桥梁建设中的力学基础知识

1、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和在役结构 的安

2、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、中承式

3、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的

4、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

5、凸时，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。箱形梁中的温度应力箱形截面

6、是连续体系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。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禧，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

7、的归纳和总结， 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

8、撑的拆除时间、桥墩泪凝土浇 筑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

9、学的蓬勃发展。?）新技术、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ABSTRACTBridge construction is undergoing the developmental stage from simple form and short span to complex structures and large span structures, With the development of civilization science and economy, the

10、 new technology, new material and new craft are applying， and the research of the load bearing on the bridge is going deeply, which urge us speeding up the research of bridge mechanics question and promote the development of bridge mechanics. On the contrary, the research achievements of bridge mech

11、anics also make the bridge design, construction and manage level farther improvement recently. Centuries bridge construction developmental history also fully shows that it is closely related to the improvement of mechanics, and they are promoting each other. On the other hand, the recently unceasing

12、 events of bridge collapses show that the serious result due to the deviation of the principle, which theory should connected to the practice. Both proofed the importance of application of the mechanical principles on the bridge construction and supervision.Relative to the safety design of project s

13、tructure, the safety identify- and the endurance analysis of structure in service etc, the safety analysis of construction structure is still in the level of considerable initial stage. It is the theoretical foundation of time change reliability analysis of project structure to direct the safety ana

14、lysis of structures. But, this theory present major consider in aspect of the time change character of project material and structural strength.According to this research aim, following works is done in this paper.1 . In order to deepen the understanding of bridge knowledge, the general introduction

15、 of bridge component and basic type are done. The bridge is composed of bridge stride, bridge pier, bridge platform and the cone of end of the bridge. Usually, it is accustomed to name the bridge stride as the substructure of bridge. The paper clearly explanation the role of each part and the compos

16、ition part of bridge with the list tables. According to the bearing load institute of mainly bearing component, the basic form of bridge can be classified into beam bridge, arch bridge, rigid frame bridge, suspension bridge and assembly system bridge etc. Also according to the location of trip lane,

17、 it can be classified into top travel bridge, middle travel bridge and lower travel bridge.2. The basic mechanics knowledge in bridge construction is involved to the basic knowledge in many branches such as theoretical mechanics, structural mechanics, material mechanics, flexible mechanics, structur

18、al dynamics, earth mechanics and hydraulics mechanics etc. To show the reason of research thinking of this paper, the intersectional theory among engineering mechanics, engineering construction and engineering supervision is studied, it mainly include following contentframework and structureThe fram

19、ework is the system or structural frame that can produce action. It belongs to geometry variable system and does not have the ability of undertaking the design load. The structure is the system that can bear and transmit the load. It belongs to geometry invariable system and has the ability of under

20、taking the design load.Quiet fixed and supper quiet fixed structureRefer to the aspect of geometry composition and bearing load state, the quiet fixed structure is a geometry variable system that does not have redundant restrict. Its all reverse force and inner force can be computed with quiet equil

21、ibrium equation and the relative result is uniqueness. But that of supper quiet fixed structure can not be computed only with quiet equilibrium condition, it must be considered the flexible deformed coordinative condition of structure in same time. This kind of structure also can be named as infixed

22、 structure. In paper, it introduces their characters one by quiet one.Axle center and partial pressed componentWhen the longitudinal pressure is through the axle center of component, we call it as axle center pressed component. The axle center pressed component can be classified into short column an

23、d long column. For short column, it limit bearing capacity only depend on section size and material strength. With the role of axial pressureand additional moment, the long column can be in damage state of losing steady, because of losing balance eventually. For partial pressed component, it bears t

24、he axial pressure and moment in same time. The invalid form of partial pressed component usually can be divided into two kinds of pulled destroy and pressed destroy.The positive and negative section moment of flexing componentUnder the role of outside force, the moment is the mainly inner force of h

25、orizontal section. When beam flex down, the sign of section moment is positive, in this case, the pulling reinforcing bar must be arranged in bottom of beam section mainly. When beam flex up, the sign of section moment is negative, and in this case, the pulling reinforcing bar must be arranged in to

26、p of beam section mainly.Ordinary and prestress force concrete structureThe reinforce concrete structure is formed by two physical mechanics materials of reinforcing bar and the concrete, which have different property. Generally, the concrete is mainly undertaken pressure, and the reinforcing bar is

27、 undertook the pulling force mainly. The prestress force concrete structure is a structure that we set up some certain press stress in structure before it bearing load, by the method of manual work. Normally, this press stress can be set up by the method of pulling the reinforcing bar. According to

28、the order of tensioning reinforcing bar and concrete construction, the methodof prestress force can be classified into two kind of before tensioning method and after tensioning method.The temperature stress of case form beamThe section of case form is the mostly general section form in continuously

29、system beam. Because the sunshine can cause the difference of temperature of different position of bridge, it also can be cause by the change of day and night. To big span prestressing force concrete case form bridge, research shows the temperature stress value even can exceed that of living load.In

30、 paper, it is carried out the exploring analysis of the difference of construction mechanics and general mechanics. It mainly include that theoretical structural and actual structure, design structure and construction structure etc.3 . The site mechanism using of certain clauses of Technical Specifi

31、cations for Construction of Highway Bridges and Culverts (J1J041-2000)is analyzed and sorted. It is meet the needs the continuously enlarges construction of our country highway bridge culvert, and summarized the old standard and actual experience lesson. As the directive file of bridge construction,

32、 it reflects the application of mechanics principles in different aspect. The paper fully analyzes and explains items in code of some bridge construction divisional work from mechanics angles, to enhance construction and supervision staff understanding for quality control and fairly overall understa

33、nd andapply code to guideconstructionpractice. In code, these branches divide into fill stake foundation, template and bracket, concrete and reinforced concrete, prestressing force concrete, reinforced concrete and prestressing force concrete beam bridge etc.4. The chapter 4th of this paper has anal

34、yzed the prison example of the construction of Song mountain road-overpass bridge. It mainly include project general state, specific practice of strictly conducted supervision standard and supervision work in some specific example. Refer to the easy mistakes of foundation, platform, pier, column, ca

35、se beam etc in construction, the paper put the work of explain and analysis in positive and negative aspect, with the method of theory connecting with practice. Therefore, it can raise construction and supervision people to deeply know the important of quality control, and lead construction practice

36、. In paper, these specific examples include, the skeleton construction of reinforcing bar, earthwork backfill etc.5 . Summarizing various side analyses, we can draw a general conclusion and prospect the necessary of studying this problem in the future of bridge construction to make more thorough res

37、earch in later work. It includes:The history of all bridge construction is a development history of bridge mechanics;In any link of bridge construction, if breaking away from the principle of theory with practice and violating the basic law of mechanics, it all may bring serious consequence.There ha

38、s great and essential difference between in construction structure and theoretical structure and design structure, with according theoretical analysis and specification.Prospect:For new society needs, it must promote the vigorous development of bridge mechanics.?) The utilize of new technical, new e

39、quipment and new material, must want the construction method that has new science, appearance cooperation.3)The construction mechanics independence and systematic new should, also must can become a subject of mechanics.Keyword:Mechanics principle. Bridge. Construction mechanics.Normalize. Supervisio

40、n第一章概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

41、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

42、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。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.

43、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梁称为跨线桥或立交桥。1. 5桥梁构造图跨、桥墩、桥台及桥头锥体等y桥梁由桥载能力的架空建筑物，跨越铁路或公路的桥梁称为跨线桥或立交桥。1. 5桥梁构造图跨、桥墩、桥台及桥头锥体等y桥梁由桥（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

44、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桥梁的组成部分答组成部分的作用桥 面公（铁潞面、人行道车辆或行人走行部分承重靖构上勤或挑、或索】支承桥囱.将荷载件始承重结枪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. 3.2桥梁基本类型桥梁的基本形式有很多，

45、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

46、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，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

47、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。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）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:口第二章桥梁力学与施工力学中的几个基本概念:口2.1概述桥梁建设中所用到的力学基础知识是非

48、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

49、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，

50、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

51、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2.3桥梁力学中的几个概念2.3. 1机构与结构支座对梁体的作用反力称为约束反力（如图的约束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

52、.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(a)b)(a)b)力。图4膺苦方宴之二在图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。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