学生可以学习不同的荷载类型，学习如何计算最终的荷载组合总量。为设计简单的桥梁，学生也要研究不同大小的桥梁和桥柱。他们也要通过动手操作来学习工程师们设计桥梁的那些步骤，制造自己的桥梁结构原型。学生们在这一过程中逐渐解决遇到的问题，比如如何去确定潜在的桥梁上的重物，计算最大负荷量和用料所需。
达拉斯的混凝土桥
工程联系
工程师要设计构造，必须要彻底清楚需要解决的问题，这包括了选址的复杂性和用户的需求。为了使桥梁更安全，更牢固，工程师需要考虑到各种类型的负重物，它们将如何应用，在哪里应用等。工程师们的设计图纸中总是包含各种可能性，他们最终会选择一个最高的强度重量比值。
学习目标
在上完这节课后，学生们应该掌握了：
列出可以影响桥梁性能的几个负重物
解释为什么在桥梁设计中，懂得不同负重物和力学的知识如此重要
描述工程师们在设计桥梁的过程，包括选择载重物，计算最大负重值和载重物用料所需
预备知识
学生应该对各种桥的类型有一定的了解，这个在第一单元已经介绍过了，包括区域、压缩和张力。
介绍/动机
我们知道桥梁在我们的日常生活中扮演着举足轻重的角色。我们知道它们是城市、是人与人之间道路的重要组成部分。有些桥梁简单而笔直，还有一些非常复杂。你知道哪些桥可以被称为简单类型的桥(答案也许是:小溪上的原木，小溪上的桥。)你知道哪些桥可能被认为是复杂型的(答案也许有:金门大桥，还有其他大型桥梁，既承担着公路交通又有火车交通的桥梁。)是什么让一些桥构造很简单而另一些桥却很复杂(答案也许是:它们的大小、多种用途、环境条件、环境力、材料维护要求等等。)
在社交和商业方面，桥梁将人们与其他地方的人们联系起来，其中一个令人惊叹的商业性例子就是位于大阪湾的“天空门”大桥，它将人们与日本关西国际机场联系起来。
这一切都始于附近的大阪和东京机场无法满足人们的需求，也无法进行扩建。为了解决这个问题，日本人民承担了世界上有史以来最具挑战性的工程项目之一。由于没有土地建新机场，他们决定建设一个岛来建造关西国际机场!在这个新的人工岛上，他们修建了机场候机楼和跑道。然后，他们需要一个桥梁来连接它。关西国际机场联络桥全长3.7公里，连接了大阪大陆与人造岛，是世界上最长的桁架桥之一，它的上层用于汽车运输，下层内部用于铁路线路运输。
日本大阪湾的关西国际机场联络桥的卫星图
它被认为是现代工程的奇迹。机场和大桥于1994年对外开放。四个月之后，它在一次6.7级地震中幸存了下来，只受到些轻微的破坏。一方面由于机场场地建在致密的土壤上，使得它会每年下沉2-4厘米。另一方面，工程师在进行机场和桥梁的安全和维护时，也考虑了地震因素。
要建造一座像联络桥一样那么巨大的桥可不容易。你有没有想过工程师是如何设计整座桥的桥梁的设计通常是循序渐进完成的。每一根桥柱和桥梁都必须满足一定的标准，才能保证整个桥梁的成功运行。结构工程师在提出最终设计想法之前，要解决好几个繁琐的步骤。
1.首先，工程师必须彻底了解所面临的问题。为了做到这一点，他们会问很多问题。工程师可能会问些什么问题呢也许是:建造这座桥需要多坚固会用什么材料如何确定桥墩(柱)的基底建造的桥梁需要承受哪些的自然现象
2.接下来，工程师必须确定他们期望的，大桥所负荷的力的类型。荷载包括火车、卡车、自行车、人和汽车等交通工具。其他荷载可能来自自然环境。例如，佛罗里达的桥梁必须承受飓风的力量。因此，工程师们会考虑飓风、龙卷风、雪、地震、湍急的河水，甚至是死水。你还能想到其他可以作用在桥上的负荷物吗
3.下一步是确定这些负载是否会同时发生，以及什么样的荷载组合能给桥提供最大的可能的力(压力)。例如，火车过桥时，和附近的地震可能同时发生。有时，许多车辆在过桥的时候，和龙卷风接近桥梁可能不会同时发生等等。
4.列出所有可能的负载组合后，计算它们会产生的最大作用力后。工程师会使用数学公式，计算出所需材料的总量，这些材料可以用来抵御设计中的负荷量。(为简单起见，我们将不考虑这些力对桥有哪些作用;只要知道它们对桥产生作用就够了。)
5.在他们考虑了所有这些计算之后，工程师们会头脑风暴，产生不同的设计想法，这些想法包括预期的负荷量和所需材料的总量。他们把设计分成更小的部分，确保所有的桥梁部件达到设计标准。
课程背景和教师理念
要设计出安全的桥梁结构,工程设计的过程包括以下几个步骤:
1)开发一个完整的理解性的问题
2)确定潜在的桥负荷量
3)结合所有荷载来确定最大的潜在负荷量
4)计算数学公式，确定足以承受负荷量的材料总量。
1)问题确立
设计过程中最重要的步骤之一是问题确立。否则，艰苦的设计工作可能会变成一种浪费。例如，在设计桥梁时，如果工程设计团队不了解桥的性能，他们设计方案会和实际问题解决毫不相干。如果他们被告知设计一座横跨河流的桥，在不了解更多的情况下，他们会设计一座火车行驶的桥。但是，如果这座桥只供行人和骑自行车的人使用，那么它很可能会被过分设计，造成不必要的资源浪费(反之亦然)。要想设计得合适、高效和经济，设计团队在采取任何行动之前，必须首先充分确立问题所在。
2)决定负重量
确定作用在桥梁上的潜在负荷量与桥梁的位置和用途有关。工程师们考虑了三种主要类型的荷载:恒载、活载和环境荷载。
恒载包括桥本身的重量加上附加在桥上的任何其他永久性物体，比如小亭、公路标志、护栏、大门或混凝土路面。
活荷载是作用在桥梁上的临时性荷载，如汽车、卡车、火车或行人。
环境荷载是作用在桥梁上的临时荷载，是由于天气或其他环境影响造成的，例如飓风、龙卷风或高阵风;雪;和地震。如果没有提供适当的排水，降水量也可能是一个因素。
这些荷载的值取决于桥梁的使用和位置。例子:为机动车和行人设计的多级桥的柱和梁应能够同时承受三座桥的综合荷载。科罗拉多州一座桥的雪荷载要将比佐治亚州一座桥的雪荷载高得多。南卡罗来纳州一座桥的设计应能承受地震荷载和飓风荷载，而内布拉斯加州的同一座桥应要能承受龙卷风荷载。
3)荷载组合
在桥梁设计中，结合某一特定桥梁的荷载是一个重要的步骤。工程师们会使用几种方法来完成这项任务，最流行的两种方法是UBC法和ASCE法。
统一建筑规范(UBC)，是许多州采用的建筑规范标准，定义了五种不同的荷载组合。采用这种方法，将产生最高负荷量和用于设计规划的最关键荷载组合。五种UBC荷载组合为:
1.恒载活载雪载
2.恒载活载风载(或地震荷载)
3.恒载活载风载(雪载÷2)
4.恒载活载雪载(风载÷2)
5.恒载活载雪载地震荷载
4)确定构建的尺寸
图一作用在柱子上的力
在工程师确定了最高负荷量或和关键的荷载组合后，他或她需要确定构件的尺寸大小。桥梁构件是桥结构中的主要独立个体，如柱(墩)或梁。柱和梁的尺寸是独立计算的。
为了计算柱的大小，工程师们提前通过测试，预先进行材料强度的计算。图1显示了一个作用在柱子上的力。这个力代表了最高或最关键的载荷组合，它作用在柱的横截面上。
由于荷载引起的强度σ＝压力÷面积。在图1中，面积是未知的，因此力也是未知的。因此，利用材料的抗张强度和抗压强度来确定构件的尺寸，公式变成了力＝Fy×面积，其中力是最高或最关键的荷载组合。Fy可以是材料的抗张强度或抗压强度，对于普通建筑钢材，这个值通常为50,000lb/in2（磅/平方英寸）。对于混凝土，这个压缩值通常在3500Ib/in2到5000Ib/in2之间。通常，工程师认为混凝土的抗张强度为零。因此，求面积，面积=力÷Fy。保持单位一致是很重要的:力的单位是磅(磅)，而Fy的单位是磅每平方英寸(磅/平分英寸)。这个面积很容易计算，并用平方英寸为单位测量。
图2：压力和张力在梁柱上的作用
为确定桥梁的大小，工程师需要进行更多的计算。图2中的草图显示了一桥梁上有一个载荷作用。载荷作用是作用于梁跨中顶部的最高或最关键的荷载组合。压力通常作用在梁的顶部,由于这种特定的荷载，张力通常作用在梁的底部。例如，计算这一区域的面积公式比计算梁柱的面积公式稍微复杂一些。单载荷作用于梁的中顶部，方程为力x长度÷4＝Fy×Zx。与之前一样，力等于最高或最关键的荷载组合磅(lbs)。长度是通常已知的桥梁的总长度。通常，长度的单位是英尺(ft)，并经常转换为英寸。Fy是上述材料的抗张强度或抗压强度。Zx是一个系数，它涉及构件的横截面积的尺寸。因此，Zx＝(力x长度)÷(fyx4)，其中Zx的单位是英寸的立方(in3)。
图3：几个梁柱形状例子，从左到右，依次是矩形、I字型、空心矩形
每种梁柱都有自己的横截面面积计算方式。在钢筋混凝土建筑中，大多数梁实际上都是矩形截面，但最好的截面设计是单向弯曲的I字形梁(向上或向下)。对于两个方向的运动，一个盒子，或空心矩形梁，也有很好的效果(见图3)。
课程尾声
课前评估
分组绘画:把全班每三个学生分为一组。让每个工程小组设计一座桥，能够承载火车穿过100米宽的河流。让他们描述一下桥梁的类型以及在桥上哪些会有压力和张力的产生。
引进后评估
完成设计/小展示:让学生小组从课前的评估中回到他们的桥梁设计中，考虑一下他们桥梁上的潜在荷载，也考虑下刚刚讨论的工程设计过程步骤。让他们画出荷载和他们将作用在桥上的方向。最高的荷载组合是多少(这些荷载实际上会有多少同时发生)然后，一个或两个工程小组自愿向全班展示他们的桥梁设计细节。
课程总结评估
人桥:让学生们自己作为原材料，建造一座横跨教室的桥，这座桥需要足够坚固，让猫咪能走过去。鼓励他们发挥创造力，按照他们的意愿来设计，要求每个人都必须与其他班级成员直接接触。有几个地方能找到张力和压力的作用点如果这座人类桥足够坚固，让一个孩子能够走过，会如何改进设计还有什么其他的荷载会影响人桥
结论性讨论:总结课程内容，并利用课堂结束部分提供的问题进行课堂讨论，以评估学生对学习目标的理解。
家庭作业
数学工作表:指定学生以所附的荷载组合工作表为家庭作业。在使用五种UBC载荷组合计算第一页的最高或最关键荷载后，他们使用这些信息在随后的几张页面上解决三个问题，确定指定形状和材料的桥梁构件所需的尺寸。这三个问题难度逐渐增加:年龄较小的学生应该只完成问题1;年龄稍大的学生应该完成问题1和2;有强大数学能力的学生应该完成三道题。
课外活动
分配学生调查并报告高速公路高架桥上的钢梁掉到行驶中的车辆时出了什么问题。阅读2004年5月国家运输安全委员会高速公路事故简介和照片。参见NTSB摘要HAB-06/01，“具有下降的高架桥梁的乘用车碰撞”，网址为：
让班级参加一年一度的西点大桥设计竞赛。在美国军事学院西点军校网站上访问免费的优秀桥梁设计软件和其他教育资源，网址为