问题

高架桥桥墩很大,但真正与桥面接触的部位却很小。这是为什么?

回答
高架桥的桥墩看起来很大,但实际与桥面(桥梁结构的主体,承载车辆和行人的部分)接触的部位却相对较小,这背后隐藏着一系列精妙的工程设计原理,旨在确保桥梁的安全、稳定、耐久,并兼顾经济性和美观性。下面我将详细解释其中的原因:

1. 力学传导与支承原理:

集中力与分散力: 桥梁承受的荷载(车辆、行人、风力、自重等)最终会传递到桥墩上。虽然桥面是一个整体,但桥墩的作用是将这些分散的荷载集中起来,并安全地传递到地基。
支座的作用: 在桥面和桥墩之间,通常会安装一种叫做支座(Bridge Bearing)的装置。支座是连接桥面和桥墩的关键部件,它并非将整个桥面直接“粘”在桥墩上。支座的主要功能是:
传递垂直荷载: 将桥面承受的垂直压力可靠地传递到桥墩上。
允许结构变形: 桥梁会受到温度变化(热胀冷缩)、车辆荷载变化、地震等因素的影响,导致桥面和桥墩之间产生相对位移和转动。支座能够允许这些变形,防止在桥面与桥墩连接处产生过大的应力集中,从而避免结构损坏。
约束部分自由度: 根据桥梁的设计,支座会限制桥面在特定方向上的移动或转动,以保证桥梁的整体稳定性。

为何接触面积不大? 如果将整个桥面与桥墩“严丝合缝”地连接,那么任何细微的变形都会在接触面产生巨大的剪切力和弯矩,对桥墩和桥面造成破坏。支座的设计就是利用巧妙的力学传递机制,在保证足够的承载能力的前提下,将桥面的集中应力或分散应力转化为支座内部的应力,并最终传递给桥墩。 接触面积的大小取决于支座的类型、设计荷载以及所允许的位移和转动量。

2. 材料特性与应力分布:

混凝土的抗压性能强,抗拉性能弱: 桥墩通常由高强度的混凝土制成,其主要优势在于优异的抗压性能。这意味着混凝土能够承受巨大的压缩力。而桥面(通常是混凝土或钢结构)在受力时,除了承受垂直压力,还会产生弯曲,导致顶部受压、底部受拉。
支座分散应力: 支座的设计能够将桥面传递过来的垂直压力,在局部区域内进行相对集中的传递。虽然这看起来是“小接触面积”,但支座内部的设计(例如使用橡胶、钢板层叠等)能够将集中的压力均匀地分散到桥墩的特定区域。 这种分散方式比整个桥面直接接触桥墩时,更能有效地利用桥墩的抗压能力,并避免在桥墩顶部产生过大的应力集中。
局部接触,整体稳定: 即使与桥面的接触面积很小,但桥墩本身的巨大体积和坚固结构,加上其深入地下的坚实地基,共同构成了稳定可靠的承载体系。桥墩的“大”是为了提供足够的强度和刚度来承受来自上部结构的巨大压力,并将这些压力安全地传递到地面。

3. 设计灵活性与施工便利性:

适应不同设计需求: 不同的桥梁设计(例如简支梁桥、连续梁桥、斜拉桥等)对桥面与桥墩之间的连接方式有不同的要求。支座提供了高度的灵活性,可以根据桥梁的跨度、荷载、交通量以及地震烈度等因素,选择和设计不同类型、不同尺寸的支座,以满足特定的工程需求。
便于安装和维护: 如果整个桥面与桥墩完全刚性连接,一旦出现问题,维修将非常困难。支座的存在使得桥梁的安装更加便捷,也为未来的维护和更换提供了可能。例如,当支座老化或损坏时,可以相对容易地进行更换,而无需对整个桥面进行大规模的拆卸。

4. 经济性考量:

降低材料和施工成本: 在保证安全可靠的前提下,优化设计能够节约材料和施工成本。如果将整个桥面与桥墩进行“满接触”的刚性连接,可能会需要额外的加固措施和更复杂的施工工艺,从而增加成本。支座作为一种相对精密的构件,其成本可以被控制在合理范围内。
减少结构整体重量: 过大的连接面积可能意味着需要更多的混凝土或钢材用于桥面和桥墩的连接区域,这会增加结构的自重,从而需要更强大的桥墩和地基。

总结来说,高架桥桥墩的“大”是为了提供足够的承载能力和稳定性,而与桥面接触的部位“小”,是因为通过精密的支座系统,将桥面的巨大荷载进行有效的传递和分散。

支座是关键: 支座是连接桥面与桥墩的“缓冲器”和“力学传导器”。它允许结构变形,避免应力集中,并可靠地将荷载传递到桥墩。
力学优化: 这种设计是在满足力学要求的前提下,对材料、结构和施工进行优化的结果,旨在实现安全、经济、耐久、易于维护的目标。

所以,我们看到的桥墩的宏伟体积,是它作为整个桥梁“腿部”和“支撑柱”所必需的,而桥面与之精巧的连接方式,则是工程智慧的体现,确保了这座宏伟建筑能够安全稳定地服务于我们。

网友意见

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如果不用橡胶支座,或者其它类型的支座,而是连成一个整体,比如我们上面这个两跨的公路桥。那么会有什么问题呢?或者说,为什么桥面和桥墩之间非得垫个支座呢?

想象一下我们图中的这辆小卡车行驶在桥面上,这辆卡车的重量会对桥梁造成什么影响呢?

当卡车在左边这跨的时候,桥梁会变成上面这样;一会儿行驶到右面那跨了,桥梁又变成下面这样了。

当然,我画的是非常非常夸张的示意图,只是为了方便大家理解。事实上,桥梁的确会发生这样的变形,只是幅度非常小,可能肉眼无法分辨,但桥面和桥墩的确会受弯变形。或者简单说,桥面在上下摆动,桥墩在左右摆动。

同样,我们知道材料会热胀冷缩。外界的温度变化会对这样的桥梁造成什么影响呢?

受热膨胀,桥面有向外变长的趋势,造成外面的桥墩向外弯曲;受冷收缩,桥面有向内变短的趋势,造成外面的桥墩向内弯曲。在一年四季、昼夜交替的温度变化下,桥墩也是在反复受弯摆动。

我们知道,桥墩轴向拉压是要好过受弯的。类似于,你很容易掰断筷子,但是很难拉断或者压断筷子。如果对这个问题感兴趣,可以参考这个回答:为什么对木棍,铁棒等,折断比拉断更容易?

因为压断很难、掰断相对容易,所以我们要尽量避免桥墩被「掰断」。我们上面的这座桥梁,在车辆重量、温度变化的作用下,桥墩一直在左右摆动,或者说,一直在被向左或者向右「掰弯」。而这种情况,正是我们想要尽量避免的。

那怎么避免呢?不如试试下面这种。

桥面和桥墩分开,中间用支座隔开。中间桥墩上的三角形支座,代表桥面可以在这里自由旋转,但是不能移动;两边桥墩上的圆形支座,代表桥面可以在这里自由旋转,外加可以左右移动。

为什么三个不都弄圆形的呢?因为如果三个都圆的,三个地方都能左右移动,那桥面不就向左或者向右滑下来了嘛。

这时候,卡车再上来,柱子还会跟着摆动吗?因为桥面可以在支座处自由旋转,所以不会再连带着桥墩一起变形了。简单说,不管卡车怎么开,桥墩都近似保持竖直,不再大幅度的左右摆动。

再看温度变化。同样,因为圆形支座处的桥面可以自由移动,所以只有桥面在水平变长或者变短,桥墩依旧保持竖直。这样的温度变化对桥墩几乎没有什么影响。

这位看官说了,真的假的啊?难道那么大的桥都是放在这样的圆形支座上的?

没错,而且在早期,是真正的字面意思上的「圆形」支座。

怎么样?没骗你吧?

这个也是真正的圆形支座。

那三角形的支座呢?

看这个,真正的这种支座是这样的,还是有点三角形的意思的。你可以把它理解成一个房门的合页,可以旋转,但是不能移动。

同一个桥墩支撑着左右两截桥面。左边这个是三角形支座,右边这个是圆形支座。看图就能看得出来,非常的明显。

随着技术的发展,新材料的出现,铸钢、橡胶相继被用在桥梁支座领域,代替了我们上面照片里的这些古董支座,但所起的作用是类似的。


橡胶支座是一层层的橡胶和钢板叠加而成,有各种不同类型的支座,可以满足不同的位移条件。同时,橡胶支座把桥面和桥墩分割开来,不仅仅让桥面的变形尽量少影响桥墩,还让地面传来的地震波尽量少影响桥面,起到了一定的隔震作用。再加上工业化、标准化的橡胶支座相对经济合理,所以橡胶支座在桥梁领域的应用越来越广泛。

那位看官又说了,既然受弯这么不好,需要尽量避免,那用了支座之后,桥墩不怎么受弯了,桥面还在受弯啊?怎么办?

要解决这个问题,请您移步这个回答:为什么悬索桥的跨越能力如此强?

很多时候,可能我们能够直观的感受到竖向力的传递,比如粗大的桥墩在把桥梁的重量传递到大地。但这只是结构体系的一个方面。另外的方面,比如抗弯能力,或者说抗侧向力体系,可能同样重要,甚至更重要。

比如这是1900年巴黎世博会的机械馆,很明显,这是一个钢铁结构的展馆,代表着当时的高新科技。注意到它的尺度非常大,可以参照照片中远处的人的身高。与以往粗大的砖石柱子不同,这个钢铁柱子越靠近地面反而越小,您说这是为什么呢?

也许您觉得,汽车的重量,连带着那么重的桥面本身,包括沥青什么的,最终都落到小小的橡胶支座上,听着有点不靠谱。可是呢,这是有合理的原因和理由的。

最后呢,我用课上教授讲给我们听的一个更不靠谱的小段子来结束我的回答。

这段子说他在做碳纤维桥面板的研究,正好有高速路的桥面板坏了,州交通局跟他合作,准备搞一个试点项目,换碳纤维桥板上去。某种意义上,你可以说碳纤维也是一种塑料。到施工这天,警察把交通引导到对面车道,这边吊车上来,把预制的碳纤维板换上,不到半小时就弄好了。然后警察恢复交通,州政府官员和媒体记者在这里等着。

不一会儿,一哥们儿开着大皮卡上来了。到跟前,警察让他停车,然后州政府官员上去跟他握手,说「恭喜您,您是第一位开车行驶在「塑料」桥板上的美国人!」然后记者拍照。这哥们儿吓傻了,一脸茫然,头伸出车窗一阵看,「What?Are you kidding?!」

政府官员递上一杯香槟,「哥们儿咱合个影吧!」这哥们儿看了看旁边的警察,说「你们干嘛的?要坑我酒驾么?」旁边人说,「我们都准备好了,放心,这都是无酒精香槟。」

这哥们儿突然做恍然大悟状,然后说,「我明白了,你们是不是在拍网络整人搞笑视频?!」

图片来源:

ceephotos.karcor.com/ta

Roller bearing

Gillespie Dam Bridge

Forth Road Bridge

arthistory.upenn.edu/sp

Bridge Rubber Bearing


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我觉得上面大多数同行没弄懂题主的疑问——他问的不是为什么要做铰接支座,不仅仅是为什么这么小的东西可以受力,而是明明为了承重修那么粗的桥墩,为什么到支座附近要收缩成那么窄的受力面?是桥墩的强度过剩?还是支座更便宜?如果支座更便宜,为什么不用支座垒一个桥墩?

如果我对问题理解没错的话,下面谈谈我的理解。(其实是学路的,桥梁只是辅修,说错莫怪)

首先,就算不需要把桥面和桥墩牢固地浇筑在一起,理论上说我们也可以直接把桥面放在桥墩上,很多小桥的确也是这么干的,如下图。

但是,这只是理想状态,实际上桥面和桥墩都兼有刚体和弹性体的特点。

所谓刚体,就是说钢筋混凝土在局部比较“脆”,可以用锤子敲碎的那种脆,宁折不弯。而桥梁制作又没有精确到分毫不差的程度(很多是现场浇筑的,尤其是桥墩)。绝无可能整个接触面严密贴合,一般情况下,一平方米的接触面能有0.1平方米能稳定传导压力就不错了。换句话说,在没有使用支座的情况下,接触面也不是整个平面。

其次,桥梁构件整体上有弹性,就是会变形,尤其是有重车从桥上开过的时候,桥板上下弯曲一两厘米很正常(不要以为是质量问题)。这个变形如果直接冲击到桥墩上,无论是作用于原有的局部接触面,还是制造新的局部接触面,都有很大的破碎可能。即活动荷载也会导致局部压力过大。(想想桥面像跷跷板一样压桥墩)

压力集中于小部分,显然对桥梁构件不利。接触部分的压强太大,可能会被压碎,暴露出下面的钢筋进一步锈蚀。所以,除非是自重和荷载都不大的小桥,否则仅仅考虑到避免局部受压,也必须安放支座——支座虽然也是局部受压,但支座本身有弹性,可以分散受力,可以缓冲冲击力,保证这个“局部”不会太小,不至于压碎接触面。

而且支座本身也有牢固的钢铁外壳,和桥墩的钢筋网相连接,把自己的局部均匀地传导到桥墩主体受力结构,压力轴线基本对齐桥墩的主轴线,不会压到一边(没有支座就很容易大偏心),当然是有支座的情况下桥梁磨损更小。下面是桥梁支座的截面图,可以看到支座中间部分是弹性的,周围有非常结实的钢铁外壳,还有粗大的螺栓—底座和桥墩钢筋相连。

实景照片:

和钢筋网相连(未浇筑状态)

当然,很多桥梁支座没有这么精细,小桥干脆不放,稍大一点可以放一块湿木头,再大可能是两块弧形钢板,最后才是上面那种复杂支座。总之,比钢筋混凝土更结实、更能承受变形的东西都可以拿来当支座,类似于搬家的时候在家具上绑扎一些破垫子——不会减少对家具的压力,但可以让受力更合理一些。

但这依然没有解决题主的核心疑问——为什么支座可以那么小,桥墩可以那么粗?是桥墩粗到过剩,还是支座小到有危险?为什么不直接用支座垒起来,做更细的桥墩?

这里我可以直接了当地回答。如果只考虑承受压力的问题,桥墩的确是粗的过分,的确有巨大的“浪费”。但桥墩不仅仅承受轴向压力,还要考虑失稳问题。

所谓失稳,就是说细长的物体受轴向压力时,最大的问题不是截面被压坏,而是轴向压力稍微偏离轴线,从受压变成受(掰)弯。

上面这张图说明,对于细长柱体来说,受压的时候,最大问题是出现微小弯曲,然后压力作用于弯曲部分,实际上形成了“掰弯”的效果,进一步放大弯曲。更大的弯曲导致更多的压力转为“掰”力,循环往复,弯曲最终扩大到不可控,柱体就断掉了。所以,细杆的受压能力和截面不成正比,截面收缩到十分之一,受压能力往往要收缩到原来的百分之一。

很不幸,大多数桥墩就是这样的细长柱体,所以截面尺寸要比简单承受压力的需求大很多,从这个角度说,桥墩的截面尺寸就是“过剩”的!

而支座本身可以视为一个非常“短粗”的圆柱体(看上面的照片),根本不存在失稳问题,完全可以按照100%的承压能力计算截面尺寸。当然可以做的比桥墩细,不影响它传导桥墩的全部压力。

当然,如果把许多个支座焊接起来,形成一个长柱体替代桥墩。虽然从受压力角度说,这个柱体肯定能承受桥面的轴向压力(否则单个支座也被压垮了),但从稳定性角度说,这个更细长的柱体肯定会在随机的“掰弯”中断掉。所以我们只能在桥墩顶部用一小段支座,整体上的桥墩必须比支座粗很多。这不是浪费。

进一步说,单位体积和单位长度的桥墩也比支座便宜啊。混凝土是很廉价的东西,钢筋虽然稍贵,但在钢筋混凝土中占比不高。对于桥来说,钢筋混凝土的材料费用不算大支出,一立方米的价格再贵,也就是以千元计算。但支座可是精密制作的贵东西,一个支座占0.1立方米不到,价格成千上万都可能。所以不要看支座细,桥墩粗,用大支座替换更多的桥墩并不省钱。桥墩做那么粗,不是浪费,反而省钱。

还有,支座是可以替换的,随便搜一下就能看到许多公司愿意包揽换支座的工作(巨型气囊式千斤顶架空支座,换掉后撤下千斤顶)。前面说支座贵,是相对于同样大小的钢筋混凝土构件而言。但相对整个桥成千上万吨的构件,支座是很便宜的小部件。所以,在桥面—桥墩接触面这个容易破坏的地方,用可替换的支座是一个很经济的事情,总比换整根梁要便宜,要方便。所以你不必担心支座那么小,压坏了怎么办。压坏了换掉就行。

最后,作为土木工程学渣,我还是重复一下我此前的建议:

在同济送自己一所大学——2016年5月演讲

我在98级土木工程几百人中间,专业水平恐怕是倒数第一,但是我在知乎不仅是同济大学这个话题的最佳回答者,还是土木工程话题的最佳回答者之一。我认为这种现象是不正常的,科普和科研一样,都需要最优秀的人来做。各位同学的专业课比我学的好得多,最好能早点培养出科普能力,到知乎把我这个准外行顶下去。

昨天关于宗教问题的回答挪到这里了:

让你信上帝未必肯,让你发财干不干?

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因为梁和墩接触的地方是受压。混凝土受压强度非常高,很小的面积就够了。

但是桥墩是受弯的,大部分材料受弯的时候都更容易破坏,所以需要粗很多。

举个栗子,一根牙签,让你捏扁他,几乎是不可能的。因为他在受压,就好像桥梁的梁与桥墩接触的地方一样。

但是你一掰,他就断了。因为这时候他的受力跟桥墩的墩身一个模式。

所以桥墩就要做的粗一点来抵抗这个掰他的力。

我是做桥梁设计的,尽量用简单的语言来表述,可能不是很严谨,希望能有帮助。

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