桥梁建设中的力学基础知识(共28页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要 随着文化、科学和经济的不断发展，桥梁建设经历了从小跨度、形式简单到大跨度、结构复杂的发展阶段。随着新技术、新材料、新工艺的不断应用，以及桥梁上作用荷载研究的不断深入，也促使人们加紧了桥梁力学问题的研究，推动了桥梁力学的发展;反过来，桥梁力学的研究成果也使桥梁的设计、施工及管理水平得到了进一步的提高。近几个世纪桥梁建设的发展史也充分说明桥梁建设的发展与力学的进步是紧密相联的，而且是互相促进的。另一方面，近阶段，不断出现的桥梁倒塌事故又明脱离了理论联系实际的原则所造成的严重后果，两者从不同侧面论证了力学原理在桥梁施工及施工监理中的重要性。相对于工程结构的安全性设计

2、和在役结构的安全性鉴定、耐久性分析等研究工作，施工结构的安全性分析工作还处于相当初期的水平。工程结构的时变可靠性分析是指导施工结构的安全性分析的理论基础，但该理论日前主要考虑的是工程材料、结构强度的时变性特性。 针对这个研究课题，本文主要做了以下工作: 1、对桥梁组成与桥梁基本类型进行了概括性介绍。.桥梁主要由桥跨、桥墩、桥台及桥头锥体等部分组成。通常习惯称桥跨为桥梁的上部结构:称桥墩，桥台及其基础为桥梁的下部结构。对桥梁的组成部分及各部分的作用在论文中列表做了详细说明。桥梁的基本形式按桥梁主要承重构件的受力情况可分为:梁桥、拱桥、刚架桥、悬索桥、组合体系桥等;按行车道的位置又可分为上承式桥、

3、中承式桥和下承式桥。2、桥梁建设中的力学基础知识涉及力学中的理论力学、结构力学、材料力学、弹性力学、结构动力学、土力学和水力学等诸多分支中的基础知识。论文中对桥梁力学中的几个概念进行了详细的阐述，主要包括以下内容: 1)机构与结构 机构是指能够产生运动的构架或体系。它属于几何可变体系，不具有承担设计荷载的能力。能承受和传递荷载作用的体系称为结构。结构是由不同的构件组成的儿何不变体系，具有承担设计荷载的能力。 2)静定结构与超静定结构 静定结构是指在几何组成方面，它是无多余约束的几何不变体系:在受力状态方面，它的全部反力和内力均可由静力平衡方程所求得，且其解具唯一性。超静定结构的支座反力和各截面

4、的内力不能完全由静力平衡条个卜唯一地确定，必须考虑结构的弹性变形协调条件确定之。这类结构也称静不定结构。论文中对静定结构与超静定结构的性质进行了逐条介绍。 3)轴心受压构件与偏心受压构件纵向压力通过构件截面重心的构件称为轴心受压构件。轴心受压构件可分为短柱和长柱两大类。柱的极限承载能力仅取决于横载面尺寸和材料强度的称为短柱;长柱在轴力和附加弯矩的作用下，最终失去平衡状态而失稳破坏。同时承受轴向压力和弯矩的构件称为偏心受压构件;偏心受压构件的失效形式一般可分为受拉破坏和受压破坏两类。 4)受弯构件的正弯矩截面与负弯距截面 梁构件在外力作用下，弯矩是横截面承受的主要内力之一。当梁段的弯曲向下凸时，

5、横截面上的弯矩称为正弯矩，反之称为负弯矩。当为正弯矩时(如梁的跨中部分)，受拉钢筋以布置在梁截面的底部为主，反之(如连续梁和悬臂梁的支座处)，受拉钢筋以布置在梁截面的顶部为主。 5)普通硅结构与预应力硅结构 钢筋硅由钢筋和混凝土两种物理力学性能不同的材料所组成。一般说来，在钢筋硅结构中，混凝土主要承担压力，钢筋以承担拉力为主，必要时也可承担压力。预应力硅就是用人工的方法在构件受荷前预先对硅结构施加一定的压应力。一般是通过张拉钢筋，利用钢筋被拉伸后产牛的回弹力挤压混凝土来实现的。根据张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系，预加压力的方法可分为先张法与后张法两大类。6)箱形梁中的温度应力箱形截面是连续体系

6、梁中最常用的截面形式。日照会引起桥梁向阳与背阳部位的温度差异，昼夜温差还会引起箱梁内箱与外壁的温差。研究表明，对于大跨度预应力硅箱形梁桥，温度应力可以达到甚至超过活载的应力。 沦文中对施工力学与一般力学的差异性进行了探索性分析。主要包括理论结构与实际结构、设计结构与施工结构、设计施工荷载与实际施工荷载等。 3.公路桥涵施工技术规范(JTJ041-2000 )是为了适应我国公路桥涵建设规模不断扩大的需要，在总结了旧有规范和实际经验教训的基础上编写而成的。作为桥梁建设的指导性檔，规范中的许多条文的制都从不同方面体现了力学原理的应用，论文针对规范中几个分部、分程的条文规定分别进行了详细的归纳和总结，

7、进一步说明力学原理在定项桥梁施工规范中的应用。这些分部、分项工程包括灌注桩基础、模板和支架、混凝土和钢筋混凝土工程、预应力混凝土工程、钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥等。 4、论文第四章进行了篙山路立交桥施工监理实例分析。主要包括工程概述、严格执行监理规范的具体做法以及监理工作中的儿个具体实例。针对基础、承台部分、墩、柱部分和箱梁部分施工中容易出错的行为，理沦联系实际，从力学原理角度出发从正反两个方面进行解释、分析，以便提高施工及监理人员对质量控制的认识，比较全面地理解和运用规范指导施工实践。这些具体实例包括钢筋骨架施工、土方回填工程、承台插入钢筋的支撑、桥墩范本与支撑的拆除时间、桥墩泪凝土浇筑

8、过程中支撑体系的稳定可靠、箱梁范本支架、箱梁碗扣式支架的斜撑、箱梁膺架的预压试验、预应力混凝土的浇筑、预应力钢绞线的张拉顺序、双箱梁施工孔口的留置位置、箱梁模板膺架的拆除、箱梁通气孔的疏通等。 5、论文综合各方面的分析得出了概括性结论以及对未来桥梁建设研究此课题的必要性进行了展望。结论包括: 1)整个桥梁建筑史就是一部桥梁力学的发展史。 2)在桥梁建设的任一环节中，脱离理论联系实际的原则，违背了力学基本规律，都可能会带来严重的后果。3)施工结构与理论分析中的理论结构和按规范设计出来的设计结构有着较大的、甚至是本质的区别。 展望包括: 1)新的社会需要，必将促进桥梁力学的蓬勃发展。 ?)新技术、

9、新设备、新材料的运用，必将要有新的科学的施工方法相配合。 3)施工力学应当、也必将会成为一门独立的、系统性的新的力学学科。关键词: 力学原理 桥梁 施工力学 规范监理ABSTRACT Bridge construction is undergoing the developmental stagefrom simple form and short span to complex structures and largespan structures, With the development of civilization science andeconomy, the new techno

10、logy, new material and new craft areapplying，and the research of the load bearing on the bridge is goingdeeply, which urge us speeding up the research of bridge mechanicsquestion and promote the development of bridge mechanics. On thecontrary, the research achievements of bridge mechanics also maket

11、he bridge design, construction and manage level fartherimprovement recently. Centuries bridge construction developmentalhistory also fully shows that it is closely related to the improvementof mechanics, and they are promoting each other. On the other hand,the recently unceasing events of bridge col

12、lapses show that theserious result due to the deviation of the principle, which theoryshould connected to the practice. Both proofed the importance ofapplication of the mechanical principles on the bridge constructionand supervision. Relative to the safety design of project structure, the safetyiden

13、tify- and the endurance analysis of structure in service etc, thesafety analysis of construction structure is still in the level ofconsiderable initial stage. It is the theoretical foundation of timechange reliability analysis of project structure to direct the safetyanalysis of structures. But, thi

14、s theory present major consider inaspect of the time change character of project material and structuralstrength. According to this research aim, following works is done in thispaper. 1 .In order to deepen the understanding of bridge knowledge, thegeneral introduction of bridge component and basic t

15、ype are done. The bridge is composed of bridge stride, bridge pier, bridge platformand the cone of end of the bridge. Usually, it is accustomed to namethe bridge stride as the substructure of bridge. The paper clearlyexplanation the role of each part and the composition part of bridgewith the list t

16、ables. According to the bearing load institute of mainlybearing component, the basic form of bridge can be classified intobeam bridge, arch bridge, rigid frame bridge, suspension bridge andassembly system bridge etc. Also according to the location of triplane, it can be classified into top travel br

17、idge, middle travel bridgeand lower travel bridge. 2. The basic mechanics knowledge in bridge construction isinvolved to the basic knowledge in many branches such astheoretical mechanics, structural mechanics, material mechanics,flexible mechanics, structural dynamics, earth mechanics andhydraulics

18、mechanics etc. To show the reason of research thinking ofthis paper, the intersectional theory among engineering mechanics, engineering construction and engineering supervision is studied, itmainly include following content 1)framework and structure The framework is the system or structural frame th

19、at canproduce action. It belongs to geometry variable system and does nothave the ability of undertaking the design load. The structure is thesystem that can bear and transmit the load. It belongs to geometryinvariable system and has the ability of undertaking the design load. 2) Quiet fixed and sup

20、per quiet fixed structure Refer to the aspect of geometry composition and bearing loadstate, the quiet fixed structure is a geometry variable system thatdoes not have redundant restrict. Its all reverse force and inner forcecan be computed with quiet equilibrium equation and the relativeresult is un

21、iqueness. But that of supper quiet fixed structure can notbe computed only with quiet equilibrium condition, it must beconsidered the flexible deformed coordinative condition of structurein same time. This kind of structure also can be named asinfixed structure. In paper, it introduces their charact

22、ers one byquietone.3)Axle center and partial pressed component When the longitudinal pressure is through the axle center ofcomponent, we call it as axle center pressed component. The axlecenter pressed component can be classified into short column andlong column. For short column, it limit bearing c

23、apacity only dependon section size and material strength. With the role of axial pressureand additional moment, the long column can be in damage state oflosing steady, because of losing balance eventually. For partialpressed component, it bears the axial pressure and moment in sametime. The invalid

24、form of partial pressed component usually can bedivided into two kinds of pulled destroy and pressed destroy. 4) The positive and negative section moment of flexing component Under the role of outside force, the moment is the mainly innerforce of horizontal section. When beam flex down, the sign ofs

25、ection moment is positive, in this case, the pulling reinforcing barmust be arranged in bottom of beam section mainly. When beam flexup, the sign of section moment is negative, and in this case, thepulling reinforcing bar must be arranged in top of beam sectionmainly. 5) Ordinary and prestress force

26、 concrete structure The reinforce concrete structure is formed by two physicalmechanics materials of reinforcing bar and the concrete, which havedifferent property. Generally, the concrete is mainly undertakenpressure, and the reinforcing bar is undertook the pulling forcemainly. The prestress force

27、 concrete structure is a structure that weset up some certain press stress in structure before it bearing load, bythe method of manual work. Normally, this press stress can be set upby the method of pulling the reinforcing bar. According to the orderof tensioning reinforcing bar and concrete constru

28、ction, the methodof prestress force can be classified into two kind of before tensioningmethod and after tensioning method. 6) The temperature stress of case form beam The section of case form is the mostly general section form incontinuously system beam. Because the sunshine can cause thedifference

29、 of temperature of different position of bridge, it also canbe cause by the change of day and night. To big span prestressingforce concrete case form bridge, research shows the temperaturestress value even can exceed that of living load. In paper, it is carried out the exploring analysis of the diff

30、erenceof construction mechanics and general mechanics. It mainly includethat theoretical structural and actual structure, design structure andconstruction structure etc. 3 .The site mechanism using of certain clauses of "TechnicalSpecifications for Construction of Highway Bridges and Culverts&q

31、uot; (J1'J041-2000)is analyzed and sorted. It is meet the needs thecontinuously enlarges construction of our country highway bridgeculvert, and summarized the old standard and actual experiencelesson. As the directive file of bridge construction, it reflects theapplication of mechanics principle

32、s in different aspect. The paperfully analyzes and explains items in code of some bridgeconstruction divisional work from mechanics angles, to enhanceconstruction and supervision staff understanding for quality controland fairly overall understand and apply code to guide constructionpractice. In cod

33、e, these branches divide into fill stake foundation,template and bracket, concrete and reinforced concrete, prestressingforce concrete, reinforced concrete and prestressing force concretebeam bridge etc. 4. The chapter 4th of this paper has analyzed the prison exampleof the construction of Song moun

34、tain road-overpass bridge. It mainlyinclude project general state, specific practice of strictly conductedsupervision standard and supervision work in some specific example.Refer to the easy mistakes of foundation, platform, pier, column,case beam etc in construction, the paper put the work of expla

35、in andanalysis in positive and negative aspect, with the method of theoryconnecting with practice. Therefore, it can raise construction andsupervision people to deeply know the important of quality control,and lead construction practice. In paper, these specific examplesinclude, the skeleton constru

36、ction of reinforcing bar, earthworkbackfill etc. 5 .Summarizing various side analyses, we can draw a generalconclusion and prospect the necessary of studying this problem inthe future of bridge construction to make more thorough research inlater work. It includes: 1)The history of all bridge constru

37、ction is a developmenthistory of bridge mechanics; 2) In any link of bridge construction, if breaking away from theprinciple of theory with practice and violating the basic law ofmechanics, it all may bring serious consequence. 3) There has great and essential difference between inconstruction struc

38、ture and theoretical structure and design structure,with according theoretical analysis and specification.Prospect:1)For new society needs, it must promote the vigorous developmentof bridge mechanics.?) The utilize of new technical, new equipment and new material,must want the construction method th

39、at has new science, appearancecooperation.3)The construction mechanicsindependence and systematic newshould, also must can become asubject of mechanics.Keyword:Mechanics principle. Bridge. Construction mechanics.Normalize. Supervision第一章 概 述1.1引言1. 1. 1力学原理在桥梁施工及施工监理中的重要性 随着文化、科学和经济的不断发展，人类在桥梁建设史上也写

40、下了不少光辉灿烂的篇章。据文献介绍，我国早在古代就出现了梁式桥梁、拱式桥梁和悬索式桥梁，我国古代三大名桥:河北赵县赵州桥、福建泉州万安桥和广东潮州湘子桥，是古代桥梁的杰出代表，其中河北赵县赵州桥(参见图1.1a)净跨为37.02m，拱矢高7.218m，拱桥全宽9.6m，桥面净宽9m，它是世界上第一座敞肩式占拱桥，时间大大领先于世界上其它各地同类型的桥梁川。1957年武汉长江大桥和1969年南京长江大桥等相继建成，都很大程度地推动了桥梁技术和桥梁建设的发展。其中南京长江大桥(参见图1.1b)全长1576m，桥跨结构为128m，简支钢精架加三联3x160m铆接连续钢精梁。现今，将交通基础设施建设作

41、为国民经济建设先行战略目标己实施了近20年，它早已成为国民经济建设的重中之重，与此同时，桥梁建设也得到了更加迅猛的发展。(a)赵州桥 图1. 1 (b)南京长江大桥尽管我国古代桥梁的建造主要是凭借实践经验来实现的，但是就我国古代已建成的桥梁形式、构造和建筑材料的发展和演变来看，无疑我国古代建桥人员对桥梁中的力学概念是有深刻认识的，而且随着桥梁建设的发展，这种认识不断得到加深，只不过对桥梁力学的研究和认识没有作出记录和完整的总结。近几个世纪桥梁建设的发展史也充分说明，桥梁建设的发展与力学的进步是紧密相联的，而且是互相促进的。 综上所述，桥梁建设经历了从小跨度、形式简单到大跨度、结构复杂的发展阶段

42、。随着新技术、新材料、新工艺的不断的应用，以及侨梁上作用荷载研究的不断深入，也促使人们加紧了桥梁力学问题的研究，推动了桥梁力学的发展;反过来，桥梁力学的研究成果也使得桥梁的设计、施工及管理水平得到了进一步的提高。1. 1.2桥梁施工中的若干事故分析从事情的另一方面看，由于在桥梁施工及管理过程中，少数施工技术人员及管理人员技术素质不高，质量意识不强，违背了力学原理，不汉造成了汗多不可估计的经济损夫和人员伤亡，而且带来了不良的社会影响。1.1.3桥梁组成与基本类型桥梁的作用及其组成 桥梁是供铁路、公路、管道、管线等跨越河流、山谷或其它障碍并具有承载能力的架空建筑物，跨越铁路或公路的桥

43、梁称为跨线桥或立交桥。图1. 5桥梁构造图桥梁由桥跨、桥墩、桥台及桥头锥体等(见图1.5)主要部分组成。桥部奠基部分称为墩台的基础。桥台又是桥梁与路堤衔接的结构物，其两侧做成填土或填石锥体并在表面加以铺砌，用来保证桥台与路堤很好衔接，并保证桥头路堤的稳定。通常习惯称桥跨为桥梁的上部结构(参见图1.6)称桥墩、桥台及其基础为桥梁的下部结构，桥梁的组成部分及各部分的作用见表1.1桥梁组成部分及各部分的作用 表1 .1 下面介绍一下与桥梁布置有关的主要术语。 净跨径是设计洪水位上相邻两个桥墩(或桥台)之间的净距。 桥梁孔径是多孔桥梁中各孔净跨径的总和。 计算跨径对于具有支座的桥梁，是指桥跨结构相邻两

44、个支座中心之间的距离，一般称公路的跨径为两相邻墩中心的距离。 桥长对于公路桥主指两桥台侧墙或八字墙尾端间的距离。 建筑高度是桥上行车路面至桥跨结构最下缘之间的距离。1. 1. 3.2桥梁基本类型桥梁的基本形式有很多，按桥梁主要承重构件的受力情况可分为: 1)梁桥主要承重构件是梁(板)。在竖向荷载作用下，梁主要承受弯矩，墩台主要承受竖向压力。梁桥又可分为实腹梁(参见图2.6b)和析架梁(参见图1.1b)。实腹梁承受弯矩和剪力;而析架梁的杆件则主要承受轴向力。梁桥还可分为简支梁桥，连续梁桥和悬臂梁等。 2)拱桥主要承重构件是拱圈。在竖向荷载作用下，拱圈主要承受压力，但也承受弯矩。墩台除承受竖向压力

45、和弯矩外，还承受水平推力(参见图l.la)。 3)刚架桥上部结构和墩台(支柱)彼此连成一个整体。在竖向荷载作用下，柱脚产生竖向反力、水平反力和弯矩。这种桥的受力情况介于梁和拱之间。 4)悬索桥又称吊桥，以缆索作为承重构件。在竖向荷载作用下，缆索只承受拉力，墩台除承受竖向反力外，还承受水平推力（参见图2.6c). 5)组合体系桥它是由几个不同受力体系的结构所组成，互相联系，共同受力，如斜拉桥(参见图2.6a)等。 按行车道的位置又可分为上承式桥、中承式桥和下承式桥。 除以上固定式桥梁外，还有活动桥和浮桥。1.2研究现状综述 相对于工程结构的安全性设计和在役结构的安全性鉴定、耐久性分析等研究工作，

46、施工结构的安全性分析工作还处于相当初期的水平。工程结构的时变可靠性分析22是指导施工结构的安全性分析的理论基础，但该理论目前主要考虑的是工程材料、结构强度的时变性特性。文献检索结果表明，从力学角度进行施工结构安全性分析的研究报导是非常少3。而进行工程力学、工程施工和工程监理交叉科学的研究工作则未见文献报导。1. 3本文的主要工作 1)对工程力学、工程施工与工程监理交叉学科进行了探索研究; 2)对施工力学相对于一般工程力学的特殊性进行了探讨分析; 3)对公路桥涵施工技术规范条文中力学原理的具体体现进行了分析、归纳; 4)通过深入实践，将力学原理在某座桥梁工程现场监理中的实际应用进行了总结； 5)

47、综合各方面的分析得出了一些概括性的结论，并对继续进行此课题的深入研究的必要性进行了展望。第二章 桥梁力学与施工力学中的几个基本概念2.1概述 桥梁建设中所用到的力学基础知识是非常广泛的。通常可分为桥梁结构静力学、桥梁结构动力学、桥梁土力学和桥梁水力学四大部分。桥梁结构静力学主要包括结构静力力系平衡分析，静定、静不定结构分析，结构强度、刚度验算，结构稳定性分析等。桥梁结构动力学主要包括桥梁固有振动特分析，车辆荷载作用下的桥梁强迫振动分析，风或地震力作用下桥梁振动分析等。桥梁土力学主要包括土对桥梁结构的压力作用计算，土与结构相互作用分析，地基沉降计算等。桥梁水力学主要包括常态下桥涵的水力计算，陡坡

48、上桥涵的水力计算等。总起来说，桥梁建设中的力学基础知识涉及力学中的理论力学、结构力学、材料力学、弹性力学、结构动力学、土力学和水力学等诸多分支中的基础知识，只有准确，熟练地掌握这些知识，才能更灵活、无误地解决桥梁建设中遇到的力学问题24。2.2 桥梁上作用的力2.2.1力的分类 作用于桥梁结构上的力也称为荷载。根据力或荷载作用面积的大小，力和荷载主要分为集中力或集中荷载、分布力或分布荷载。集中力和集中荷载: 凡作用面积很小或其作用面积与结构或构件尺寸相比可忽略不计的力，通常可视为作用于一集中点上，并称为集中力或集中荷载，如汽车轴载对桥梁的作用力、梁支座对梁的反力均可视为集中力或集

49、中荷载(如图2. 1所示)。虽然这些力也有作用面(如有相应的轮印面积和支座尺寸等)，但在结构分析时将它们视为集中力或集中荷载，并不会造成计算精度上的问题，相反可以使分析工作得到简化。分布力和分布荷载 凡作用面积较大或其作用面积与结构及构件尺寸相比不可忽略时，则可视为作用于一个有限面上，称其为分布力或分布荷载。如梁的自重(如图2. 2所示)、桥台的填土压力、桥墩的水流压力、桥梁上的风压力等。 有时为了结构分析的方便，可将分布荷载视为一个或若干个集中荷载，也可将若干集中荷载视为分布荷载，但要求两者的作用必须是等效的。譬如，物体自重的分布是连续的，但在求形状比较复杂的物体重心时，可将其

50、划分成若干规则的块体，并在每一块体重心处用一集中力代替块体的自重。铁路列车荷载中的车辆荷载是通过车轮产生的集中力，但在进行桥梁分析时，通常将这些集中力用分布荷载来替代。2. 2. 2约束和约束反力 桥梁结构中每一部分总是与其它部分或其它物体相联系的。譬如桥梁的梁体通过支座与墩台相联联接。由于支座对梁体具有一定的约束作用，故而称为梁体的约束，支座对梁体的作用反力称为约束反力(如图2. 1所示)2. 3桥梁力学中的几个概念2. 3. 1机构与结构 机构是指能够产生运动的构架或体系。只要有极小的力就能使机构中的各个构件产生相对运动，它属于几何可变体系，不具有承担设计荷载的能力。 在图2.3a所示的膺

51、架体系中，两两方向上的脚手均不在一个平面上，应视为相互铰接的传力形式，因此，上述支撑体系就是一个典型的机构(如图2.3b所示)，不能作为受力体系使用。能承受和传递荷载作用的体系称为结构。结构中的各组成部分称为构件。结构是由不同的构件组成的几何不变体系，具有承担设计荷载的能力。在图2.4a所示体系中，由于有了柱间斜撑，若各贝雷柱之间可视为刚性连接(如焊接或栓接)，则相应的膺架体系便构成了能够承受设计荷载作用的结构体系;若各贝雷柱之间只能视为铰接(如绑扎或焊缝不满足受力要求)，贝J上述结构仍不能作为结构体系(如图2.4b所示)加以使用。2. 3. 2静定结构与超静定结构静定结构是指在几何组成方面，它是无多余约束的几何不变体系;在受力状态方面，它的全部反力和内力均可由静力平衡方程所求得，且其解具唯一性。静定结构具有下面几个性质: 1)温度改变、支座移动、制造误差和材料收缩等均不会在静定结构中引起自内力。 2)静定结构的任一约束或构件破坏后，即变成为几何可变体系。 3)在荷载作用下，如果静定结构中的某一局部可以与荷载维持平衡，则其余部分的反力和内力必为零。 4)当对部分荷载进行等效变换时，仅影响变换荷载范围内的结构内力。静定结构的上述特性给施工带来了相当大的方便，但也会由于没有多余约束，而