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5.2 桥梁的结构与制作
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本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 了解桥梁的基本组成（主梁、桥墩、桥台），理解结构与功能的关系 · 掌握梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥的结构特点和受力原理 · 理解荷载概念，能分析不同类型桥梁的受力方式 · 掌握结构设计的一般过程和需要考虑的因素 · 能进行桥梁模型的制作、测试与探究实验 · 理解桥梁建筑艺术中实用价值与审美价值的统一 · 桥梁分类：按结构和受力特点分为四类，逐一对比 · 受力分析：明确荷载来源→分析力的传递路径→确定承重结构 · 模型制作：确定标准→设计方案→制作→测试评价→实验探究 · 斜拉加强杆：正四边形不稳定，加入斜拉杆变牢固
教材精研·内容全解
考点01 桥梁的结构
1. 桥梁的基本组成
常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成。
（1）主梁：直接承受自身重力以及车辆等重力的部分，是桥梁的主要承重结构。
（2）桥墩：承受主梁向下的力并将力传到基座，是支撑主梁的中间支撑结构。
（3）桥台：指桥的两端起支撑作用的部分，将桥梁的力传递至两岸地基。
现代的桥梁多采用强度大的钢材来建造。按照结构和受力特点，桥梁可分为梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等。
桥梁的基本组成——主梁、桥墩、桥台
2. 梁式桥与桁架
梁式桥是指采用梁或桁架梁作为主要承重结构的桥梁。在结构简单的桥梁中，工程师直接把主梁的两端架在桥台上。
桁架：如图5.2-3所示，由许多杆件在其端点处相互连接起来，成为三角形的结构，这种构件称为“桁架”。桁架桥是指用桁架梁作主要承重结构的桥梁，它实际上是一种加固了的梁式桥。
桁架结构利用了三角形的稳定性，通过将多根杆件连接成三角形框架，大幅提高了梁式桥的承载能力。
梁式桥与桁架——三角形结构增强稳定性
3. 拱桥
拱桥是用拱圈或拱肋作为桥身主要承重结构的桥。
举世闻名的赵州桥，是我国古代石拱桥的杰出代表，建于595—605年，为单孔敞肩石拱桥，跨度约37 m。赵州桥在桥梁的两端各设置两个小拱（敞肩拱），减轻了桥自身所受的重力，提升了泄洪能力。
拱桥造型优美，是我国古代常见的桥梁类型。京杭大运河上始建于明朝的拱宸桥也属于拱桥。
赵州桥——我国古代石拱桥的杰出代表，单孔敞肩石拱桥
4. 悬索桥
悬索桥通过索塔悬挂缆索，并将缆索锚固于两岸（或桥两端），从缆索上垂下吊杆，吊住桥面主梁。
2016年建成通车的、主跨为900 m的湖北四渡河大桥，是目前在深山峡谷里修建的全球最长的悬索桥。
悬索桥适用于大跨度桥梁，其特点是缆索承受拉力，通过吊杆将桥面主梁的荷载传递至缆索，再由索塔传递至两岸锚碇结构。
湖北四渡河大桥——深山峡谷里全球最长的悬索桥
5. 斜拉桥
斜拉桥是将主梁用许多根拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁。斜拉桥由承受拉力的桥塔、拉索和主梁体组成。
例如，2016年建成通车的、主跨为720 m的北盘江第一桥，跨越云、贵两省交界的大峡谷，为全球最高的斜拉桥。
斜拉桥与悬索桥的区别：斜拉桥的拉索直接连接索塔和主梁，而悬索桥通过缆索上的吊杆间接吊住主梁。斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，且其抵抗风的能力比悬索桥强。
北盘江第一桥——全球最高的斜拉桥
考点02 桥梁的受力
1. 荷载的概念
我们把桥梁本身受到的重力以及它承载的车辆、行人等的重力统称为荷载。既然桥梁在荷载的作用下不会倒塌，那么就一定有一个向上的力来平衡。
不同类型的桥梁，其承重结构和力的传递方式不同，因此受力特点也各不相同。
桥梁的荷载——自身重力和承载物重力的统称
2. 梁式桥的受力
在荷载的作用下，桥的主梁受到向下的作用力发生形变而向下弯曲，主梁就产生向上的弹力，支撑着梁上的物体。
受力分析：荷载向下压主梁→主梁向下弯曲发生形变→主梁产生向上的弹力→弹力支撑梁上物体。梁式桥的承重主要依靠主梁自身的弹力，因此主梁的强度直接决定了桥梁的承载能力。
梁式桥的受力——主梁形变产生向上的弹力
3. 拱桥的受力
拱桥在竖直方向荷载作用下，对整座桥产生了一个指向桥台的挤压的力，把桥的拱部紧紧地挤压在一起。桥的拱部把受到荷载的重力传递至拱形结构的两端，因此，基座不仅受到竖直向下的压力，也受到水平方向的力。
从而，两侧基座会给拱形结构施加相互作用力，即竖直向上的支持力和水平方向的力。
受力特点：拱形结构能将向下的荷载转化为向两侧基座的挤压力和水平推力，拱形各部分相互挤压结合得更加紧密，因此拱桥能承受更大的压力。
拱桥的受力——拱部将荷载传递至两端基座
4. 悬索桥的受力
悬索桥用悬挂在两边索塔上的缆索作为主要承重结构，并在两岸修筑巨大的锚碇结构来固定缆索的两端。桥面主梁通过吊杆吊在缆索上，在竖直方向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受拉力，支撑着桥的主梁。
受力路径：桥面荷载→吊杆（受拉）→缆索（受拉）→索塔（受压）→两岸锚碇。
实践活动：利用一块木板、绳子、书建造一座悬索桥。把两张椅子背对背放置，在靠背上拉两根绳子，两端请同学用手拉住。在两根长绳之间系上三段绳子，然后放上一块木板。请同学紧紧拉住绳子的两端，然后往木板上加书，看看能堆多少本书。思考：为什么绳子的两端必须拉紧？——因为缆索需要承受拉力，拉紧后才能提供足够的向上的力来支撑桥面荷载。
悬索桥的受力——缆索承受拉力支撑主梁
5. 斜拉桥的受力
斜拉桥将多根缆索的一端固定在索塔上，另一端拉着桥的主梁。荷载通过缆索传至索塔，再通过索塔传至桥的基座。
与悬索桥相比，斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，且其抵抗风的能力比悬索桥强。
受力路径：桥面荷载→拉索（受拉）→索塔（受压）→基座。
思考讨论：斜拉桥的索塔一般建造得很高，索塔建得高有什么好处？索塔越高，拉索与主梁之间的夹角越大，拉索在竖直方向上的分力越大，能更好地支撑主梁。但索塔不是建得越高越好，因为索塔过高会增加建造成本和施工难度，同时索塔本身的稳定性也会受到影响。
斜拉桥的受力分析
考点03 桥梁的设计与制作
1. 结构设计考虑因素
人们设计和制作的结构是为了完成某种任务或满足特定的需要。桥梁的作用就是帮助人们跨越障碍物、使人们可以通过桥梁越过河流等，这就需要对桥梁的跨度、所能承受的荷载有一定要求。
在进行结构设计时，必须明确设计目标、需要解决的问题和解决问题需要考虑的主要因素，同时应考虑结构的安全性、强度、稳定性、适用性、成本等。
各因素含义：
（1）安全性：桥梁在使用过程中不发生破坏和倒塌。
（2）强度：桥梁承受荷载而不发生破坏的能力。
（3）稳定性：桥梁在外力作用下保持原有形状和位置的能力。
（4）适用性：桥梁满足使用功能要求的能力。
（5）成本：在满足功能要求的前提下尽量降低建造成本。
结构设计考虑因素——安全性、强度、稳定性、适用性、成本
2. 结构设计的一般过程
结构设计必须遵循设计的一般过程，一般需经历以下若干环节：
（1）明确内容：明确设计目标、需要解决的问题和需要考虑的主要因素。
（2）制订设计方案：依据要求和条件，设计整体结构，绘制设计图。
（3）制作模型或原型：按照设计图纸组装、制作模型。
（4）优化与完善：对模型进行测试评价，根据测试结果改进和优化设计。
结构设计的一般过程——明确内容→制订方案→制作模型→优化完善
3. 桥梁模型的制作与探究
目标：依据条件设计和制作高承重、有创意的桥梁模型，对桥梁模型进行测试，并开展相关实验探究。
制作过程：
（1）确定标准：依据选用材料对桥梁的长度、宽度等基本参数设定标准。
（2）设计方案：依据配件或自选器材，设计桥梁的整体结构，绘制出设计图。
（3）制作桥梁：
① 基本结构：直杆A为各接口间的连接杆；将2根直杆拼接后可作为非等腰直角三角形的斜边；将斜杆B作为等腰直角三角形的斜边；盖板作为桥梁中间的路面连接。
② 斜拉加强杆：正四边形是一个很不稳定的形状，在正四边形里加入斜拉加强杆后，结构就会变得异常牢固。
③ 按照设计图纸组装、制作桥梁模型。
（4）测试评价：依据标准对桥梁的长度、宽度、高度、自重、承重力等参数进行测量、评价。
（5）实验探究：探究桥梁模型的承重力与哪些因素有关，设计实验方案并进行实验，撰写实验报告。
桥梁模型组装示意图
考点04 建筑艺术
1. 桥梁的实用价值与审美价值
桥梁是人类文明的产物，它作为科学、技术和艺术凝结成的建筑构造，体现出实用价值和审美价值。因此，一座桥梁不仅体现在技术方面的巧妙和精湛，也体现着桥梁与自然、桥梁结构与受力平衡的美。
工程师们通过确定具有比例的简单几何形（如圆形、方形、三角形等）作为基准，用来控制建筑整体，特别是外形轮廓及各局部的设计构图，使其形成一定的由几何形状制约的结构，从而获得和谐美。
考点05 凸形桥与凹形桥的压力分析
1. 凸形桥与凹形桥的压力差异
桥梁有些是平板桥，有些是向上凸起的凸形桥，也有些是向下凹的凹形桥。汽车行驶时对凸形桥和凹形桥的压力是否一样？哪种桥容易被压坏？
实验探究：将汽车通行凸形桥和凹形桥的运动路径简化为曲线轨道。A点是凸形桥的最高点，B点是凹形桥的最低点。将压力传感器固定在A、B两点的下面，汽车通过时压力显示器显示出压力的大小。
实验结论：
（1）玩具小车在曲线轨道匀速前进时，速度大小不变但运动方向改变，运动状态是改变的。
（2）玩具小车对桥的压力和桥对玩具小车的支持力是一对相互作用力（不是平衡力，因为作用在不同物体上）。
（3）分析实验数据可知：玩具小车对桥面的压力与玩具小车的重力有关，与玩具小车的速度有关。
（4）一定质量的小车以相同的速度通过A点（凸形桥最高点）或B点（凹形桥最低点）时，对B点（凹形桥）的压力大于对A点（凸形桥）的压力，因此容易压坏桥的是B点（凹形桥）。
凸形桥与凹形桥——汽车通过不同形状桥面时的压力分析
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 桁架是三角形结构，不是四边形结构。桁架桥本质上是一种加固了的梁式桥，不是独立的桥梁类型。 2. 拱桥受力时，基座不仅受到竖直向下的压力，也受到水平方向的力。不能认为拱桥基座只受竖直方向的压力。 3. 悬索桥和斜拉桥的主要区别：悬索桥通过缆索上的吊杆间接吊住主梁，斜拉桥的拉索直接连接索塔和主梁。 4. 斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，抵抗风的能力比悬索桥强，不能认为斜拉桥比悬索桥差。 5. 正四边形是不稳定的形状，加入斜拉加强杆后才能变牢固。三角形本身是稳定的结构，不需要额外加固。 6. 汽车对凸形桥的压力小于对凹形桥的压力。凸形桥最高点压力小于汽车重力，凹形桥最低点压力大于汽车重力。 7. 玩具小车对桥的压力和桥对玩具小车的支持力是一对相互作用力（作用在不同物体上），不是平衡力（作用在同一物体上）。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 下面桥梁类型是梁式桥的是（ ）
答：__________
2. 对比如图中两种结构的桥，________的承重力更大（选填字母序号）。这种桥能承受更大压力的秘密是________。A. 用料多 B. 选择了特别的材料 C. 能分散压力，抵住外推力
答：__________ __________
3. 三名同学分别用一张16开的白纸和两个相距10cm的桥墩搭一座纸桥。能在纸桥上放棋子最多的是（ ）
A. 平板形纸桥
B. “W”形纸桥
C. U形纸桥
D. 圆筒形纸桥
答：__________
4. 关于桥梁的组成，下列说法正确的是（ ）
A. 主梁直接承受自身重力以及车辆等的重力
B. 桥墩指桥的两端起支撑作用的部分
C. 桥台承受主梁向下的力并将力传到基座
D. 桥梁只需要主梁和桥墩即可
答：__________
5. 关于斜拉桥和悬索桥的比较，下列说法正确的是（ ）
A. 斜拉桥的结构形变比悬索桥大
B. 斜拉桥抵抗风的能力比悬索桥弱
C. 斜拉桥的拉索直接连接索塔和主梁
D. 悬索桥通过拉索直接拉住主梁
答：__________
6. 在桥梁模型制作中，正四边形里加入斜拉加强杆后结构变得牢固，这是因为（ ）
A. 增加了材料的厚度
B. 将不稳定的四边形变为稳定的三角形结构
C. 改变了材料的性质
D. 增加了桥梁的重量
答：__________
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 请列举梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥各一座，写出桥梁的名称和结构特点。
答：________________________________________________
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2. 简述拱桥受力时，荷载是如何传递的？基座受到哪些方向的力？
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3. 斜拉桥的索塔一般建造得很高，有什么好处？索塔是不是建得越高越好？请说明理由。
答：________________________________________________
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参考答案
1. D
解析：梁式桥是指采用梁或桁架梁作为主要承重结构的桥梁，结构简单，适用于跨度小且交通量较小的场合。选项A是斜拉桥，B是拱桥，C是悬索桥，D是梁式桥。故选D。
2. B C
解析：对比两种结构的桥，A是梁式桥，B是拱桥，拱桥承重力更大。拱形承载重量时，能把压力向下和向外传递给相邻的部分，能分散压力，抵住外推力，拱形各部分相互挤压结合得更加紧密，因此拱桥能承受更大的压力。故选B、C。
3. B
解析：在这三种形状的桥面中，“W”形纸桥承受力最大。因为把形状变成“W”形，不但改变了材料的厚度，也改变了材料的结构，大大增加了材料的抗弯曲能力。故选B。
4. A
解析：主梁直接承受自身重力以及车辆等的重力，A正确；桥墩承受主梁向下的力并将力传到基座，B、C说法将桥墩和桥台的功能颠倒了；桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成，D错误。故选A。
5. C
解析：斜拉桥将多根缆索的一端固定在索塔上，另一端拉着桥的主梁，拉索直接连接索塔和主梁，C正确；斜拉桥在荷载作用下的结构形变小，抵抗风的能力比悬索桥强，A、B错误；悬索桥通过缆索上的吊杆间接吊住主梁，不是通过拉索直接拉住，D错误。故选C。
6. B
解析：正四边形是一个很不稳定的形状，在正四边形里加入斜拉加强杆后，将不稳定的四边形分解为稳定的三角形结构，结构就会变得异常牢固。这是因为三角形具有稳定性，而不是增加了材料厚度或改变了材料性质。故选B。
巩固拓展参考答案：
1. 参考答案（合理即可）：
梁式桥：港珠澳大桥（采用梁式结构跨越海面，主梁直接承受荷载）。
拱桥：赵州桥（用拱圈作为主要承重结构，单孔敞肩石拱桥，跨度约37 m）。
悬索桥：湖北四渡河大桥（通过索塔悬挂缆索，主跨900 m，深山峡谷里全球最长悬索桥）。
斜拉桥：北盘江第一桥（将主梁用拉索直接拉在桥塔上，主跨720 m，全球最高斜拉桥）。
2. 拱桥在竖直方向荷载作用下，对整座桥产生一个指向桥台的挤压的力，把桥的拱部紧紧地挤压在一起。桥的拱部把受到荷载的重力传递至拱形结构的两端。因此，基座不仅受到竖直向下的压力，也受到水平方向的力。两侧基座会给拱形结构施加相互作用力，即竖直向上的支持力和水平方向的力。
3. 索塔建得高的好处：索塔越高，拉索与主梁之间的夹角越大，拉索在竖直方向上的分力越大，能更好地支撑主梁，提高桥梁的承载能力。
但索塔不是建得越高越好，原因：索塔过高会增加建造成本和施工难度，同时索塔本身的稳定性也会受到影响，过高可能导致索塔在风荷载等外力作用下发生过大形变或失稳。因此，索塔高度需要综合考虑承载能力、成本、施工难度和稳定性等因素。

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