淺談橋梁工程中的力學(xué)設(shè)計(jì)問題研究

淺談橋梁工程中的力學(xué)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)中所涉及到的常見的情況：纜索吊裝的最佳吊點(diǎn)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)；問題；吊點(diǎn)設(shè)計(jì)；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(shí)際工程項(xiàng)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(shí)意義與實(shí)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(gè)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(gè)過程中所涉及的相應(yīng)的工程技術(shù)：勘測設(shè)計(jì)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(duì)英產(chǎn)生了巨大的需求，在古時(shí)候，人們對(duì)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(duì)橋梁的載重要求一下子上升到一個(gè)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(duì)橋梁的要求達(dá)到了極致，因?yàn)楹芏噼F路需要穿越峽谷、跨越山谷、河流，實(shí)現(xiàn)了橋梁的大跨度發(fā)展，其中也實(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)于橋梁工程中的力學(xué)問題設(shè)計(jì)了許多方而，就苴理論知識(shí)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(dòng)力學(xué)等，當(dāng)然對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)、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(gè)人能夠解決全部問題，在一個(gè)橋梁工程項(xiàng)目中，聚集了工程中許多專家，他們共同努力，致力于一個(gè)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(gè)項(xiàng)目工程。2橋梁工程中的力學(xué)設(shè)計(jì)問題研究2.1纜索吊裝的最佳吊點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)（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(diǎn)吊，當(dāng)構(gòu)件分段或曲率較大時(shí)，宜采用四點(diǎn)吊。最佳吊點(diǎn)位置主要按構(gòu)件吊運(yùn)時(shí)的穩(wěn)左與合理受力來確定,盡管有時(shí)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(diǎn)，得出等截而四吊點(diǎn)的位垃。對(duì)于兩點(diǎn)吊、四點(diǎn)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(diǎn)的變化規(guī)律和實(shí)用的汁算結(jié)果。分段構(gòu)件均近似按直梁驗(yàn)算。當(dāng)構(gòu)件截而上下配置相等鋼筋并采用兩吊點(diǎn)時(shí)，構(gòu)件受力特點(diǎn)如雙伸臂簡支梁，吊點(diǎn)宜對(duì)稱布置，控制目標(biāo)為兩吊點(diǎn)處最大負(fù)彎矩Mi與跨中最大正彎矩M2絕對(duì)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）。考慮）（當(dāng)橋梁跨徑大，吊裝設(shè)備噸位許可時(shí)，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(diǎn)距桿端為X,考慮施工方便，圖乘法計(jì)算主系數(shù)§11和自由項(xiàng)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(diǎn)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(duì)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(jì)算穩(wěn)加和易于控制計(jì)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(jì)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(gè)吊點(diǎn)位置后，再由重心位置確宦兩根纜索的豎向拉力分量。對(duì)于變截而構(gòu)件，無法同時(shí)滿足兩吊索的索力相等。確定變截而構(gòu)件四點(diǎn)吊的最佳吊點(diǎn)，應(yīng)以合理的截而應(yīng)力（若干吊點(diǎn)截而和構(gòu)件薄弱及敏感截而）為控制目標(biāo)。拱頂實(shí)腹段的吊裝常用四點(diǎn)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(gè)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(shí)設(shè)汁與施工上的難中。采用多段吊裝和扣索臨時(shí)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(huì)受季節(jié)的影響，當(dāng)然東北的施工是一個(gè)特例，由于具有這種不可忽略的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。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(duì)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(gè)數(shù)總是少于或者等于其未知量的個(gè)數(shù)，通過力和力矩的平衡方程就能解答，并且其程的個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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遣豢煞裾J(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(shí)體系，同時(shí)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(shí)體系的不足與更新自身知識(shí)體系框架。雖然在橋梁工程力學(xué)研究這個(gè)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(duì)具有十足的信心，大膽的、大步的往前走，只有實(shí)踐中才能發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，只有在實(shí)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(bào)（自然科學(xué)版）。[2]任志剛，胡曙光.軸對(duì)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(bào)[3]王搖博.中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝上簡支T梁對(duì)歐洲鐵路荷載的適應(yīng)性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).2012（12）。[5]毛國