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？第1页

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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：

http:// ceephotos.karcor.com/ta g/infrastructure/page/2/

Roller bearing

Gillespie Dam Bridge

Forth Road Bridge

http://www. arthistory.upenn.edu/sp r01/282/w2c1i14.htm

Bridge Rubber Bearing

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ma-qian-zu 网友的相关建议:

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