬索桥。
        • 缆绳可以与桥面板的纵向中心线布置在一个平面内。这种布置利用了管状梁系统固有的抗扭能力，并可以将塔架里的竖井的数量减少一半。
        • 缆绳有利于斜拉梁桥的架设。在梁桥的悬臂施工中，这种类型的临时支撑很常见。缆绳的调整可以在施工过程中提供有效控制。

0.

在小雨且刮风且风力中等的情况下可能会存在空气动力不稳定的问题。水会形成一个小泡（或凸起），扰乱缆绳周围的气流。 这种扰动产生一种波动力，这种波动力可能会导致撑杆产生较大的横向运动。 这种现象有时被称为“雨中起舞”。

桁架桥（图2.47）由两个主要的平面桁架、横向桁架和横向支撑形成一个三维桁架，可以抵抗一般的荷载系统，当支撑桥面板的纵向弦杆处于底弦高度时，这是一座就如

图 2.47

桥桁架的类型。 [摘自托里茨基（1994年）。 经John Wileyamp;Sons公司许可转载]

图 2.48

新奥尔良大桁架桥。 (图片来源：Amy Kohls，1996)

图2.48所示的类型的桁架桥。

奥康纳（1971）给出了桁架桥的以下独特特征：

• • • 桥桁架具有两大结构优点：（1）构件主要受轴向载荷；（2）与等效的实心腹板梁相比，开口腹板系统的梁高更大。 这两个因素可以降低材料的造价和桥梁自重。梁高的增加也会导致变形减小，即结构更加坚固。
    • 对于中等跨径的桥梁，使用传统的桁架桥造价最低。 传统意义上来说，它的适用跨径在板梁与加劲悬索桥之间。 现代建筑技术和材料的发展降低了同等跨径钢和混凝土梁的造价。 斜拉桥成为中等跨径钢桁架的主要竞争桥型。 这些都与桁架的制造成本较高有关，因此也导致了这些年来桁架桥的数量在逐渐减少。

主体结构与桥面板线重合

• • • • 由于桁架空气动力学性能较好，桁架几乎已经成为常规悬索桥加劲的标准结构。
      • 与其他解决方案相比，如果桥面在上弦层，则桁架在下方开口处的侵扰较大，而如果交通流流经桥面，而桥面在下弦层，则侵扰较小。 对于在公路或铁路上需要架有另外一条铁路的铁路立交桥，桁架桥的主要优势是需要的建设高度较小。 在某些结构中，最好将这两种构造结合起来，在主跨上建造深度较小的桁架，并在接近上弦水平的地方搭设桥面板。

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此类桥包括所有类型的桥。 例如板梁（实心和空隙）、T梁（现浇）、工字钢梁(预制或预应力)、宽翼缘的梁(复合材料和非复合材料)、混凝土箱梁(预应力的现浇和预制)、钢箱(正交异性桥面板）和钢板梁（直梁）桥。

2.392

混凝土板、T梁、预应力梁和箱梁桥的示例如图2.49所示。 完整的现浇混凝土板梁如图2.50所示。许多梁桥的造型

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图 2.49

混凝土桥梁的类型。 （加州交通部批准）

图 2.50

现浇后张拉空心板桥（Dorton，1991年）。 （摘自《世界各地的桥梁美学》，版权所有，(1991年），由华盛顿特区国家研究委员会交通研究委员会出版。 经许可转载)

优美。 其中包括预应力梁（图 2.32)，混凝土箱梁（图 2.10、2.23和2.34)和钢板梁（图1 2.27、2.35和2.36)。

梁式桥梁主要承受剪力和弯距。 与拱桥结构中的轴向压力和悬索结构的拉力相比，这种作用效率较低。 梁必须在其本身的深度内同时产生压力和拉力。 一个杠杆臂足以提供内部阻力矩分离这些内力。 因为端部纤维是截面唯一完全受力的部分，所以很难在梁截面上获得有效的材料分布。 此外，从材料利用的角度来说，如何保持稳定限制了强度和价格进一步的发展。但从总体经济角度来看，板梁桥为绝大多数桥梁提供了经济且持久的解决方案。 美国建筑业对于建造这种类型的桥梁非常熟练。 因此，梁桥是一种典型的非常适用于短跨长度到中跨长度的桥梁，（例如lt;250英尺（75米））

在公路桥梁中，桥面和梁通常共同承担所施加的荷载。表2.2显示了各种类型梁桥常见的横截面。 其中包括钢、混凝土和木桥梁，和现浇或整体浇筑混凝土桥面。但 这些并不是梁和桥面板的唯一组合，而是AASHTO（2004）LR FD规范中的近似分析方法所包括的组合。

桥梁类型的结语

为了方便比较，表2.3给出了各种桥梁类型的跨度长度的一般的范围。在本书中，仅讨论跨径中等和跨径较短的板桥和梁桥。 其他类型桥梁的讨论，请参阅Xanthakos（1994年）。

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• 1. 桥型选择

设计过程中的主要文件之一是工程师向桥梁业主对拟建桥梁的类型、大小和位置的（TSamp;L)报告。 这份TSamp;L报告包括成本研究报告和一套初步的桥梁图纸。 设计工程师主要负责这份报告，但若是不论有或者没有设计办公室，都需要征求他人的意见和建议。 然后将报告提交给所有适当的机构，并进行公开听证，且必须在开始最终设计之前获得审批。

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需要考虑的因素

桥梁类型的选择涉及到许多因素。 总的来说，这些因素与功能、造价、安全、施工经验、交通控制、土壤条件、抗震性能和美观性有关。 编制一份有关因素的清单需要确定各个影响因素的优先级，但即使优先顺序因桥梁类型而异，也必须制定出一份清单。 这里的讨论遵循的是ACI-ASCE委员会343（1988）提出的关于混凝土桥梁的大纲，但无论使用哪种建筑材料，讨论的因素都应该是相同的。

岩层的地球气象条件

所选桥梁的类型通常会受公路路线的水平和垂直路线，以及道路上下的净空的影响。 例如，如果道路是弯道，应该选择连续箱梁和连续板梁，因为它们的外观漂亮、在曲线线路上建造难度较低，并且具有相对较高的抗扭能力。在通航水道上跨度较大、净空较高的桥梁则会考虑与跨越洪水平原的中等跨度的桥梁不同的桥梁类型。在施工过程中如何保证正常的交通通行需要考虑到场地的地形，而且这是一个重要的安

表2.2

普通梁桥截面

支持组件 板类型 典型的截面

钢梁 现浇混凝土板，预制混凝土板，钢格板，

胶合/加筋板，预应力木板

闭口钢箱或预制混凝土箱

现浇混凝土板

开口钢箱或预制混凝土箱

现浇混凝土面板、预制混凝土面板

现浇混凝土多箱

整体浇筑混凝土

现浇混凝土T梁 整体浇筑混凝土

带剪力键的预制实心、空心或蜂窝混凝土箱

现浇混凝土覆盖层

带有剪力键，有或没有横向后张应力的预制实心、空心或蜂窝混凝土箱

带剪力键的预制混凝土通道段

整体混凝土

现浇混凝土覆盖层

带剪力键、有无横向后张应力

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