力學發(fā)展與橋梁發(fā)展的關系

1、力學發(fā)展與橋梁發(fā)展的關系橋梁在人類發(fā)展的歷史過程中，可以說一直是一種社會文明的代表，縱觀世界橋梁建設發(fā)展的歷史，可以發(fā)現(xiàn)橋梁的發(fā)展與當時社會生產(chǎn)力的發(fā)展，工業(yè)水平的提高，施工技術的改進，數(shù)學、力學理論的發(fā)展，計算技術的改革都有密切的關系，其中力學理論的應用在橋梁建設中起著舉足輕重的作用特別是在19,20世紀，隨著力學理論及應用研究的長足進步，促使橋梁建設發(fā)生了前所未有的飛躍本文從力學在橋梁工程中的應用這個角度，作簡要的評述。l8世紀以前，雖然當時人們對力學中的許多機理尚不了解，但已經(jīng)在實踐中摸索出諸如，土、石、磚、木等材料主要適合于受壓的場合，因此所采用的橋梁建筑結構較為簡單，如舉世聞名的趙州

2、橋(跨度為3702m，公元605年)，它既發(fā)揮了土、石等圬工材料的優(yōu)點，又減輕了橋身的自重，節(jié)約了用材，且便于排洪，還增加了美觀，它集中體現(xiàn)了世界古代橋梁的偉大成就，同時也代表了古代中華文明，在今天看來，它應是力學在當時材料條件下的最佳發(fā)揮。18世紀前后，人們開始使用生鐵，盡管人們已經(jīng)認識到了這類材料是優(yōu)于土、石等圬工材料的一類新材料，但是由于材料本身的缺昭以及人們對其力學機理、物理性質(zhì)尚不清楚，其應用仍然受到了很大的限制19世紀中葉，由于歐洲率先進入了工業(yè)社會，從根本上改變了西方社會近千年的文明，特別是在這一時期伴隨牛頓力學的形成、微積分學的發(fā)展及歐洲工業(yè)化格局的形成，使得力學的理論與實踐得

3、到了很大的發(fā)展。1857年由圣沃南在前人對拱的理論、靜力學和材料力學研究的基礎上，提出了較完整的梁理論和扭轉理論。這個時期連續(xù)梁和懸臂梁的理論也建立起來。橋梁桁架分析(如華倫桁架和豪氏桁架的分析方法)也得到解決。19世紀70年代后經(jīng)德國人K庫爾曼、英國人WJM蘭金和JC麥克斯韋等人的努力，結構力學獲得很大的發(fā)展，能夠?qū)蛄焊鳂嫾诤奢d作用下發(fā)生的應力進行分析。這些理論的發(fā)展，推動了桁架、連續(xù)梁和懸臂梁的發(fā)展。19世紀末，彈性拱理論已較完善，促進了拱橋發(fā)展。20世紀20年代土力學的興起，推動了橋梁基礎的理論研究。 20世紀初期，由于西方工業(yè)社會的空前發(fā)展，力學研究的進步及相關學科的發(fā)展導致高強度

4、鋼材、鋼筋混凝土乃至預應力混凝土等材料的出現(xiàn)，實現(xiàn)橋梁工程發(fā)展史上的第2次飛躍根據(jù)初等材料力學的結論，混凝土抗拉強度很低，但其價格卻遠低于鋼材，人們?yōu)榱嗽黾悠淇估芰ΓO計了鋼筋混凝土這類復合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受壓力，但限于混凝土材料本身所具有的力學性能，將其作為粱式橋結構用材，跨度仍遠遜色于傳統(tǒng)的拱橋結構在進一步實踐過程中，人們又發(fā)現(xiàn)盡管有受力鋼筋在承載，但在受拉區(qū)仍然不可避免地會出現(xiàn)一些裂縫，若對鋼筋施加一定張力作用，可以克服此弊端即通過張拉預應力筋，使得受拉區(qū)事先儲備一定數(shù)值的壓應力當外荷載作用時，混凝土可不出現(xiàn)拉應力或不超過某個臨界值的拉應力，從而極大地提高丁混凝土結構

5、的抗裂性能、剛度和承載能力，進而導致了預應力混凝土橋梁結構的出現(xiàn)，擴展了其應用的范圍，使之成為了20世紀橋梁工程中的一類主要結構。隨著橋梁工程建設的不斷進步，出現(xiàn)了諸多困擾人們的力學難題，橋梁空間結構的受力分析，結構復雜的次應力計算，主梁、橫隔粱、橋面板、支座、墩臺及基礎的設計、計算分析等都是和力學密切相關的問題，數(shù)學、力學理論及計算工具的進步推動了這些問題的懈決，并促進了橋梁工程進一步的發(fā)展和飛躍，同時使得橋梁工程作為獨立的科學技術被確認，不再是憑橋梁設計者們的智慧和經(jīng)驗的創(chuàng)造過程，而是一門融理論分析、設計、施工控制與管理于一體的系統(tǒng)性學科，力學在這其中發(fā)揮了關鍵的作用，并且和其它學科進一步

6、交叉滲透，派生出若干新的學科。橋梁結構的穩(wěn)定性研究也是在橋梁發(fā)展過程中產(chǎn)生的一個新的力學應用研究分支，它與橋梁所承受的某些動荷載有關，如風載、地震等是力學在橋梁工程中應用的一大進步，也是關系到其經(jīng)濟與安全的主要問題之一，它與強度問題的研究有著同等重要的意義。近年來，由于大跨度橋梁建設日益廣泛地采用高強度材料和薄壁結構，使得此類問題的研究更具重要的意義。隨著橋梁上部結構的迅速發(fā)展，必然給下部結構提出更高的要求，同時也提出了更多的力學問題由于鋼筋棍凝土的推廣使用，墩臺的結構形式趨于多樣化，除傳統(tǒng)的重力墩臺外。在力學分析的基礎上發(fā)展了空墩、樁柱式墩臺、構架式墩臺、框架式墩臺、雙柱式墩、拼裝墩臺、預應

7、力鋼筋薄壁墩等新型墩臺，并且日趨輕型化、柔性化，同時高墩技術也有較大的發(fā)展。20世紀后期，計算機技術的出現(xiàn)為人們解決在橋梁建設中若干復雜力學計算創(chuàng)造了條件，使得一些計算工作量大得驚人的模型分析，得以通過計算機獲得解答，在力學計算與分析的基礎上，人們進一步能夠利用計算機方便地進行與橋梁有關的輔助設計(CAD)，提高了工作效率。如前所述，橋梁工程在20世紀得到了長足發(fā)展，原因雖然是多方面的，但力學理論的完善及進步卻起到了舉足輕重的關鍵作用，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)材料力學的進步改進了橋梁建設中材料的使用，并使得人們在和材料科學交叉滲透的過程中發(fā)展了許多高性能的復合材料。(2)預應力思想的出現(xiàn)促進了橋梁的發(fā)展，導致橋梁恒載在不斷地降低，跨度