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桥梁中的力学问题
身边的力学
(上)
中国力学协会科普委员会, 2001.1 (同济大学:韦林)
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桥
当我们乘汽车或火车旅行时,经常会从桥上或桥下通过。桥使得
车辆能够快速而方便地穿越河流;峡谷、公路和铁路等障碍物,它是国家交
通运输系统的一个重要组成部分。跨河的桥使人们不用乘船过河,亦无需
绕道而行;跨越峡谷的桥使人们不用在陡峭的山坡上兴建公路;跨越公路和铁
路的桥使车辆和火车不必停下来,让其他车辆通过。

桥梁作为一个跨越结构,其组成的各结构部分功能明确,裸露在
外,直接映射在人们的眼中,主要包含承载和跨越结构的上部主
体拱或梁,支承和传力的墩台,水下土中的基础及附属构。在建
筑结构中,像桥梁这样多种多样的结构形式恐怕再无其他结构。
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位于斯里兰
卡康提的马
哈韦利河上
的简易吊
桥。
早在 公元前 10000 年人们
开始定居生活 ,这时很可能
是桥最早兴建的时期。

石板桥
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加尔德水道桥
罗马帝国时代遗留下一些引
水建筑物 水道桥,很多是高
大美丽的石拱桥。最有名的一
座是现法国境内的加尔德水道
桥。该桥建于公元前158-前167
年,迄今已二千多年。最上面
是一条长长水道,道路桥是
1947年才加建的。


赵州桥
610 年 中 国赵县赵州桥
是著名 的古代石拱桥 ,隋
代工匠李春所建造。跨径
37.02m,采用空腹式拱代替
实腹式拱既减轻了恒载,又
增加排洪面积,消除了实体
拱笨重呆滞的造型,融功能、
技术、经济、美观为一体。
该桥力线明快,构思巧妙,
富于活力。
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意大利著名水上城市威尼
斯拉尔特桥,建于公元1591
年,是一座单孔跨径为
28·70m的石拱桥。桥上设有
商店,其建筑风格与周围建
筑相一致。游人从商店或两
侧走过时,几乎感觉不到身
在桥上。远看去,桥隐藏于
周围建筑群之中,并与环境
融为一体,感觉不到其独有
的跨越功能。
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里约 - 尼泰罗伊大桥是世界上最长的单向横梁桥,
全 长:13.9公里,跨度300 米,中间高:63米,建成时
间:1974 年, 在巴西,里约 "尼泰罗伊大桥构成了里约
热内卢和尼泰罗伊之间的通道。
美国东海岸全 长:27公里
Nrfolk and Virginias
Eastem shore

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,
1779年 位于英国科尔布鲁克代尔的铁桥,是世界上
第一座铁桥。
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布鲁克林大桥 1883年美国
纽约的布鲁克林大桥投入
使用。它是第一座使用钢
质缆索的桥,每根钢索包
含有差不多2000公里长的钢
丝,它的中心跨距是484
米。

福斯铁路桥 1890年苏格兰的福斯铁路桥建成。它
是世界上最早的钢桥每一个跨距都是518米。铁路桥
由一条中平衡悬臂桥和两条悬跨组成。悬臂梁属于
桁架钢梁,是由厚钢管连接而成的。
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塔桥 位于伦敦的塔桥,于1894年建成。
它有两个能在中部街接的悬臂,中心跨
距是79米,每当船只通行时,它们能升
起来;当船只通过后,再降下去,这种桥
俗称开合桥 。
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位于美国西雅图市的低位旋
转桥,于1991年投入用。它
的两翼能够旋转,以便船只
顺利通行。
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海湾大桥
悉尼海湾大桥
结构:钢质拱桥,
桥拱长度:503米,
中间高度:52米,桥
面路宽:49米,建成
时间:1932年。

海湾大桥夜景
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金门大桥 1935年在美国旧金山市建
造了跨越宽阔的金门湾的金门大
桥。该桥主跨1280m,塔高228m,桥
宽25·2m,一根钢质缆索则重达7000
吨。被认为是当时的撼世奇迹,在
相当长的时间内居于世界桥梁之
首。

恒伯尔桥 英国1981年建
成的恒伯尔桥,钢索桥面吊
桥全长:2·22公里,中心跨
距跨径达1410m,创造当
时世界记录,该桥塔高
152m,梁高仅为3m,观之
似乎轻薄无物。由于桥下没
有远洋轮船通过,所以塔高
桥薄、高耸人云,极有气
势。
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南浦大桥

1991年建成,该桥全长
8346m,主桥跨径
171+423+171(m),为双
塔双索面钢与混凝土结合
梁斜拉桥,扇形拉索,主
塔高150M,H折线型塔
身,锚头置于其内。大桥
设有4部垂直电梯,供游
人上下桥游览观赏。塔索
的造型对称而优美。
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杨浦大桥也是叠合梁斜
拉桥,跨径602m,。1993
年10月通车,双塔双索
面,塔高208m,采用钻石
型塔形(又称倒Y型),以提
高抗风能力。拉索扇形布
置,塔的索锚固区用预应
力抵消其拉应力。钢主梁
采用箱形断面,减少钢板
厚度,便于制造与安装。

杨浦大桥在南浦大桥
的设计施工经验基础
上,对超大跨度斜拉
桥的设计施工,又进
行了深人的探讨和实
践,为世界斜拉桥的
建设做出了贡献。
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索道四射

桥塔远望
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诺曼底大桥
1995年 位于法
国的诺曼底大桥
投入使用,它是
世界上长的斜拉
桥,主跨距856
米。

丹麦在大带海峡修
建的大带东桥(又译大贝
尔特桥)也是一座超大跨
径的三跨悬索桥,主跨
为1624m,混凝土桥塔
高度254m,比金门大
桥桥塔还高26m,创塔
高世界记录。塔柱截面
呈锥形变化。这种塔柱
受力合理,稳定性好,
造型美观。该桥是连接
丹麦大城市阿彻波拉格
与首都哥本哈根的“贯
通工程”,于1997年建
成。跳转到第一页
明石海峡大桥是日本神户市
与淡路岛之间跨越明石峡的
一座特大跨径悬索桥。大桥
主桥全长3910m,主跨
190Om。大桥于1998年5月竣
工通车,是本世纪世界最大
跨径桥梁。 明石海峡大桥
主缆施工时,利用直升飞机
架设引导索。这在世界上还
是首次。建设期间的大桥,
在1995年1月17日遇到阪神大
地震。大桥经受住了考验,
变形极小,不影响继续建设
和将来的使用,从而保证了
大桥按期完成。
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失败的桥


1805年 位于英格兰的,用铸铁制作的塔河铁路桥,当一列火车
通过时,由于大风剧烈吹袭摇摆而倒塌,75人因此而死亡。
1940年 位干美国华盛顿州的他科马峡桥因大风剧烈的吹袭而倒
塌,它是当时世界上第三长的桥梁。
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我们已经看到了各种各样千姿百态的桥,但从形式上可
归纳为三种:横梁桥,拱桥和吊桥。



横梁桥 横梁桥是由一根或数根两端有支撑的横梁
组成。横梁可能是长木头、混凝土板或是其他建筑
材料。横梁桥可以简单得像一根浮在小溪上的横
木,也可以是一条复杂的长桥,需要用许多钢材、
混凝土采制作桥墩和横梁。
拱桥 拱桥的结构很简单,属于砖石建筑,即只
用石头、砖块或混凝土兴建,而不必用钢筋。拱桥
可能在5000多年前就存在了,所以它是历史上最
古老的两种桥之一,现在悬臂桥、吊桥很容易兴
建,成本也很低。因此,人们就几乎不建拱桥了。
吊桥 世界上跨距最长的桥都是吊桥。一般都建
在宽阔的河流或海上,路面板都是用长的缆索斜拉
着的。对吊桥来说,桥的跨距超过一千米是很平常
的。现在,在意大利和西西里岛之间,正在计划兴
建一座跨距超过3千米的
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横梁桥
横梁桥的跨距 桥墩与桥墩之间的距离,也
是一个支撑点与另一个支撑点最远的距离。
每一跨有几根混凝土梁与路面板组成,桥梁
由建造在坚固底基上的桥墩和桥台支撑。
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建造横梁桥的步骤


桥的热胀冷缩
几乎所有的建筑材料都会受
到温度 的影响。当温度升高时,
就会膨胀 (变 长);当温度降低
时,就会收缩(变短)。桥 也是如
此,而且会在车辆通过时,有轻
微 的弯曲。如果梁的末端被固定
后,这些膨 胀、收缩、弯曲就可
能会使它断裂。因此, 梁必须放
在一种叫作"承重板"的滑动底 垫
上,以便它能轻微地移动。路面
板之间 也有伸缩接 缝,目的在
于 防止路面板 在膨胀或收 缩时
横梁桥的负载
一座桥承受的压力叫做负载,动
负载是桥上交通工具的重量,静
负载是桥本身的重量,而风负载
则是风力。当有动负载时,桥会
向下弯曲,此时,桥的上表面被
压缩,下表面被拉紧。如果桥的
弯曲超过一定限度,桥就会断
裂。
缩接缝
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坚实的底基 桥的底基是很重
要的,因为它承受着桥和桥上
面通过的交通工具的重量。如
果没有底基,桥的支撑物就会
下沉,使桥断裂。对横梁桥来
说,桥墩和桥台支撑着横梁,
而底基则支撑着桥墩和桥台。
选择底基 底基的类型很多。
选择底基时,需要考虑每个桥
墩要承受的重量和建桥地点的
地质情况。建桥以前必须先进
行地质考察,这样才可以知道
什么地方有坚实的岩石、不同
岩层的分布,以及深度、软泥
等各方面的情况。
坚固的岩床 最坚固的
底基是兴建在岩床上
的。如果岩床位于地的
表层下,桥墩就直接建
在岩床上。如果岩床在
较深的地下,被厚层的
土壤覆盖着,就要把长
的钢或混凝土桩(又叫桥
桩)往下安放在岩床上,
再将桥墩兴建在桥桩
上。


混凝土筏 如果桥墩下的泥土深而
软,就需用特别的底基承受桥的重
压,以防地面下陷。一个常用的方
法是制造一块叫做“筏”的巨大混
凝土厚板,将桥墩建在其上。这
样,桥就好像“浮”在土壤上。
筏 : 一块大的混凝土板 "浮"在地
面上让桥墩建在上面,当桥桩不适
用时,常用筏来替代。
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利用沉箱建桥的步骤
防水围坝 暂时
兴建的防水
坝,用来保持
一个干涸的河
床以建底基。
1·沉箱尖锐的边深陷河床
中,以便吊机上的挖掘机
从河床挖掘淤泥。
在浅水区建横梁桥,可使用水中建桥墩
的方法。首先,为了挖掘和建底基,水
必须被排走。在低水位的地方,先围绕
底基修建一个防水围堰,再用水泵将水
抽出。深水区建桥 在深水区常使用沉
箱。
2·一旦沉箱抵达岩床,就
用重物将沉箱压牢,然后
在岩床上兴建底基。
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计算(横梁桥)
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混凝土桥梁
钢梁与桁架梁
现浇钢筋混凝土
钢筋混凝土
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一条3.5公里长的地下隧道承担着从丹麦海岸到4公里长的人工岛的交
通。从那里,有一座约8公里长的双层桥通向瑞典Malmo海岸。该桥上层是4
车道高速公路,下层是2车道铁路
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建造一个混凝土公路桥(1)
1·在开始建桥之前,地质学家必须调查
地下情况,他们使用钻机在地面钻孔来
进行测里岩层。
2·在岩床上建造不透水的围堰,当工程师建
造桥桩基础时它们可以把水隔开。
3。在工厂里预制了混凝土梁,然后运到
工地。
4·在深埋在岩床中的桥桩基础上面建造混
凝土桥墩。
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建造一个混凝土公路桥(2)
5。在两边的
河岸上建造
了用干支撑
混凝土预制
梁的巨大而
坚固的桥
台。
6·用工作在河
岸上的巨大
的起重机将
8·当桥面铺上后,就用起重机将驳船
边上的混凝
上的中心梁放入位置。
土预制梁放
入位置,慢
慢地,桥梁
成形了。
7·一旦边梁
放入位置,
就在它们上
面加上桥
9·桥面铺完了,安全护栏、路灯、信
面,它是就
地用混凝土 号和其他设施也安装上了,桥梁最终
可以使用了。
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制造的。
悬臂桥 悬臂桥是横梁桥的
一种特殊桥。它只有一端被
支撑,另一端悬在空中。一
座简单的悬臂桥有两条悬臂
梁从两端的桥墩上伸至中
间。悬臂桥不会从中坠落,
因为两端桥台紧紧地从下面
拉着它。像其他的桥梁一
样,悬臂梁也可用混凝土、
钢筋或两者混合来制作。
平衡悬臂梁 有时,悬
臂梁不必在桥的两侧向
下拉着,而由另一侧桥
墩的悬臂梁来平衡它,
这叫做平衡悬臂梁。通
过首尾相连地安放悬臂
梁,便能够兴建更长的
悬臂桥。当然,如果在
悬臂梁之间再放置悬
跨,兴建的桥将会更
长。
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完美平衡的悬臂桥
许多现代悬臂桥都是由预制混凝土或 钢筋
制作的悬臂建成的。桥的底基和桥墩 是最
先兴建的,然后,悬臂梁从桥墩上建起
来。 悬臂梁以相同的速度在两个方向同
时兴建,这样,桥墩将不会翻倒,因为悬
臂总是能互相平衡。最后,悬臂被一个叫
做楔的小部件连在一起
1。首先,兴建桥的底基、桥墩和桥台。
2。其次,悬臂从桥墩的两侧同时兴建。
3。用钢条将已建造的部分连在一起。
4·当悬臂梁的一侧延伸到桥台后,就开始在第
墩上兴建新的悬臂
5·最后楔被安放在中间,以完成整座桥
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的兴建。
平衡的悬臂桥
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悬跨 有时,按上述方式兴建的
悬臂桥长度不够,解决方法是在
两条悬臂梁之间加一条短梁。这
条短梁被称为悬跨,是因为它被
悬吊在两条悬臂梁之间而没有接
触到桥墩。
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计算(桁架,悬臂桥)
结束
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风作用下桥的振动

用计算机模拟
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桥梁模型


桥面
桥柱
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桥梁中的力学问题
身边的力学
(下 )
中国力学协会科普委员会, 2001。1 (同济大学:韦林)
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桥
当我们乘汽车或火车旅行时,经常会从桥上或桥下通过。桥使得
车辆能够快速而方便地穿越河流;峡谷、公路和铁路等障碍物,是国家交通
运输系统的一个重要组成部分。跨河的桥使人们不用乘船过河,亦无需绕
道而行;跨越峡谷的桥使人们不用在陡峭的山坡上兴建公路;跨越公路和铁路
的桥使车辆和火车不必停下来,让其他车辆通过。

桥梁作为一个跨越结构,其组成的各结构部分功能明确,裸露
在外,直接映射在人们的眼中,主要包含承载和跨越结构的上
部主体拱或梁,支承和传力的墩台,水下土中的基础及附属
构。在建筑结构中,像桥梁这样多种多样的结构形式恐怕再无
其他。

桥的基本形式可分成三种:横梁桥,拱桥,吊桥。
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拱桥

负载 拱桥的所有负载都先由桥上竖
直的支柱承受,然后沿桥拱的弧边传
递到桥台,最后传到地面。
拱桥的设计 在桥拱的拱上空间里,有用吊杆
和支柱连接的桥拱和路面板。路面板可铺设
在桥拱下,也可以铺设在桥拱上,或桥拱的
中间。兴建 混凝土桥拱一般都采用现场制作
的方式,从两侧往中间兴建。首先在桥拱两
侧的桥墩开始兴建,然后利用桥墩支撑制作
混凝土桥拱的模具,最后将混凝土倒人模
具,让它凝固。重复上述过程就能兴建桥
拱。
上承式,下承式,
中承式。
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混凝土拱桥兴建方案一
1·首先修建支撑桥梁的桥墩。
4·桥拱建成后,就将拱架移走。
2。其次在两个桥墩之间修建木制拱架。

5·最后,在桥拱上铺设路面。
3·在拱架上铺放一块一块的石头。
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混凝土拱桥兴建方案二

1·首先,兴建峡谷两边的桥台和它上
面的桥墩。
3·桥拱的中间部分在地面预制,然后用
滑轮将它吊起安放在预定位置。
2·其次,将模具悬挂在桥墩上,用现场制作
的方法兴建桥拱。
4·混凝土路面板、边梁和更多的桥墩兴建
后,便完成整座桥的兴建。
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计算(拱桥,吊车)
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吊桥 吊桥的结构 吊桥由四部分组成,它们是桥塔、缆索、路面板和吊
杆。吊桥路面板上的交通工具的重压由缆索承受,以致于缆索被紧紧地向
下拉。当桥塔上的缆索被下拉时,它同时也被桥的负载往外斜拉着。但是
桥塔并不会倒塌,因为桥塔还被固定在河岸上的缆索向陆地斜拉着。

吊桥的动负载和静负载
把缆索向下拉,而缆索
斜拉着桥塔。但因被安
置在对应位置的锚状物
紧紧地通过缆索拉着桥
塔,所以桥塔就不会倒
塌了
建桥用的缆索的一端被定在河岸上的
锚状物上。在岩石的地方,锚状物被
安置在坚固的岩石里,而没有岩石的
地方,就用巨大的混凝土板代替锚状
物。
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吊桥的缆索是由数千
根钢丝扎成一束,用
一个金属外壳围起来
而形成,一根缆索可
能有1米多粗。
钢质路面板 被两侧的吊杆
向上吊看,这种设计使它
更稳固;并且可以阻止 桥身
随风摆动。
跟缆索一样,吊杆也
是由丝组成,只是在吊
杆的顶部有一个大夹子
将钢丝紧 紧地夹在一
起。
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计算(吊桥)
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江阴大桥
缆索铺架
路面板从水路被拖船拉
到预定位置,然后吊起
安装到吊杆上。一般来
说,路面板铺放后,才
将它们连在一起。
许多吊桥都
有钢质桥
塔。桥塔常
是借助于起
重机,将构
件逐一安装
在预定位
置,然后再
连接在一起
缆索是由一根一根钢线扎在一起
而形成的。整个过程需要借助于
一个滑轮。首先将一根钢线放在
滑轮上,而滑轮则是安置在穿越
桥梁的金属丝上。当滑轮到达一
端时,其上的钢线就滑落;滑轮
再回去输送另一根钢线

路面板
铺放好
后,利用
铺路机把
沥青、碎
石的混台
物将其覆
盖。
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兴建吊桥的步骤
1·首先,兴建吊桥的底基、桥墩和锚状
物,这些为吊桥提供了一个巩固的基
础。
4·一段一段地铺设路面板,铺设工作可能从
桥塔开始,向两侧外移,也可以在桥头或桥
中向桥塔移动。
2·其次,在桥墩上兴建桥塔,它们是由钢
板或混凝土制作,用以支撑巨大的缆索。
3·安装两根粗缆索,它们穿过桥塔,并和
深埋在河岸上的锚状物相连。

5·路面板铺设后,就开始铺设供汽车、卡
车和其他交通工具通行的车道。
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斜拉桥是吊桥特殊情况 斜拉桥兴建方法与吊桥相似,但它的路面板并不是悬吊在穿过桥
塔的缆索上,而是被固定在桥塔上的缆索所拉紧。斜拉桥适合于兴建长度在200米-800米中
等长度的桥。路面和车辆的重量把缆索拉紧, 斜拉桥的负载通过下拉缆索,将重力传递
到桥塔上,桥塔再将重力传递到地面。

缆索通常是4-12厘米粗,由许
多钢线组成。它们被装进混凝土
桥塔的顶部中,以固定在预定位
置上。
路面板由互相连接在
一起的钢板或混凝土板
组成,这跟吊桥相似。
它通过一个很结实的连
接点和缆索相连。
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建造一个斜拉桥
2·在工厂里建造了巨大的钢筋混凝土预制
梁,然后运到现场,从空气动力学角度
说,它们可以阻止桥梁晃动。
1·在已经沉在岩床上的沉箱中建造基础,
在基础上建造桥墩。
3·桥面的第一部分在桥墩上建造,它们将
为桥塔提供一个基础。

4·在桥墩上一部分、一部分地建造桥
塔,它们把桥的重量扩散到地上。
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5·在塔的两
边把更多
的桥面部
分放入位
置,起重
机从河里
的驳船上
提升它
6·桥面的
每个部
分都连
到塔上
的一根
钢索
上。
7。这
样一片
片地把

桥面 加
到各个
塔上 直
到道路
8·桥面上要用专用的铺路机铺上沥青以
应付繁重交通
9·当桥梁结构完工后,就开始安装路灯
和其他设施。最后,机动车可以安全地
通过了。
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特殊的桥
日本因岛大桥建桥前与建桥后
的环境对比。从中可以看出桥
梁的修建打破了自然的平衡和
宁静,成为人们视觉瞩目中
的,使环境平添一种生气,桥
梁成为支配景观效果的主体。
一般平原地区,视野开阔,环
境呆板,建桥时都要用桥梁来
调节一下环境的韵味,多采用
强调法,突出桥梁重组环境的
作用。此时对一些大型桥梁可
采用中、下承式拱桥及斜拉
桥、悬素桥。
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美国普拉斯基高架桥建于1932年,位于美
国新泽西州的纽沃克市和泽西市,其中有
两段采用下承式悬臂钢桁桥,该桥就如一
条钢铁巨龙,与轻盈的老石桥形成了鲜明
对比。

老石桥
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瑞士的La Plate 桥
夜景(1990年建)

西班牙在塞维利市建设的单侧索
斜拉桥,是以1993年世界展览会
的会标造型设计而成。由于该桥
的奇特造型及特殊的标志意义而
给人们优美的印象.但是由于它违
背了斜拉桥结构受力的基本平衡
原理,与拉索的平衡作用全部依
靠塔后倾产生的偏心自重及塔下
巨大基础承受,再加上其他细节
结构处理,使整座桥造价极为昂
贵,原计划在岛上另一侧建一座
对称的孪生桥,后因经济原因而
没实现。
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

叹息桥-威尼斯最经典的桥梁
著名的叹息桥(Ponte dei
Sospiri),是一座连接总督府
与对岸牢房的美丽桥梁。据说
过去犯人在宫中审判定罪之
后,就会从总督府宫殿走出,
经过叹息桥后被送进牢房,仅
仅一桥之隔,却可谓天堂与地
狱之区隔。这些垂死的犯人,
在经过叹息桥这座唯美的大理
石桥时,由雕花的窗口往外看
到美丽的水都风光,都会忍不
住深深的叹息,叹息桥因而得
名。据说恋人如果在叹息桥下
接吻,情爱将恒久远,电影
《情定日落桥》就是最经典的
写照
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拱桥
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位于北京西南郊的永定河上,始建于金代大定二十九
年(1189年),成于明昌三年(1192年),初名广利桥,
距今已有800多年的历史。清康熙三十七年(1698年)重修
建。

卢沟桥
数不清的石狮子(498)
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管道桥
绳索桥
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梦断廊桥
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北京二环玉蜒桥
建于1988年,坐落
在二环蒲黄榆路
相交处,是机动
车与非机动车分
行的三层全互通
式靖蜒型立交。
整座立交形式新
颖美观,功能良
好,交通运输舒
畅有序。

玉蜒桥以六根高杆照明
突出桥梁在半空间的整
体形象,以梁底、墩柱
及栏杆照明来显示立交
流畅的线形,形成夜间
立交的风彩和气势,成
为北京城市综合建筑艺
术的一景。
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军用桥 军用桥通
常都是临时搭架而
成,供军队和运输
军备设施的交通工
具渡河而设。因为
军用桥属临时性,
它们必须是轻巧
的、可携带的,易
于搭架和拆卸的。
最常用的两类是在
第二次世界大战中
发明的活动便桥和
浮桥。
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日本神奈川县高岛人行桥
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彩虹桥
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上海卢浦大桥
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卢浦大桥第二方案
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洲际大桥
在现代,一位
来自旧金山市的
华裔美国工程
师,提出了兴建
新桥的两个大胆
构思。第一个是
兴建一座跨越直
布罗陀海峡,连
通欧洲和非洲的
大桥;第二个是兴
建一座跨越白令
海峡,连通阿拉
斯加和俄罗斯的
和平大桥。构思
似乎真的不可思
议,但是,谁又
能说不呢?

你可以驾车从中国到美国、欧洲、以及
非洲?!
结 束
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