桥梁结构中的力学应用

桥梁结构中的力学应用小组成员：王小刚马琳寒王泽伟邓方妍侯若岩世界著名大桥英国亨伯尔桥中国润扬长江公路大桥悉尼港大桥桥梁的组成

桥梁主要由桥跨结构、桥墩、桥台、基础及桥头锥坡等部分组成。通常习惯将桥梁的桥跨称上部结构，将桥墩、桥台及其基础称为桥梁的下部结构。桥

墩桥

台桥

头

锥

坡桥梁的基本类型及其受力

梁桥

梁式桥是以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁。

梁桥的主要承重构件是梁（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和桁架梁。实腹梁承受弯矩和剪力；而桁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。

桥梁的基本类型及其受力

拱桥

拱式桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为主要承重构件的桥梁。

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。拱桥墩台除承受竖向压力和弯矩外，还承受水平推力。赵州桥世界最大的钢拱桥

上海卢浦大桥桥梁的基本类型及其受力刚架桥

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。南京长江大桥江面上的正桥长1577米，其余为引桥，是我国桥梁之最。引桥采用富有中国特色的双孔双曲拱桥形式，平面曲线部分采用“曲桥正做”做法，即采用直梁按曲线拼装，而不是直接使用曲线梁。桥梁的基本类型及其受力

悬索桥

悬桥又称吊桥，以缆索作为承重构件。它由主索、索塔、锚碇、吊索(或吊杆)、桥面等部分组成，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。主索一般用抗拉强度高的钢材制作，可以充分利用材料的强度，且具有用料省、自重轻等特点悬索桥的主要缺点是刚度小。

背景为日本明石海峡大桥，主跨1991米，全长3910米，为三跨二铰双层加劲桁梁式吊桥，钢桥283米，高出333米桥宽35.5米，双向六车道，加劲梁14米，抗震强度按1/150的频率，承受8.5级强烈地震设计，为目前世界上跨度最大的悬索桥。桥梁的基本类型及其受力

斜拉桥

它由主梁、斜拉紧主梁的钢索以及支承钢索的索塔等部分组成。斜拉桥的钢索拉成直线，与索塔、桥面(主梁)构成稳定的三角形结构；与具有多个桥墩的连续梁桥对照，一根(对)斜拉索就是代替一个桥墩的(弹性)支点，故主梁同弹性支承上的连续梁性能相似，其刚度比悬索桥大，而主梁跨径一般介于梁式桥与悬索桥之间。苏通大桥

世界跨径最长的斜拉桥力学在桥梁工程中的应用成就

19世纪中叶，工业革命使人类进入了工业社会，特别是在这一时期伴随牛顿力学的形成、微积分学的发展及欧洲工业化格局的形成，使得力学的理论与实践得到了很大的发展，如与土木工程建筑有关的材料力学、结构力学的形成，造就了桥梁工程建设的第一次飞跃。英国的不列颠尼亚箱粱桥、美国的布鲁克林悬索桥及英国的福斯悬臂桁架桥等桥梁是这一时期的杰出代表。布鲁克林悬索桥力学在桥梁工程中的应用成就

20世纪初期，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混凝土等材料的出现，实现桥梁工程发展史上的第二次飞跃。

根据初等材料力学的结论，混凝土抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，人们设计了既能受拉又能受压的钢筋混凝土这类复合建筑材料，将其作为粱式桥结构用材，跨度仍远逊色于传统的拱桥结构。

在进一步实践过程中，人们又发现尽管有受力钢筋在承载，但在受拉区仍然不可避免地会出现一些裂缝，这一弊端导致了预应力混凝土桥梁结构的出现，并使之成为了20世纪桥梁工程中的一类主要结构。力学在桥梁工程中的应用成就

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年代美国就掀起过大跨度悬索桥的高峰，如美国纽约华盛顿桥(跨度为1067.00m，1931年)，旧金山金门大桥(跨度为1280.00m，1937年)等都是这一时期的典型代表。第二次世界大战以后，德国、日本曾一度赶上了美国；50年代起，斜拉桥结构在德国初见光芒，并很快波及世界各地；60年代，在日本、丹麦等地出现了兴建跨海工程的先例。大桥于1933年1月5日开始施工，1937年4月完工。它跨越联接旧金山湾和太平洋的金门海峡，南端连接旧金山的北端，北端接通加州的马林县。金门大桥的桥墩跨距长1280.2米，建成时曾是世界上跨距最大的悬索桥，宽度27.5米，双向共6条行车线，桥身呈褐红色，金门大桥拥有世界第四高的桥塔，高达227.4米，全桥总长度是2737.4米。力学在桥梁工程中的应用成就多多罗大桥位于日本濑户内海，连接广岛县的生口岛及爱媛县的大三岛之间。大桥于1999年竣工，同年5月1日启用，最高桥塔224米钢塔，主跨长890米，是当时世界上最长的斜拉桥，连引道全长为1480米，四线行车，并设行人及自行车专用通道。诺曼底大桥，由M.Virlogeux设计，建于1994年。它是一座与当地景观完美协调的斜拉桥，以其细长的结构和典雅的造型而著称。主跨856米，为混合梁，其中624米为钢梁，其它为混凝土梁；边跨全部为混凝土梁，用顶推法施工。这是二十世纪桥梁建筑设计的典型例子。20世纪末，诺曼底大桥被授予“20世纪世界最美的桥梁”。力学在桥梁工程中的应用成就

桥梁结构的稳定性研究也是在桥梁发展过程中产生的一个新的力学应用研究分支，它与桥梁所承受的某些动荷载有关，如风载、地震等是力学在桥梁工程中应用的一大进步，也是关系到其经济与安全的主要问题之一。

近年来，由于大跨度桥梁建设日益广泛地采用高强度材料和薄壁结构，以及世界上曾有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故，也使得此类问题的研究更具重要的意义。力学在桥梁工程中的应用成就

1907年，由于设计师特奥多罗·库帕库帕的过份自信而忽略了对桥梁重量的精确计算，导致加拿大的魁北克(Quebec)桥在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲失稳，最后全部坍塌澳大利亚墨尔本附近的西门(WestGate)桥，于1970年在架设拼拢整孔左右两半(截面)钢箱梁时。由于上翼板在跨中央失稳，导致l12m的整跨全部倒塌．风的颤振引起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。1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的Tacoma悬索桥在不到20m/s的8级大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，是一种不可忽视的力学作用。地震一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级的地震，就曾导致了城市高层建筑、桥梁倒塌及生命线工程的破坏。力学在桥梁工程中的应用成就上述事实及工程实践推动了力学在桥梁工程中的应用，并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，必然给下部结构提出更高的要求，同时也提出了更多的力学问题。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、预应力钢筋薄壁墩等新型墩台，并且日趋轻型化、柔性化，同时高墩技术也有较大的发展。20世纪50年代以后，跨江、跨海湾、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基础，60年代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年代在九江长江大桥建设中创造的双壁钢围堰钻孔柱基础，80年代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20年来，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。力学在桥梁工程中的应用成就

桥梁工程在20世纪得到了长足发展，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)材料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)预应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)高速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，极大地加快了桥梁设计速度，提高了设计质量，缩短了桥梁建设的周期。

(4)力学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