淺談橋梁工程中的力學(xué)設(shè)計問題研究

淺談橋梁工程中的力學(xué)設(shè)計問題研究1中鐵株洲橋梁有限公司2武漢世輝建筑工程有限公司摘要：力學(xué)在橋梁工程中的運(yùn)用大大促進(jìn)了橋梁工程的發(fā)展，對完善各地的交通系統(tǒng)以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。本文首先簡要的分析了力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用和主要成就，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)了分析橋梁工程中力學(xué)設(shè)計中所涉及到的常見的情況：纜索吊裝的最佳吊點設(shè)計研究、無支架的纜索吊裝、懸臂施工以及結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力調(diào)整以及橋梁工程中的基本力學(xué)問題研究。最后本文對力學(xué)在橋梁工程中的重要性做了簡單介紹。關(guān)鍵詞：橋梁工程；力學(xué)設(shè)計；問題；吊點設(shè)計；懸臂施工；內(nèi)力調(diào)整0研究背景隨著土木工程技術(shù)的進(jìn)步，我國的橋梁工程在理論研究以及實際工程項目中都取得了很大題需要解決，其中力學(xué)問題的研究在學(xué)術(shù)界一直吸引著眾多的學(xué)者，他們致力于相關(guān)領(lǐng)域的研當(dāng)?shù)默F(xiàn)實意義與實際作用。1.1橋梁丄程概念及其簡要介紹橋梁工程作為土木工程的一個重要分支,主要包括橋梁的從勘測開始到最終的檢龍一系列過程和研究整個過程中所涉及的相應(yīng)的工程技術(shù)：勘測設(shè)計施工養(yǎng)護(hù)檢泄。橋梁工程之所以能夠發(fā)展是交通運(yùn)輸對英產(chǎn)生了巨大的需求，在古時候，人們對橋梁的使用基本上停留在通行然而，隨著汽車、火車等大型載物機(jī)器的出現(xiàn)，對橋梁的載重要求一下子上升到一個全新的髙度，這在一泄上促使了橋梁工程發(fā)展，坡度、載重、角度都被提出了更髙的要求。特別是在鐵路網(wǎng)中，對橋梁的要求達(dá)到了極致，因為很多鐵路需要穿越峽谷、跨越山谷、河流，實現(xiàn)了橋梁的大跨度發(fā)展，其中也實現(xiàn)了橋梁相關(guān)材料的發(fā)展，鋼材就是英中比較突岀的例子。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)訃技術(shù)、橋梁實驗技術(shù)、橋梁施工技術(shù)、設(shè)汁倒流建筑物技術(shù)、橋梁檢泄技術(shù)等等。最后，施工方而。對橋梁的施工主要包括橋梁下部的結(jié)構(gòu)施工、施工，并且在施工過程中一定要注意髙質(zhì)量、短工期、低成本的目標(biāo)。對于橋梁工程中的力學(xué)問題設(shè)計了許多方而，就苴理論知識來說，完全包括材料力學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、上力學(xué)、橋梁靜力學(xué)、橋梁動力學(xué)等，當(dāng)然對橋梁抗震設(shè)計、風(fēng)壓、雪壓的設(shè)汁也必須考慮在苴中，因此可以想象橋梁工程并非一個人能夠解決全部問題，在一個橋梁工程項目中，聚集了工程中許多專家，他們共同努力，致力于一個共同的目標(biāo)，最終才一起克服建筑過程中涉及到的所有障礙，以完成整個項目工程。2橋梁工程中的力學(xué)設(shè)計問題研究2.1纜索吊裝的最佳吊點設(shè)訃研究橋梁工程施工中，當(dāng)上部構(gòu)件（如梁節(jié)段或拱肋等）需跨越深水、深谷、通航河道或者限于工期必須在洪汛期內(nèi)架設(shè)時，常采用無支架施工，其中更多采用纜索分段吊裝。預(yù)制構(gòu)件在吊移、擱宜和拼裝過程中，構(gòu)件的受力狀態(tài)往往與成橋使用狀態(tài)不同，構(gòu)件的吊點（吊環(huán)）位宜與數(shù)量，應(yīng)在設(shè)il?中確定或在施工前臉?biāo)?。梁段和拱肋通常采用兩點吊，當(dāng)構(gòu)件分段或曲率較大時，宜采用四點吊。最佳吊點位置主要按構(gòu)件吊運(yùn)時的穩(wěn)左與合理受力來確定,盡管有時還需要綜合各種次要因素的影響。這里，以最大拉應(yīng)力為控制目標(biāo)，選擇纜索吊裝中的最佳吊點，得出等截而四吊點的位垃。對于兩點吊、四點吊的變截面構(gòu)件超靜定問題,用尋優(yōu)迭代的方法和總和試算法，可得岀吊點的變化規(guī)律和實用的汁算結(jié)果。分段構(gòu)件均近似按直梁驗算。當(dāng)構(gòu)件截而上下配置相等鋼筋并采用兩吊點時，構(gòu)件受力特點如雙伸臂簡支梁，吊點宜對稱布置，控制目標(biāo)為兩吊點處最大負(fù)彎矩Mi與跨中最大正彎矩M2絕對值相等（亦即最大拉應(yīng)力相等），由此可解得x=0.207L（L為拱肋構(gòu)件長度）?？紤]）（當(dāng)橋梁跨徑大，吊裝設(shè)備噸位許可時，可按較長的分段預(yù)制拱肋（特別是拱頂段），以減Xi即為構(gòu)件中部的正彎矩Mi,力法方程為6IIXI+AIP=0。設(shè)外側(cè)吊點距桿端為X,考慮施工方便，圖乘法計算主系數(shù)§11和自由項A1P后，可求得公式（1）半結(jié)構(gòu)基木體系若以=為控制目標(biāo)，則不必解超靜泄。由（0.3L-A）2/4=X2/2,<以拋物線變截而構(gòu)件兩點吊為例（圖2）,取厚度B二h容重丫二HI?算。軌位亂心=卷需,M嚴(yán)詈（6力+戸）M其中:,兒=y2=4Z?厶=L—ci—b對于少筋或素混凝土，抗彎截而模量：叱=優(yōu)化目標(biāo):6這里，中段最大彎矩用中截而彎矩代替，以避免逐次求彎矩極值，誤差不大于2%o為了計算穩(wěn)加和易于控制計算精度，在輸入L,H,h常數(shù)后，作無量綱處理.H=0即為等截而情況。用合理的步長在計算機(jī)上試算a,b值。首先在00.5L或更小的給左區(qū)間內(nèi)，取a進(jìn)退法尋找合適的b值，并以丨0ro3I<￡(￡為給肚精度）控制迭代，以盡可能少的迭代次數(shù)求得符合滿意精度的兩個吊點位置后，再由重心位置確宦兩根纜索的豎向拉力分量。對于變截而構(gòu)件，無法同時滿足兩吊索的索力相等。確定變截而構(gòu)件四點吊的最佳吊點，應(yīng)以合理的截而應(yīng)力（若干吊點截而和構(gòu)件薄弱及敏感截而）為控制目標(biāo)。拱頂實腹段的吊裝常用四點吊，用總和法試算能得到滿足工程精度的結(jié)2.2無支架的纜索吊裝和懸臂施工19世紀(jì)中期以前，各種橋梁都采用有支架的施工方法拼裝鋼梁或澆筑混凝上主梁，整個施工過程主梁均處于無應(yīng)力狀態(tài)。19世紀(jì)中期，懸臂鋼桁梁的岀現(xiàn)解決了當(dāng)時設(shè)汁與施工上的難中。采用多段吊裝和扣索臨時扣掛拱段來安裝主拱圈，也使無支架吊裝拱橋的施工方法日益完人類在探索橋梁工程的發(fā)展中取得了巨大的進(jìn)步。輛的通航影響比較小，在南方很多地區(qū)其施工都不會受季節(jié)的影響，當(dāng)然東北的施工是一個特例，由于具有這種不可忽略的優(yōu)點，因此懸臂施工在很多地方都得到了較廣泛的運(yùn)用。2.3結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力調(diào)整在懸臂施工過程中，橋梁的靜力平衡體系不斷變化，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力重分布后的最終狀態(tài)經(jīng)在活載作用下卻呈現(xiàn)連續(xù)梁受力特點。不同的連續(xù)順序，各外因產(chǎn)生的次內(nèi)力還有所不同?？傄痊F(xiàn)澆一次落架小。2.4橋梁結(jié)構(gòu)中的基本力學(xué)問題結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，根據(jù)苴性能以及參數(shù)能夠承受和傳遞不同的荷載，在力學(xué)里被稱幾何靜左結(jié)構(gòu)和超靜泄結(jié)構(gòu)。靜泄結(jié)構(gòu)是相對比較簡單的一種結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)力的訃算過程中,其未知量的個數(shù)總是少于或者等于其未知量的個數(shù)，通過力和力矩的平衡方程就能解答，并且其程的個數(shù)，因此需要加入彈性變形的協(xié)調(diào)條件來確定最終解。軸心受壓構(gòu)件與偏心受壓構(gòu)件。軸心受壓構(gòu)件是指壓力在構(gòu)件的重心出，其類型可以分為則受到軸力與偏心彎矩的影響。偏心受壓構(gòu)件是同時受有軸向壓力與彎矩的構(gòu)件，英破壞類型一般有受拉破壞與受壓破壞兩種形式。普通混凝上結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝上結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土有鋼筋與混凝土兩種物質(zhì)組成，在受力上結(jié)構(gòu)就是采用普通的做法實現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝上是通過先張法或者后張法來張拉鋼筋，利用鋼筋被拉伸后產(chǎn)生的回彈力擠壓混凝土來實現(xiàn)人工施加一泄壓應(yīng)力。3力學(xué)在橋梁工程中的重要性雖然以前力學(xué)似乎在橋梁中運(yùn)用十分罕見，特別是我國的古建筑橋，但是按照力學(xué)的原理進(jìn)行研究就能夠得岀結(jié)論：橋的承載力極限狀態(tài)是完全滿足其要求的，因此古代的橋才能夠流來的趙構(gòu)橋、盧溝橋等各種橋，都是比較好的例證。當(dāng)然，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及如今人口的增多等各種因素的變化，我國某些橋梁在某些特定家坍塌、河南的某大橋坍塌、北京的某郊區(qū)的大橋坍塌等等，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還對人類的安全造成了巨大的威脅。就其原因，都是由于英受力結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能再滿足相應(yīng)的承受極限狀態(tài)。因此，可以說力學(xué)中的務(wù)種問題都可能成為橋梁坍塌的原因,都可能造成巨大的損失、威脅人類安全。綜上所述，力學(xué)是石橋工程安全的最根本的保障,解決了橋梁工程中的力學(xué)橋梁工程的發(fā)展確實為我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，并且到目前為止我國的在橋梁工程上而已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，但是不可否認(rèn)的是我國在橋梁工程方而的研究仍然有很大的進(jìn)步空間，仍然還有許多問題需要去進(jìn)行深入研究，有許多細(xì)部的問題還需要相關(guān)專家進(jìn)行深入的討論。因此，相關(guān)的專家必須加強(qiáng)自身學(xué)習(xí)，構(gòu)件比較專業(yè)、全面的橋梁工程力學(xué)知識體系，同時必須加強(qiáng)同外界的專業(yè)人上的交流，以彌補(bǔ)自身知識體系的不足與更新自身知識體系框架。雖然在橋梁工程力學(xué)研究這個方向上我們還有很長一段路要走，但是相關(guān)人員都應(yīng)該對具有十足的信心，大膽的、大步的往前走，只有實踐中才能發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，只有在實踐中才能進(jìn)步。最后，本文呼吁業(yè)內(nèi)專家兢兢業(yè)業(yè)，全身心的投入到橋梁工程的研究中去，為我國、為世界的橋梁工程的研究與發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。[1]韓輝，呂娜，周志祥，張金.鋼箱混凝上組合拱橋施工過程中溫度效應(yīng)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）。[2]任志剛，胡曙光.軸對稱變溫下鋼管混凝上平而應(yīng)變問題解析解[J].華中科技大學(xué)學(xué)報[3]王搖博.中國鐵路標(biā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