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5.2 桥梁的结构与制作
连通香港、珠海、澳门的港珠澳大桥，是至今为止世界上最长的跨海大桥，极大地缩短了三地之间的距离。
那么，桥梁有什么特征？为什么桥梁不仅能够支撑起自身的重，而且还能够承载来来往往的车辆？
一、桥梁的结构
常见的桥梁一般由主梁、桥墩、桥台等组成。
主梁：
桥墩：
桥台：
1、桥梁的组成：
图5.2-1 桥梁结构
现代的桥梁多采用强度大的钢材来建造。
直接承受自身重量以及车辆等的重量。
承受主梁向下的力并将力传到基座。
指桥的两端起支撑作用的部分。
如图5.2-1所示：
（1）梁式桥：
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。
2、桥梁的分类：
图5.2-2 梁式桥
图5.2-3 桁架
①桁架：
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。
②桁架桥：
由许多杆件在其端点处相互连接起来，成为三角形的结构，这种架构称为“桁架”。
指用桁架梁作为主要承重结构的桥梁。它实际上是一种加固了的梁式桥。
是用拱圈或拱肋作为桥身主要承重结构的桥。
5.2-5 杭州拱宸桥
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37m。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。
（2）拱桥：
图5.2-4 河北赵州桥图
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。
主跨达900m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。
（3）悬索桥：
5.2-6 湖北四渡河大桥
例如，2016年建成通车的、主跨达720m的北盘江大桥，跨越云、贵两省交界的大峡谷，为全球最高的斜拉桥。
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、拉索和主梁组成。
（4）斜拉桥：
5.2-7 云南、贵州交界处的北盘江第一桥
视频：斜拉桥的特点
你走过或看过哪些桥梁？请列举梁式桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等各一座，写出桥梁的名称和结构特点。
桥梁种类 名称 结构特点
梁式桥 福建泉州洛阳桥 采用“筏形基础”工艺，沿桥轴线向水下抛筑巨石形成稳固基底，桥墩尖形设计可分流海潮冲击力，是现存最早的跨海梁式石桥。
拱桥 河北赵县赵州桥 世界现存最早的单孔坦弧敞肩石拱桥，主拱之上增设4个小型敞肩拱，既减轻桥身自重，又可在汛期分流洪水；采用纵向并列砌筑法，28道独立拱券组合成桥，单道拱券损坏可单独修缮，无需全桥重建 。
悬索桥 贵州花江峡谷大桥 主跨1420米，桥面距水面高度625米，是全球山区峡谷“高度+跨径”双料第一的悬索桥。
斜拉桥 上海南浦大桥 中国首座大跨径叠合梁斜拉桥，主跨423米，扇形布置的斜拉索大幅减小主梁内部弯矩，降低梁体自重与建筑高度，兼具结构刚性与跨越能力，平衡了大跨度需求与工程经济性，是黄浦江两岸连通的标志性工程 。
2、桥梁在荷载的作用下不会倒塌，就一定有一个向上的力来平衡。
1、荷载：
二、桥梁的受力
我们把桥梁本身的重量以及它承载的车辆、行人等的重量统称为荷载。
3、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。
如图5.2-8所示。
5.2-8 梁式桥的受力图
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。
桥的拱部把受到的荷载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。
4、拱桥的受力：
5.2-9 拱桥的受力图
1. 利用一块木板、绳子、书建造一座悬索桥。
2. 把两张椅子背对背地放置，在椅子的靠背上拉两根绳子，两端让同学用手拉住。
3. 接着在两根长绳之间系上三段绳子，然后在上面放上一块木板。
4. 请同学紧紧拉住绳子的两端，然后往木板上加书，看看究竟能够堆多少本书。
5. 想一想：为什么绳子的两端必须拉紧？
绳子张力是悬索桥能够承受荷载的关键。绳子的两端必须拉紧，绳子张力不足会导致桥面下垂，无法承受重物，甚至可能导致结构失效。
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。
5、悬索桥的受力：
5.2-10 悬索桥的受力图
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。
6、斜拉桥的受力：
5.2-11 斜拉桥的受力图
斜拉桥的索塔一般建造得很高，索塔建得高有什么好处？索塔是不是建得越高越好？
1、索塔建得高的好处：
⑴力的分散:缆索角度变大,能更好地分散主梁受力。
⑵力臂变长:根据杠杆原理，力臂长,缆索拉力小,省拉力。
2、并非越高越好：
⑴成本高:建设材料、施工难度和费用增加。
⑵不稳定:遇大风、地震等,结构易摇晃、损坏。
建筑艺术
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结构，它具有实用价值和审美价值。因此，一座桥梁不仅体现了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。工程师们以确定具有比例的简单几何形状（如圆形、方形、三角形等）作为基准，来控制建筑整体，特别是外形轮廓及各局部的设计构图，使其形成一定的有几何形状的结构，从而获得和谐美。
3、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，同时还要考虑结构的安全性、强度、稳定性、适用性、成本等。
1、设计和制作结构的目的：
2、桥梁的作用就是帮助人们跨越河流峡谷等自然屏障，这就需要对桥梁的跨度、所能承受的荷载有一定要求。
三、桥梁的设计与制作
5.2-12 结构设计考虑因素
为了完成某种任务或满足特定的需要。
结构设计必须遵循设计的一般过程，一般需经历如图5.2-13所示的若干环节。
5.2-13 结构设计的一般过程
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。
器材
5.2-14 相关材料
过程
1. 确定标准。
依据选用的材料对桥梁的长度、宽度等基本参数设定标准，并填写到表5.2-1中。
表5.2-1 桥梁模型的建造标准
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）学习技术。
①基本结构。直杆A为各接口间的连接杆，如图5.2-15甲。将2根直杆拼接后可作为非等腰直角三角形的斜边，如图5.2-15乙。将斜杆B作为等腰直角三角形的斜边，如图5.2-15丙。盖板作为桥梁中间的路面连接，如图5.2-15丁。
5.2-15 桥梁的基本结构
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，如图5.2-16。
图5.2-16 斜拉加强杆图示
（2）按照设计图纸组装、制作桥梁模型，如图5.2-17所示。
图5.2-17 桥梁模型图
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，设计记录表格，将结果记录于表中。
问题讨论
桥梁模型的承重力与哪些因素有关？请设计实验方案并进行实验，撰写实验报告。
1.以下桥梁是我国著名的梁式石桥的是 ( )
A.苏州宝带桥
B.泉州洛阳桥
C.北京卢沟桥
B
D.程阳永济桥
3. 关于悬索桥，下列说法错误的是( )
A．相比其它桥型,可以用较少材料跨越更长距离
B．通常悬索桥可以建造得比较高,方便船只在下面通过
C．可采用转体施工法施工
D．悬索桥坚固性不强,在大风情况下需暂停运营
C
2. 下列说法属于梁式桥特点的是( )
在竖向荷载作用下无水平反力
B. 承重结构以受压为主
C. 施工比较困难
D. 在车辆动荷载作用下有较大的变形
A
（1）对比图中两种结构的桥， 的承重力更大。
（2）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
4.如图A、B是两种结构的桥，完成下列问题。
A B
B
C
再见

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