力学在桥梁工程中的应用及发展趋势

力学在桥梁工程中的应用及发展趋势桥梁在人类发展的历史过程中以一直是一种社会文明的代表观界桥梁建设发展的历史发现桥梁的发展与当时社会生产力的发展平的提高技术的改进，数学力理论的发展计算技的改革都有密切的关系中力学理论的应用在桥梁建设中起着举足轻重的作用．特别是在l920世纪，随着学理论及应用研究的长足进步，促使桥梁建设发生了前所未有的飞跃文从力学在桥梁工程中的应用这个角度简的回顾、分析、评述和展望．1力在桥梁工程中的应用及主要成就l8世以前当人们对力学中的许多机理尚不了解在实践中摸索出诸如石、砖、木等材料主要适合于受压的场合，因此所采用的桥梁建筑结构较为简单闻名的赵州桥度为3702m，元605年，既发挥了土、石等圬工材料的优点，又减轻了桥身的自重节了用材，且于排洪，还增加了美观，它集中体现了世界古代桥梁的伟大成就同时也代表了古代中华明今天看来它应是力学在当时材料条件下的最佳发挥．18世前后，人们开始使用生铁，尽管人们已经认识到了这类材料是优于土、石等圬工材料的一类新材料但是由于材料身的缺昭以及人们对其力学机理理质尚不清楚其应用仍然受到了很大的限制．世中叶，由于欧洲率先进入了工业社会，从根本上改变了西方社会近千年的文明，特别是在这一时期伴随ewton力的形成、微积分学的发展及欧洲工业化格局的形成得力学的理论与实践得到了很大的发展与木工程建筑有关的材料力学结构力学的形成就了桥梁工程建设的第次飞跃英国的不列颠尼亚箱粱桥度为00m1850年美国的布鲁克林悬索跨为486.00m，年及国的福斯悬臂桁架跨为520.00m，1890年等桥梁是这一时期的杰出代表．20世初期，由于西方工业社会的空前发展，力学研究的进步及相关学科的发展导致高强度钢材钢筋混凝土乃至预应力凝土等材料的出现现桥工程发展史上的第次跃．根据初等材料力学的结论凝抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，人们为了增加其抗拉能力，设计了钢筋混凝土这类复合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受压力，但限于混凝土材料本身所具有的力学性能其作为粱式桥结构用材度远逊色于传统的拱桥结构在进一步实践过程人们又发现尽管有受力钢筋在承载在受拉区仍然不可避免地会出现一些裂缝对筋施加一定张力作用以服此弊端即通过张拉预应力筋得拉区事先储备一定数的压应力当外荷载作用时凝可不出现拉应力或不超过某个临界值的拉应力从极地提高丁混凝土结构的抗裂性能度承载能力进而导致了预应力混凝土桥梁结构的出现，扩展了其应用的范围，使之成为2世纪桥梁工程中的一类主要结构．我国自年末期起，预应力混凝土桥梁的建设得到了很快的发展，特别在近几十年的城市道路桥梁速公路桥梁建设中占据着主导地位其诸如预应力混凝土构连梁桥、桁架粱桥、大跨度简支梁桥等桥型都是在这一结构基础上的派生．由于初等材料力学及结构力学的发展，导致了跨越能力较强的悬索桥、斜拉桥的出现．在30年美国就掀起过大跨度悬索桥的高峰，如美国纽约华盛顿跨为1067.00m，1931年旧金山金门大桥跨为，年等是这一时期的典型代表．第次界大战以后，德国、日本曾一度赶上了美国50年起，斜拉桥结构在德国初见光芒，并很快波及世界各地60年，在日本、丹麦等地出现了兴建跨海工程的先例．随着桥梁工程建设的不断进步诸多困扰人们的力学难题空结构的受力分析，结构复杂的次应力计算，主梁、横隔粱、桥面板、支座、墩台及基础的设计、计算分析等都

是和力学密切相关的问题数学学理论及计算工具的进步推动了这些问题的懈决促进了桥梁工程进一步的发展和飞跃时使得桥梁工程作为独立的科学技术被确认再凭桥梁设计者们的智慧和经验的创造过程是一门融理论分析设施工控制与管理于一体的系统性学科力在这其发挥了关键的作用且和其它学科进一步交叉渗透派生出若干新的学科．如J．Muller公司提出的双锚索构思方案的应用，使得传统的斜桥在跨径上有了很大的突破同在学上又对这类工程所需要的材料出更高更的要求事上采用这种新材科的跨径桥梁结构设计本身无形地在引导着土术工程师们去探索新的知识领域某复材料的力学机理与混凝土或钢结构相比较载度极大地增加了自降低了在泛应用过程中，却由于其恒载的大幅减轻是载引起的颤振问题又成为了一个亟待解决的课题问题是属于非线性动力学分析领域的一个前措问题因可说桥梁工程在不断地给力学的应用提出新的挑战是于人们在不断地迎接挑战，才使得力学在桥梁工程中的应用前景十分光明．世界上曾有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故的魁北克Quebec)桥在1907年架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲而导致失稳后全部坍塌大亚墨尔本附近的西门West桥1970年架设拼拢整孔左右两截面箱梁时于上翼板在跨中央失稳，导致l12m的跨全部倒塌．风的颤振引的强烈的非线性动力学作用也是导致桥梁破坏的一类原因，年，美国华盛顿州建成才个的Tacoma悬索桥在不到20m/s的8级风作用下发生了强烈的风振而严重破坏。曾一度引起了桥梁工程界的震惊，促使人们认识到风对桥梁的作用一种不可忽视的力学作用震类与地球构造运动密切相关的自然现象，同样也是造成桥梁失稳的一类重要荷载1971年2月9日发生在美国圣费南多，震级为M6.7级地震，就曾导致城市高层建筑、桥梁倒塌及生命线工程的破坏，年月28日发生在中国唐山，震级为M7．级地震，造成了大面积公路、铁路桥梁普遍倒塌或严重破坏有关部门专家对这次地震的分析梁坏主要集中在新近建造的桥梁，主要原因有岸坡滑移、地基失效、桥墩断裂、桥墩损伤积累、支座破坏、梁题相撞相墩发生过太相对位移错位与之相比较，位于震中的许多单孔石拱桥、双曲拱桥却有良好的抗震能力大基本完好或仅有轻微的损伤从而暴露出了近代桥梁设计中的薄弱环节述事实及工程实践推动了力学在桥梁工程中的应用导致了如桥梁抗震学、结构风工程学、桥梁振动等有关交叉学科的诞生和发展．随着桥梁上部结构的迅速发展然下部结构提出更高的要求时也提出了更多的力学问题由钢筋棍凝土的推广使墩的结构形式趋于多样化除统的重力墩台外。在力学分析的基础上发展了空心墩、桩柱式墩台、构架式墩台、框架式墩台、双柱式墩、拼装墩台预力钢筋薄壁墩等新型台，并且日趋轻型化性同高墩技术也有较大的发展。世50年以后，跨江、跨湾、海峡大桥开始兴建，并以中国、日本为首大力发展了深水基础技术，如50年代在武汉长江大桥建设中首创的管柱础年在南京长江大桥建设中发展的重型沉井、深水钢筋棍凝土沉井和钢沉井70年在九江长江大桥建设中创造的双壁钢围堰钻孔柱基础80年进一步发展的复合基础．在日本，由于本四联络线工程的建设，近年，其次深水技术发展很快，以底下连续墙、设置沉井和无人沉箱技术最为突出．20世后期，计算机技术的出现为人们解决在桥梁建设中若干复杂力学计算创造了条件，使得一些计算工作量大得惊人的模型分析以通过计算机获得解答力计算与分析的基础上，人们进一步能够利用计算机方便地进行与桥梁有关的辅助设计，提高了工作效率．如前所述，桥梁工程在20世纪得到了长足发展，原因虽然是多方面的，但力学理论的完善及进步却起到了举足轻重的关键作用，这主要体现在以下几个方面。

(1)材力学的进步改进了桥梁建设中材料的使用，并使得人们在和材料科学交叉渗透的过程中发展了许多高性能的复合材料．(2)预力思想的出现促进了桥梁的发展，导致桥梁恒载在不断地降低，跨度却在不断地增加，外形更加优美，更加与自然和谐．(3)高计算机的出现使得复杂的力学分析、计算及辅助设计成为可能，特别随着一类功能不一的桥梁结构分析程序的出现大地加快了桥梁设计速度提高了设计质量缩了桥梁建设的周期．(4)力和多学科的交叉渗透成为现代桥梁发展的重要支柱．桥梁在不断的发展过程中，也在不断地提出若干带有挑战性的工程力学问题问题的解决绝不是在单一力学领域内就能解决的而必须以力学为龙借助于多学科的交叉渗透所以说力学的这种交叉渗透不但是现代桥梁发展的重要基础，也是学科乃至学科群交叉发展的一个重要源泉．2力在桥梁工程中应用的发展趋势纵观桥梁的发展历程以现梁工程的飞速进步主要集中在力学飞速发展的近代且在外形上逐步走向轻巧化、纤细化桥梁的载重跨却在不断增长为适应当今时代的要求，仍然需要建造大量承受更大载荷、甚至跨越海湾或大江等跨径和总长更太的桥梁，因此还需要桥梁向结构高强度、轻型、大跨度方向发展．展望2l世，力学在桥梁工程中的应用主要集中在以下几个方面。(1)从学机理的角度以及多学科的交叉，进一步探索新型的、高强、超高强工程材料，建立其可靠的力学本构关系结构理论研究上发展更符台实际状态的力学分析方法与新的设计理论以分发挥材料潜在承载力容许应力法推广到极限状态设计法向可靠度理论方向进行探索，以充分利用材料的强度，力求工程结构的安全度更为科学和可靠．(2)在跨度桥梁设计中，深人探索桥梁风致振动的物理及几何非线性动力学机理，在以风洞试验模拟为依托的基础上，综合空气动力学、振动、稳定、疲劳、物理及几何非线性应用研究的普及结的受力分析将从简化的平面分析发展到更为精确的三维空间状态分析，更高教地解决超静定次数很高的桥梁结构及复杂结构的优化设计世着力学理论和计算机的发展，桥梁工程结构的数值模拟分析及虚拟现实技术可望有重大的突破．(3)随计算机技术的迅速发展，桥梁CAD将成为集力学结构分析、工程制图、程概预算数据库为一体的专家系统．由于现成Internet技在硬件软件上的飞速进步，将从根本上改变传统的桥梁设计方式促桥梁设计以极快的速度迈人桥梁设计的网络时代现源的共享。(4)桥施工控制技术将进一步发展GINS和GIS技的应用将成热点，进一步综合利用固体力学的基础理论和数据资料研计算方法和数值仿真技术探索无损检测的理论及使用技术对龄的桥梁结构工的安全性提供评估测方法及规范这里所设计到的主要是结构稳定性研究既要考虑构的静力平衡稳定性要考虑其动力稳定性需要借助非线性动力系统研究中关于Hopf分叉现象及奇异性理论、突变理论方面的