[转]李乔说桥-1:桥梁结构的基本力学特征

本文为转载西南交通大学土木工程学院李乔教授的系列文章《李乔说桥》,首发于微信公众号西南交大桥梁(ID:xnjdqlx),本文链接

1、引言

桥梁是一种复杂的受力结构,如今已经能够利用有限元软件对各种复杂的桥梁结构进行详细的力学分析,但与此同时,桥梁结构最基本的力学概念往往会被忽略,有些学生把所学的桥梁专业知识与力学概念脱节,从而限制了其总体判断力和创新思维。本文从基本的力学视角来看待桥梁结构,将其力学特征用最简单、最基础的方式进行描述。

2、桥梁结构体系分类

从功能上可把桥梁上部结构分为直接承受活载的桥面系和承受主要恆、活载的承重结构两个部分。而承重结构的主要形式有以受弯为主的和以受轴力为主的拱和索,因而从工程角度看,桥梁基本承重结构体系就有梁桥、拱桥和索桥三类。但从力学特性上看,悬索倒过来就是拱,一个受拉一个受压,反之亦然(见图1)。二者可以看作是一类结构,姑且称之为拱/索。所以,仅从力学角度看,就只有两类基本的桥梁承重结构:拱/索,其余的桥梁结构形式都可以看作这两类的扩展或组合。

图1 悬索与拱

3、一般梁桥

一般的梁式桥其桥面系和承重结构是合二而一的。随着人们对桥梁跨越能力的更大需求,对于梁式桥而言,就要提高梁的跨越能力,要设法降低梁的弯曲应力,有两个途径可以达到此种效果,一是增加桥墩形成连续梁桥或连续刚构,一是加大截面抗弯刚度。从受力角度看,在同样的截面尺寸、材料和所受弯矩情况下,连续梁的跨度可以比简支梁大很多。加大截面抗弯刚度最好的方法是加大截面高度,而在加大截面高度的同时,把梁中性轴附近的材料减少则有助于减轻结构自重,于是就出现了工字截面、箱形截面、桁架等形式的梁。1890年建成的英国福斯桥就是一座典型的悬臂桁梁带挂孔的桥梁,最大桁高110米,跨度达到521米(图2)。

图2 英国福斯桥

4、梁桥扩展—斜拉桥和板拉桥

斜拉桥可以看作是梁作用更像体外预应力束的支承结构(图3c)。

图3 斜拉桥

板拉桥(图4)可看作是刚性斜拉索的矮塔斜拉桥,也可以看作是一个刚性节点的桁架,或者一个变截面空腹式桁梁。

图4 板拉桥

5、悬索桥和拱桥

由于悬索和拱以承受轴力为主,比以受弯为主的梁具有更大的跨越能力。悬索可以采用高强钢丝材料,且因受拉而不会失稳,因而跨越能力比受压为主的拱更大。当把桥面系通过吊杆或者立柱支承在悬索或者拱上时,就构成了悬索桥和拱桥(图5)。当上述拱桥的立柱间距为零时,就变成了实腹拱,当然此时立柱材料是填土或圬工砌体。

图5 悬索桥与拱桥

悬索桥的主缆是其主要承重结构,由于它是抗弯刚度很小的柔性的缆索,所以其几何线形与其所受到的荷载密切相关,表现出强烈的几何非线性特性。也由于其极小的抗弯刚度,所以它的竖向刚度主要来源于其重力和拉力构成的刚度,即通常所说的重力刚度。而大跨度拱桥的拱肋,由于是承受巨大轴向压力的曲线构件,因此也表现出较强的几何非线性特征,其中的稳定性问题尤为重要。

6、斜腿刚构桥

斜腿刚构桥(图6a)的主梁中有较大的弯矩,这是梁桥的受力特征。但同时其主梁和斜腿内也有较大的轴向压力,并且其支承处有较大的水平推力,这又是拱桥的受力特征。因此,斜腿刚构桥可以看作是梁和拱的组合体系桥梁。Y形刚构支承桥(图6b)也可以看作是斜腿刚构桥,不同的是在桥墩处相邻两跨的水平推力全部或部分相互抵销。

图6  斜腿刚构桥

7、结语

以上从受力角度简要地把主要的桥梁结构形式做了描述,未能做到全覆盖,更没有作严谨的力学推导,仅仅是从概念上阐述而已。

本文图片引用自互联网,在此感谢图片原作者。

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长河

网络ID:长河/大长河,本名:孙勇,黑龙江科技大学教师,桥梁与隧道工程专业,联系方式:sun@10kn.com

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