浅谈桥梁结构

浅谈桥梁结构前言：“设计桥梁可有多种结构形式选择：石料和混凝土梁式桥只能跨越小河；若以受压的拱圈代替受弯的梁，拱桥就能跨越大河和峡谷；若采用钢桁架可建造重载铁路大桥；若采用主承载结构受拉的斜拉桥和悬索桥，不仅轻巧美观，而且是飞越大江和海峡特大跨度桥梁的优选形式。”桥梁，一个我们大家都再熟悉不过的字眼，她在我们的日常生活中的作用是非常重要的。我国的桥梁建筑史非常久远，我国的四大古桥——广东的广济桥（湘子桥）、河北的赵州桥、北京的卢沟桥及福建的洛阳桥，其中的赵州桥是我们土木人一直引以为傲的。到了现代，胶州湾跨海大桥、杭州湾跨海大桥，还有正在建设中的港珠澳大桥，一个又一个“奇迹'”被我们创造。通过半个学期的结构力学的学习，我对桥梁结构也有了一些认识，虽然不是很全面，也不是很深刻，但是这是我这半学期的很大的收获！一、梁式桥梁式桥是一种在竖向移动荷载作用下无水平反力的结构体系，它与建筑工程中的梁类似。梁式桥的上部结构在铅垂荷载作用下，支点只产生竖向反力，支座反力较大，桥的跨中处截面弯矩很大。所以由于这种特性，梁式桥的跨度有限。但是梁式桥的结构简单，制造和架设均比较方便，所以它的使用还是比较广泛的。此外，由于制造梁式桥的材料多为石料与混凝土，随跨度的增加其自重的增加也比较显著。因此梁式桥广泛用于中、小跨径桥梁中。lq由剪力图我们可以看出，支座处剪力最大，随着跨度增加剪力也会增加，因此梁式桥对于支座的要求很高。由弯矩图我们可以看出，在桥的跨中点处，桥的弯矩最大；而且，随着跨度的增大，桥的内力也会急剧增大，混凝土的抗弯能力很低，较难满足强度要求。而且，研究弯曲正应力时，桥截面的上下端会产生最大拉、压应力，而截面中性轴处应力为零，如下图所示。所以，当满足最大拉、压应力要求时，材料的性能没有完全发挥，一定程度上造成了材料的浪费，不符合经济的原则。所以，由于这种受力特点，梁式桥比较广泛应用于小跨度的桥梁工程中。二、拱桥拱式结构在房屋建筑、桥梁工程中经常采用。从几何构造上讲，拱式结构可以分为无多余约束的三铰拱和无多余约束的两铰拱和无铰拱。拱式结构的基本静力特征是：在竖向荷载作用下，能产生水平推力。水平推力将大大抵消由荷载产生的弯矩。因此，与同跨径的梁式桥相比，拱桥的弯矩、剪力和变形却要小得多，而且桥身以受压为主。如下图所示，在相同的跨度、相同的荷载作用下，简支梁的最大弯矩是24.5KN.M，而三铰拱由于水平推力的作用，最大弯矩下降为2.0kN.m。并且三铰拱弯矩与剪力较小，内力主要是轴力且为压力，可以充分发挥钢筋混凝土的力学性能。2ql2ql82qlσmaxσmax拱式结构的静力特征，决定了与梁相比用材节省，自重减轻，并且可有较大的跨度。由于拱体主要承受轴向压力，故可利用砖、石、混凝土等抗压性能好而又相对廉价的材料建造。此外，拱式结构有利于营造曲线美，并能提供较大的使用空间。拱结构还有一个很大的优势——合理拱轴线。在给定荷载作用下，我们可以合理设计拱轴线的形状，使拱截面的弯矩为零、剪力为零，只有轴力。例如，在竖向均匀荷载作用下，合理拱轴线为二次抛物线；当承受沿拱轴线径向分布的荷载时，合理拱轴线为圆弧线。当采用合理拱轴线时，拱截面上应力能均匀分布，材料的性能能得到最充分的利用与发挥。简支梁最大弯矩24.5kN.m但是，拱式结构也有缺点，即拱式结构的支座需要提供较大的水平推力。当支座不能提供足够的水平推力时，需采用带有水平拉杆的的结构，如上图所示，这时结构的净空间会相应的减小。三、桁架桁架是土木工程中广泛采用的结构形式之一。桁架是由直杆组成的铰结体系，与梁和刚架相比，当荷载仅作用在结点上时，桁架杆件只承受轴力，没有弯矩和剪力，应力分布均匀（如下图所示），能够充分发挥材料的性能。而且，桁架重量轻，能承受较大荷载。基于以上一些优点，桁架桥能跨越较大的跨度。在如上图所示的平行桁架中，其内力分布不均匀，弦杆内力向中间递增。但是，平行桁架所有弦杆、斜杆、竖杆长度都相同，所有节点处相应各杆交角均相同，因而利于标准化。尤其在铁路桥梁中，平行桁架给构件制作及施工拼接都带来很多方便，故采用较多。而且，当平行桁架利用于轻型桁架时，可采用截面一致的弦杆而不至于造成很大的浪费。在如图所示的折弦桁架中，其内力分布均匀，因而在材料使用上最为经济。但是折弦桁架构造上有缺点：上弦杆在每一结点处均转折而须设置接头，故构造FFFFFFFFd-2.5-4.0-4.502.54.0F1111-2.5-2.5-2.5-2.53.542.120.71=1(a)d-4.75004.54.54.51111-5.15111(b)-4.531较复杂。不过在大跨度桥梁(例如100～150m)及大跨度屋架(18～30m)中，节约材料意义较大，故常采用。在如图所示的三角形桁架中，其内力分布也不均匀，弦杆内力在两端最大，且端结点处夹角甚小，构造布置较为困难。但是，三角形桁架的两斜面符合屋顶构造需要，故只在屋架中采用。四、主承结构1、悬索桥悬索结构是由一系列受拉的索作为主要承重构件，并依靠索的拉力维持稳定的柔性结构。悬索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。由于索是柔软的，其抗弯刚度可以忽略，索横截面的弯矩和剪力为零，只有轴向的拉力作用。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，并且具有跨度大、自重小、材料省、易施工等优良性能。悬索桥主要由一根主索，然后在主索上挂很多竖直或者有点倾斜的索拉着桥面。这样只要上面的主索比较坚固，可以做到很大跨度。而且，桥面与梁式桥相d02.54.01111-7.9111.53.01(c)-6.32-4.74-1.58-1.80l=6d比，由主要受弯变成了主要受拉、压，可以很好地发挥钢筋混凝土的性能。而且，由于主缆采用高强钢材，受力均匀，具有很大的跨越能力。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。适用范围以大跨度及特大跨度公路桥为主，是当今跨度超过1000米的唯一桥式。2、斜拉桥斜拉桥是以梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索拉住桥面的结构。斜拉桥在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。斜拉桥的受力特点为外荷载从梁传递到索，再到索塔。由于斜拉桥的梁体尺寸较小，可以使桥梁的跨越能力增大。而且斜拉桥受桥下净空和桥面标高的限制小，可以提供很大的使用空间。综合来说斜拉桥有以下优点：1）钢材和混凝土的用量均较省。2）结构轻巧，适用性强。3）可调整主梁内力，使内力分布均匀合理，且能将主梁做成等截面梁，便于制造和安装。4）斜拉索的水平拉力相当于对混凝土梁施加的预压力，有助于提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性。5）建筑高度小，能充分满足桥下净空与美观要求，并能降低引道填土高度。6）竖向刚度和抗扭刚度均较强，抗风稳定性要好，用钢量小。