1  桥梁工程概论与总体设计

1.1.1 桥梁的工程概念

桥梁是跨越河流、山谷、道路等障碍，承托交通或专用线路的工程结构。桥上通行与桥下所需空间要统筹安排。公路桥承托车辆通行的道路，铁路桥承托轨道，人行桥承托步行通道；水道桥等专用桥还可以承托其他用途的线路。

截至2025年末，全国公路桥梁共114.41万座。这个数只统计公路桥梁；它也意味着桥梁工程既要解决新桥怎样建，还要持续回答既有桥怎样检查、维修和安全使用。¹

认识桥梁，先确定三件事：桥上通过的对象、桥下要保留的空间、两端接入的道路或场地。同样跨过一条河，可以在河中设若干桥墩，也可以用较大的桥孔跨过主要航道。

一孔可以跨多远。世界上已建成的一孔跨越可超过2 km：1915恰纳卡莱大桥主跨2023 m，约相当于20段100 m直道首尾相接；含引桥总长4608 m。运营方技术资料。

1.1.2 桥梁组成

桥梁通常由上部结构、支座、下部结构和附属设施组成。下图为三跨简支梁桥。

上部结构又称桥跨结构，跨越桥孔，承受桥面交通荷载及自身重量。本例的主梁、桥面板和横向联系构件属于上部结构。

支座位于上部结构与墩台之间，传递作用，并按设计要求约束或允许相应方向的位移、转动。支座的方向、刚度与构造见第8章“支座功能与支承体系”。

下部结构包括桥墩、桥台和基础。墩台承托上部结构，基础把作用传给地基；地基是承托基础的岩土体。

附属设施包括桥面铺装、防排水设施、伸缩装置、护栏和照明等，为行车、排水及桥梁使用提供条件。桥面铺装位于桥面板之上，两者的功能和构造不同。

本例每跨梁的两端均设支座，中墩上的相邻梁端由两排支座分别承托。连续梁在中间支点处保持梁体连续；刚构的梁与墩连接成整体。

1.2.1 用真实桥梁建立尺度感

先选一座梁桥、一座拱桥和一座索支承桥，把桥位、主跨与100 m参照长度放在一起比较。这里先读清尺度与跨越对象；学完四类受力体系后，再到跨径与比例图谱比较塔高、拱矢高和主缆垂度的比例。

1.3.1 设计洪水频率与设计水位

河流水位随降雨、上游来水和河道条件变化。桥梁设计先按公路等级、桥梁规模等选定设计洪水频率，求得相应的设计流量，再结合河道断面和水流条件确定设计洪水位，即相应设计洪水的水面高程。它用于确定桥孔、梁底高程等，并与流量、流速等资料共同用于冲刷计算。³

100年一遇洪水对应的年超越概率约为1%。也就是在给定统计条件下，每年达到或超过这一洪水量级的概率约为1%；相邻年份仍可能接连发生。依据JTG D60—2015表3.2.9，高速公路、一级公路上的大桥和中桥采用1/100的设计洪水频率，特大桥采用1/300；其他公路等级和桥梁规模按该表选取。⁴

当前水位记录某一时刻的水面位置，历史最高洪水位来自已有观测或调查，设计洪水位对应选定的设计洪水条件。图中水位采用教学值，实际桥位应依据水文计算确定。

1.3.2 从一年概率到使用年限

“十年一遇”与“百年一遇”可以用同一概率模型理解：若每年取一个最大洪峰流量，超过某阈值的概率分别为10%和1%，对应重现期为10年和100年。重现期描述长期统计水平，不是相邻两次洪水之间固定的等待时间。

若各年独立且概率不变，$n$年内至少超越一次的概率为 $P_n=1-(1-p)^n$。对于百年一遇洪峰，10年内至少超越一次约为9.6%，50年内约为39.5%；对于十年一遇洪峰，10年内至少超越一次约为65.1%。一次洪水已经发生，并不会在这个模型中让下一年的超越概率自动降低。

洪峰流量来自水文频率分析；相应设计水位还需结合河道断面、糙率、下游水位及回水等条件进行计算。百年一遇雨量、百年一遇洪峰和百年一遇水位不能只凭同一个名称相互替代。发生作用超越也不等于结构已经破坏，桥孔、冲刷防护和结构抗力仍共同影响后果。

进一步比较样本、极值分布、估计误差以及风和地震的统计口径，见重现期与极值统计。

1.3.3 桥孔过水与桥墩绕流

桥墩占据一部分过水断面，水流在墩前分开，绕过两侧后汇合。桥墩加宽或漂浮物在墩前积聚，会进一步压缩过水通道。水流方向和流速分布随之改变，可能引起桥前壅水、河床冲刷及下游局部淤积。

竖直墩侧间的净跨径保持不变时，水位升降仍会改变水下过水断面。过水能力还取决于流速、河床形态和上下游条件，需要结合水文资料计算。⁵

1.3.4 一般冲刷与局部冲刷

一般冲刷表现为桥孔压缩水流后，桥下较大范围河床的降低；局部冲刷集中在桥墩、桥台附近，绕流和旋涡将床沙带走，形成冲刷坑。河床长期演变、漂浮物堵塞和洪水过程也会影响冲刷。观察图中的坑底与基础位置，可以判断哪些部位的覆土已经减少；冲刷深度须另据水文、河床材料和基础条件计算。

1.4.1 大跨度桥梁的主通航孔与引桥

主跨描述结构跨越的尺度，主通航孔指主要船流通过的桥孔。最大的一孔常承担主通航任务，但主通航孔需结合航路确定，也可以另设辅助通航孔。结构主跨两支点间的距离，不等于规定通航带的净宽。

在课堂中切换斜拉桥或悬索桥，比较600 m主跨与300 m教学通航带。净空要求应按水系、航道等级、代表船型、单向或双向通航等条件确定，不能用“所有大桥都留某个高度”代替。六边形轮廓的尺寸对照展示的是对应条件下的标准例值，不是本章所有桥位的统一限值。

岸上接线高程与坡度不变时，桥面抬得越高，接线就需要越长。两岸地面通常不会随主桥桥面一起抬高。为了给大型船舶留出高净空，主桥桥面往往高于岸上道路，需要引桥和引道逐渐升高接入。选择“抬桥与引桥”，观察同一岸上接线点标高、主桥高度与坡道长度之间的关系。引桥可跨过岸滩或道路；引道则在地面、路堤或路堑上衔接线路，两者应结合地形安排。

1.4.2 碰撞部位与防撞措施

净高不足可能使货物或船桅碰到上方构件；航迹偏离则可能使船撞到桥墩。两种接触位置不同，单纯提高桥面不能解决偏航撞墩。事故机理和防撞作用见后续章节。⁹

超高货物触碰上部结构

货物撞击桥面上方的桁架构件，导致一跨坍塌。检查时应采用车辆与货物的完整外廓。

Martha T / 原图，CC BY 2.0。

失控船舶撞击桥墩

Dali轮撞击17号桥墩，支承失效后多跨上部结构坍塌。该桥为连续钢桁架桥。

David Adams / 美国陆军工程兵团，公有领域原图。

在通航模型中开启防护，可以看见群桩、承台和缓冲护面。先辨认船会接触哪里，再比较有无防护时的第一接触位置。实际设施的形式、位置和尺度，需要按船型、航速、水位及桥梁条件确定。

预防先核对外廓、水位与航路；防护让专门设施参与拦挡和耗能；结构抗撞还要检查墩身、连接与基础；运营应急把报警落实到拦船、封桥、撤离和撞后检查。任何一项都不能单独代替其他工作。

防护形式参考 JTG/T 3360-02—2020 · 第7.2.4条及条文说明；图为构造教学模型，不代表设施已完成抗撞设计。

1.5.1 公路桥按跨径规模分类

这里的多孔跨径总长 $L$ 与单孔标准跨径 $L_k$ 均以m计。两项落入不同类别时取较高类别；桥梁全长不能直接替代多孔跨径总长。¹⁰

例如，多孔跨径总长80 m、最大一孔标准跨径50 m，按大桥归类。上面的三跨20 m示例按中桥归类。梁、板桥的多孔跨径总长为各孔标准跨径之和；拱桥按两端桥台内起拱线间的距离；其他形式按桥面系车道长度。管涵、箱涵的分类另按规范规定，不将本表套用于铁路桥。

1.6.1 梁桥

梁在相邻支点之间承托桥面，以受弯为主要特征。观察上图变形前后的轮廓：桥面向下弯，梁截面一侧趋于压短，另一侧趋于拉长。增加中间支点会缩短每段无支承的长度；水中设墩也会增加基础施工、阻水和维护任务。

简支梁在各跨端部单独支承；连续梁越过中间支点保持连续；刚构的梁与墩连接成整体。梁端、梁墩的连接方式决定了相应的计算图式。

从上至下：①简支梁，中墩处梁端分开；②连续梁，梁体越过中墩连续；③连续刚构，梁与中墩连接成整体。橙色表示支座。构造详图、支座布置与计算方法见第4章。

梁桥在中小跨工程中很常见，施工工艺和构件生产容易形成重复。跨得更远时，主梁可能需要加高、改变材料或采用连续体系；不能把几十米的预制梁直接拉长成几百米。

1.6.2 拱桥

拱沿弯曲构件把压力传到两端，以受压为主要特征。受压时拱脚有向外推的趋势，需要地基、墩台或系杆提供约束。石材耐压、抗拉能力较弱，拱形能较好发挥石材的抗压能力，这也是石拱桥在早期桥梁中广泛采用的原因。实际拱肋仍会受弯，不能理解为任何荷载下都只有压力。

桥面在拱上方，可以用立柱把重量交给拱；桥面在拱下方，可以用吊杆悬挂。下承式系杆拱还把两拱脚用系杆拉住，使相应水平推力在上部结构内部闭合。模型中的拱桥采用这一形式。判断拱桥能否落在某处，要先问清楚推力由地基承担，还是由系杆闭合，不能只看拱的外形。

1.6.3 斜拉桥

斜拉索直接连接桥塔与主梁，为主梁提供一系列向上的支撑。索主要受拉，塔主要受压，梁仍要跨过索锚点之间的距离并承担弯曲等作用。图中采用左右对称的双塔三跨：两塔之间是主跨，塔外两侧各有边跨；每座塔两侧的斜拉索都锚在主梁上。两塔并不位于整座桥的两端，不能只画中央主跨而省去边跨。

桥塔的位置、高度、索的角度以及边跨布置要一起考虑。主跨加大、桥塔却不升高，远端拉索就会更平；同样向上托住桥面，索需要承担的拉力会改变。索力计算见第6章。

1.6.4 悬索桥

吊索先将桥面吊在主缆上，主缆再跨过桥塔并在端部锚固。主缆与吊索主要受拉，塔主要受压；加劲梁连接各吊点并控制桥面变形。悬索桥的吊索上端连接主缆；斜拉桥的斜拉索直接连接桥塔。

地锚式悬索桥的主缆在两岸锚碇锚固；锚碇和地基必须可靠承担主缆拉力。自锚式悬索桥把主缆锚在梁上，受力与施工安排不同，本章模型展示地锚式。

1.7.1 跨度增长受到什么制约

跨度增加，桥梁首先要承担更多自身重量，再为车辆、风和其他作用保留承载与变形余量。图中的两根40 m梁都比原梁长一倍，但一根只加长，另一根连宽和高也一同放大。它们的外形比例、自重和受力结果完全不同。

下面把固定的“两倍”扩展为连续变化。拖动跨度倍数，原梁保持不动；另外两根梁同时变长，其中一根保持截面，另一根将宽、高也同比放大。三个视图的长度标尺相同，蓝色挠曲线统一放大5倍；应力与位移分别保留自己的单位。

只加长时，每米自重不变，荷载经过更长的距离传向支点，自重弯矩变为4倍，跨中挠度变为16倍。把长、宽、高都放大到2倍，截面确实更大、更刚，但体积与自重变成8倍，截面面积只有4倍；在本图的几何相似简支梁中，自重弯曲应力仍升至2倍，跨中挠度变为4倍，挠度占跨度的比例变为2倍。这就是这里讨论的自重尺度效应；它不等同于混凝土断裂研究中的材料尺寸效应。尺度研究

这些倍率可由简支梁的自重关系核对。对均匀矩形截面、仅受自重的线弹性简支梁，取材料重度为 $\gamma$、弹性模量为 $E$，截面面积为 $A$、惯性矩为 $I$、截面模量为 $W$，则

$$q=\gamma A,\qquad M_{\max}=\frac{qL^2}{8},\qquad \sigma_{\max}=\frac{M_{\max}}{W},\qquad w_{\max}=\frac{5qL^4}{384EI}.$$

这里 $q$ 是单位桥长上的自重，$L$ 是两支点中心距，$\sigma_{\max}$ 与 $w_{\max}$ 分别表示最大边缘弯曲应力与跨中挠度的大小。材料、边界和荷载条件一旦改变，就要重新判断，不能把图中倍率直接套到整座桥。第2章的梁弯曲算例展开这一联系。

不同桥型通过改变传力方式跨得更远，也会遇到不同的主要制约。梁主要靠弯曲，拱把较多荷载转为压力，斜拉桥用拉索分段托梁，悬索桥把桥面荷载送入主缆。后两种并未免除自重问题：索本身也有重量，塔、梁与基础也仍须分别满足强度、刚度和稳定等要求。FHWA分析手册

因此，现有跨度纪录、常用经济跨度和理论可达跨度是三件事。增大强度并不等于同比增加刚度，也不能自动解决风振、基础或架设问题；某个桥位的控制因素还可能先来自通航、地质和施工窗口。更有价值的比较是：在相同任务和环境下，哪个因素先控制方案，改变材料、几何或体系后，这个因素是否得到改善，又增加了什么代价。拱与索承桥设计指导

1.7.2 拓展：跨径与比例图谱

辨认四种受力体系后，可以把不同桥梁放到同一把尺上观察。下面的图谱从公开清单整理悬索桥、斜拉桥、拱桥各100个长跨条目，按桥型、国家、年份筛选，再通过桥位地图、真实照片、横向尺寸和三维近景建立空间尺度感。香港、澳门、台湾案例均归入中国；淡江大桥和澳门大桥另作补充案例，不参与三类前100条目排名。

先从世界桥位、水系、阴影地形与地貌标签观察跨越环境，再比较建成年份与主跨。地图补入独立核查的在建、拟建代表项目，设计跨度与预计通车计划不混入已建排名；区域案例解释自然阻隔如何与城镇、产业和交通走廊的联系需求共同作用。长跨样本分布不是世界桥梁普查，不能从空白地区推断当地没有建桥需求。

进一步用对应跨度 $L$ 作横坐标，分四个体系观察桥面以上塔高比 $H_t/L$、主缆垂跨比 $f_c/L$、拱矢跨比 $f_a/L$ 与梁高跨比 $h/L$。梁桥再区分跨中 $h_m$ 与墩顶 $h_p$；桥面总宽不列入这一组主要力学几何参数。点选实桥，旁边的三维示意同步尺寸比例，标明分子和分母的量取位置；每点提供配对尺寸、资料来源与口径说明。缺少可靠资料的尺寸留空；可用资料的范围随图说明。同一体系、材料与量取基准的样本才能讨论趋势，不能把近似水平的点群直接当作普适设计定律。

悬索桥、斜拉桥、拱桥的历史跨度纪录另画成三张阶梯图，可播放观察纪录增长，并查看每次增量、增长率与间隔。纪录序列来自独立的历史沿革资料，不从当代前100清单倒推，也不把未建成项目接入已实现纪录；年份、历史桥状态和跨度口径的差异随图说明。这里比较的是单一跨度的纪录前沿，不能由此推断成本与性能的帕累托最优。

天峨龙滩模型展示拱肋、梁端、护栏与排水构造，可切换整桥、桥面近景和截面。已核实的工程尺寸与为教学补充的细部分别标注，105 m足球场用于辅助比较尺度。

展开跨径图谱并导出筛选数据。原跨径清单整理于2026年10月17日；全球地理、待建项目与比例专题更新于2026年10月18日。来源、坐标缺失、建设阶段及尺寸口径均列在图谱中。

从榜单回到设计。 长跨能力反映结构与建造技术的一部分，但选桥型仍需回答桥位、通航、基础、施工与经济性问题。不能把跨径排名当成结构优劣排序，也不能用长跨清单推断全球各桥型的数量占比。

1.8.1 平面设计

平面图从上方说明桥轴、河道、墩位和两岸接线。下图对应曲线接线方案；主桥保持直线，两岸接线转弯。A—A标出横断面的位置和朝向。

直交、斜交与曲线方案。直交直接跨越；斜交改变桥轴与河道的夹角；曲线用于协调接线，但沿桥长度和各处朝向随之改变。选择箱形或T形构件不会改变路线，它改变的是横断面。本例转弯布置在岸上接线，主桥不弯；真正的曲线桥是主桥桥轴本身弯曲，横断面也应垂直当地桥轴，见前面的分类图谱。

1.8.2 立面设计

立面图显示各跨长度、梁底与桥面的高度、桥塔或拱肋，以及地面和水位。同一条河可以用多跨梁桥分段跨过，也可以把中间支撑移开，留下大主跨。下图采用主孔系杆拱方案，便于看清中央主跨与两侧梁式边跨。

桥面向上抬，车辆还要从固定的岸上道路驶上来。前面的通航课堂可比较直线与回转引桥：坡度相同时，桥面越高，爬升路线越长；回转布置缩短沿岸延伸，却需要更宽的地面空间。由此可见，桥梁方案必须连同两岸接线一起比较。

1.8.3 横断面设计

横断面是垂直桥轴，在指定位置切开后看到的形状。下图左侧标出整桥切位，右侧为同一个位置的A—A断面。跨中、支点与塔位切到的构件不同。

在模型中移动切面，观察桥面宽度、主梁或箱室，以及两侧拱肋、索面或塔柱。再把箱形改为T形，比较材料分布；T形选项用于辨认断面，不代表普通预制T梁可直接采用200 m主跨。已有梁桥断面课堂可继续观察箱梁、空心板、T梁和工字梁。

1.11.1 马鞍石复线桥的方案比选

重庆马鞍石复线桥是渝武高速拓宽改造工程的一部分。2018年公开的环评公示稿，留下了矮塔斜拉桥、下承式拱桥和连续刚构梁桥的候选图与比选数据。三个方案的主跨均为250 m，既有桥的协调、通航、施工和维护共同影响选择。¹³

报告推荐连续刚构梁桥，表列造价和施工周期较小，也与旁边的既有桥较协调。这个结论属于当时的桥位与方案条件，不能推为“梁桥总是更好”。2026年8月的建设单位公开消息称，新桥已具备通车条件；本节比选数据取自2018年候选方案估算，竣工结算需另查竣工资料。¹⁴

1.12.1 本章练习

1. 桥梁概念与分类（对应目标：1）。一座钢拱桥承托公路，跨过一条河。分别按用途、跨越对象、主要承重材料和主要受力体系给它分类，并解释为什么这些名称可以同时成立。用一句话说明桥梁的工程概念，列出上部结构、支座、下部结构和附属设施各一个实例。

2. 四种支承方式（对应目标：1、2）。同一片桥面需要跨过中央不宜设墩的水域。分别画出梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥的侧面简图，标出托住或吊住桥面的构件。沿这些构件追踪到地面，说明哪里主要承受弯曲、压力或拉力；指出桥面得到上方支承后，梁为什么仍会弯曲。

3. 三种跨径的量取（对应目标：3）。某梁桥一孔的两墩中心距为20 m，本孔两个支座中心均从各自墩中心向孔内偏0.4 m。两墩在设计洪水位处的宽度原为2 m，现对称加宽到4 m；墩中心和支座中心均保持不动。分别求改动前后的标准跨径 $L_k$、净跨径 $l_0$ 和计算跨径 $l$，并画出三条量尺的端点。只讨论本题梁桥的量取条件。

4. 通航净高与引桥（对应目标：3）。保持设计通航水位、上部结构建筑高度和岸上接线标高不变，将桥面抬高3 m。通航净高怎样改变？忽略竖曲线，按题设恒定纵坡3%接回两岸，估算每岸新增的坡道长度。画出直线引桥与回转引桥的平面简图，说明它们怎样占用岸上空间。这里的3%仅为课程给定值。

5. 方案比选与工程协作（对应目标：4）。马鞍石复线桥2018年报告中的三个方案如下。仅从表内两项指标指出更有利的方案，再列出至少两项选桥时仍须比较的条件。若施工时发现地层与勘察资料不同，写出把现场问题反馈给勘察、设计、建设和监理人员并落实处理的路径。

数据来自本章案例的2018年方案比选表，不作为现行价格或竣工结算。

6. AI辅助桥梁方案（对应目标：1、2、3、4）。课程给定两岸接线点相距360 m、桥宽12 m、中央120 m水域不设墩、设计最高通航水位为0 m、所需通航净高12 m。360 m是两接线点的平面距离，不直接替代沿路线的总长。两岸接线高程、引桥及引道允许延伸范围未另给时，由作答者明确提出，并在两方案中保持相同。用AI辅助提出两种孔跨或受力体系方案，制作同尺度简图或Three.js网页。提交同一模型的平面、立面及一个标明剖切位置的横断面；只设置一个主要可调参数，并说明参数改变后哪些视图同时变化。至少独立核对两项尺寸或支承关系，记录发现的问题及修改；未发现错误时提交核对结果。

可用起始提示词：“请按上述桥位条件制作两种可比较的桥梁方案。先列尺寸、构件和教学假设，再绘制同尺度三视图。桥面要有明确支承，索和吊杆要有上端连接，桥头通过引桥接回固定岸地面。提供一个可调参数，标明量尺端点与单位。用尺寸加总、构件接触或通航净空做两项独立检查，未经计算的结构性能标为示意。”