路桥建设 浅谈桥梁工程中的力学设计问题研究 摘要：力学在桥梁工程中的运用大大促进了桥梁工程的发展，对完善各地的交通系统以及促进经济的发展做出了巨大的贡献。 本文首先简要的分析了力学在桥梁工程中的应用和主要成就，在此基础上详细了分析桥梁工程中力学设计中所涉及到的常见的情 况：缆索吊装的最佳吊点设计研究、无支架的缆索吊装、悬臂施工以及结构体系的内力调整以及桥梁工程中的基本力学问题研究。 最后本文对力学在桥梁工程中的重要性做了简单介绍。 关键词：桥梁工程；力学设计；问题；吊点设计；悬臂施工；内力调整 ０研究背景 随着土木工程技术的进步，我国的桥梁工程在理论研究以及实际工程项 目中都取得了很大的突破性进展，这又直接的促进了我国的交通行业的发展 以及经济的发展。如今，在桥梁被广泛的运用到设计高速公路、隧道、群山、河 流等工程项目中，这是在这些地方假设了相当的桥梁，才使得我国的交通运 输系统得以完善。但是，在桥梁的工程研究以及实施中，仍然存在相当的问题 需要解决，其中力学问题的研究在学术界一直吸引着众多的学者，他们致力 于相关领域的研究，希望在力学问题的研究中获取更多的突破。综上所述，对 桥梁工程中力学问题的研究具有相当的现实意义与实际作用。 １桥梁工程与力学问题简介 １．１桥梁工程概念及其简要介绍 桥梁工程作为土木工程的一个重要分支，主要包括桥梁的从勘测开始到 最终的检定一系列过程和研究整个过程中所涉及的相应的工程技术：勘测一 设计—髓工—养护—裣定。桥梁工程之所以能够发展是交通运输对其产生了 巨大的需求，在古时候，人们对桥梁的使用基本上停留在通行人与畜生，对其 要求不高，可以设置坡面甚至是台阶，保留到现在的古老桥梁就是最好的佐 证。然而，随着汽车、火车等大型载物机器的出现，对桥梁的载重要求一下子 上升到一个全新的高度，这在一定上促使了桥梁工程发展，坡度、载重、角度 都被提出了更高的要求。特别是在铁路网中，对桥梁的要求达到了极致，因为 很多铁路需要穿越峡谷、跨越山谷、河流，实现了桥梁的大跨度发展，其中也 实现了桥梁相关材料的发展，钢材就是其中比较突出的例子。 桥梁工程要求被极大的提高，主要表现在三个方面：技术方面、材料方面 以及施工方面。首先，技术方面。在桥梁工程的设计和施工过程中，会设计到 桥式方案设计技术、桥梁养护技术、桥梁结构设计技术、桥梁实验技术、桥梁 施工技术、设计倒流建筑物技术、桥梁检定技术等等。其次，材料方面。桥梁的 载重能力是一个十分直接的要求，因此对材料的要求必须突出高强、低成本 与轻质的特点，即强度与耐久性，传统的钢材与混凝土在桥梁工程中具有十 分突出的作用。最后，施工方面。对桥梁的施工主要包括桥梁下部的结构施 工、桥梁上部的结构施工和梁式桥梁施工，并且在施工过程中一定要注意高 质量、短工期、低成本的目标。 １．２力学问题简介 对于桥梁工程中的力学问题设计了许多方面，就其理论知识来说，完全 包括材料力学、理论力学、结构力学、土力学、桥梁静力学、桥梁动力学等，当 然对桥梁抗震设计、风压、雪压的设计也必须考虑在其中，因此可以想象桥梁 工程并非一个人能够解决全部问题，在一个桥梁工程项目中，聚集了工程中 许多专家，他们共同努力，致力于一个共同的目标，最终才一起克服建筑过程 中涉及到的所有障碍，以完成整个项目工程。 － ２桥梁工程中的力学设计问题研究 ２．１缆索吊装的最佳吊点设计研究 桥梁工程施工中，当上部构件（如梁节段或拱肋等）需跨越深水、深谷、通 航河道或者限于工期必须在洪汛期内架设时，常采用无支架施工，其中更多 采用缆索分段吊装。预制构件在吊移、搁置和拼装过程中，构件的受力状态往 往与成桥使用状态不同，构件的吊点（吊环）位置与数量，应在设计中确定或 在施工前验算。梁段和拱肋通常采用两点吊，当构件分段或曲率较大时，宜采 用四点吊。最佳吊点位置主要按构件吊运时的稳定与合理受力来确定，尽管 有时还需要综合各种次要因素的影响。这里，以最大拉应力为控制目标，选择 缆索吊装中的最佳吊点，得出等截面四吊点的位置。对于两点吊、四点吊的变 截面构件超静定问题，用寻优迭代的方法和总和试算法，可得出吊点的变化 规律和实用的计算结果。 分段构件均近似按直梁验算。当构件截面上下配置相等钢筋并采用两吊 点时，构件受力特点如双伸臂简支梁，吊点宜对称布置，控制目标为两吊点处 最大负弯矩Ｍ。与跨中最大正弯矩Ｍ２绝对值相等（亦即最大拉应力相等），由此 可解得ｘ＝Ｏ．２０７Ｌ（Ｌ为拱肋构件长度）。考虑斜索产生偏心拉压、上下缘配筋数 量、端头接口和弯拱肋重心位置等因素后，实际吊点位置选在距拱肋端０．２２Ｌ 左右（Ｌ为拱肋构件长度）（如图１）。 当桥梁跨径大，吊装设备吨位许可时，可按较长的分段预制拱肋（特别是 拱顶段），以减少空中操作；当拱段曲率较大时，也采用四点吊，并使用转向滑 轮。四吊点构件受力是超静定问题，利用对称性取半结构后，按一次超静定梁 分析。选如图１８．１．２所示的基本体系，多余未知力ｘ１即为构件中部的正弯矩 Ｍ ，力法方程为８ Ｘ。＋△。Ｐ＝０。设外侧吊点距杆端为Ｘ，考虑施工方便，一般取 内外侧吊点间距为０．２Ｌ（小于０．２７Ｌ时，其跨间弯矩均较小）。用图乘法计算主 系数８。。和自由项△。Ｐ后，可求得 —一 ６ ＝（旦６０００一 ２００＋￡５一￡）／（、 ……～ ． ６ ３０一 ）。公式（１） 半结构 基本体系 图１基本体系简化 若以Ｉ 。１＝ｌ＾ ｌ＝Ｉ ｌ为控制目标，则不必解超静定。由（Ｏ．３Ｌ— ） ／４ ：ｘ ／２，直接解得：ｘ＝Ｏ。１２４Ｌ。 以抛物线变截面构件两点吊为例（图２），取厚度Ｂ＝１，容重 ＝１计算。 重心 ， 控制截面弯矩： ａ２。＝ （６ ＋Ｊ，１）， ＝等＋ｉ／４／，（４６一 ＋老（三一 公式（２） 一 ＋￣Ｌ９６（１２ｈ＋Ｙｌ ４－ｌＯｙ２＋ｙ３） ３） 。３０ ．．．目 臣 匹 圜 路桥建设 其中： ， 警 ＝丁’ — 一，ｙｚ — ｒ’＝ ， 对于少筋或素混凝＿－Ｌ，抗弯截面模量： ＝ Ｕ ㈤ （４） 尺寸与材料的强度的限制；长柱的破坏则受到轴力与偏心弯矩的影响。偏心 受压构件是同时受有轴向压力与弯矩的构件，其破坏类型一般有受拉破坏与 受压破坏两种形式。 普通混凝土结构与预应力混凝土结构。钢筋混凝土有钢筋与混凝土两种 ，（ｉ＝１，２，３） 物质组成，在受力形式中，混凝土主要是承受压力，钢筋主要受拉力，必要的 时候也能承受一定的压力。普通混凝土结构就是采用普通的做法实现，预应 ｌＭ．｝ｌＭ＇＿ｌＭ１ Ｉ优化目标：６１ ０ ２ ０ ３，即 ’１ ２ ｊ 。 力钢筋混凝土是通过先张法或者后张法来张拉钢筋，利用钢筋被拉伸后产生 的回弹力挤压混凝土来实现人工施加一定压应力。 这里，中段最大弯矩用中截面弯矩代替，以避免逐次求弯矩极值，误差不 大于２％。为了计算稳定和易于控制计算精度，在输入Ｌ，Ｈ，ｈ常数后，作无量 纲处理，Ｈ＝０即为等截面情况。用合理的步长在计算机上试算ａ，ｂ值。首先在 ０ ０．５Ｌ或更小的给定区间内，取ａ初值并计算 。，用０．６１８法逐次迭代，缩短 ３力学在桥梁工程中的重要性 虽然以前力学似乎在桥梁中运用十分罕见，特别是我国的古建筑桥，但 是按照力学的原理进行研究就能够得出结论：桥的承载力极限状态是完全满 区间；每取一个ａ值，就该以 ＝ ，为目标，用进退法寻找合适的ｂ值，并以【 ｒ＿ ，１＜ｅ（ｅ为给定精度）控制迭代，以尽可能少的迭代次数求得符合满 意精度的两个吊点位置后，再由重心位置确定两根缆索的竖向拉力分量。对 于变截面构件，无法同时满足两吊索的索力相等。 确定变截面构件四点吊的最佳吊点，应以合理的截面应力（若干吊点截 面和构件薄弱及敏感截面）为控制目标。拱顶实腹段的吊装常用四点吊，用总 和法试算能得到满足＿＝＿Ｉ＝程精度的结果。 ２．２无支架的缆索吊装和悬臂施工 ｌ９世纪中期以前，各种桥梁都采用有支架的施工方法拼装钢梁或浇筑混 凝土主粱，整个施工过程主梁均处于无应力状态。１９世纪中期，悬臂钢桁梁的 出现解决了当时设计与施工上的难题。悬臂桁梁的施工应力与营运应力的一 致，给悬臂施工（无支架施工）方法提供了科学依据，使该法被广泛采用。１００ 多年来，缆索吊机成为主要吊装工具，成功地应用于梁桥的无支架施工中。采 用多段吊装和扣索ｌ临时扣挂拱段来安装主拱圈，也使无支架吊装拱桥的施工 方法日益完善。这种技术的发展使得桥梁的缆索吊装施工得到了很大的进 步，进入到一个新型时期，标志着人类在探索桥梁工程的发展中取得了巨大 的进步。 与其它施工方法相比，悬臂施工不需要较大的支架和临时设备，因此桥 梁下相关的船只、车辆的通航影响比较小，在南方很多地区其施工都不会受 季节的影响，当然东北的施工是一个特例，由于具有这种不可忽略的优点，因 此悬臂施工在很多地方都得到了较广泛的运用。 ２．３结构体系内力调整 在悬臂施工过程中，桥梁的静力平衡体系不断变化，结构中的应力重分 布后的最终状态经常不同于最优设计分布应力，有时需要调整桥梁内力。常 用的方法有：①用千斤顶在墩梁处调整支座的相对高度；②中跨设临时铰，在 结构完工后被封闭在结构中。这样可在临时铰所在区域创造一个主动推力， 加于梁部产生补偿和调整的效果。它在恒载作用下大致呈简支梁受力状态， 而在活载作用下却呈现连续梁受力特点。不同的连续顺序，各外因产生的次 内力还有所不同。总之，在简支转连续的体系转换中，成桥连续梁的跨中正弯 矩要比现浇一次落架大，而支点负弯矩要比现浇一次落架小。 ２ ４桥梁结构中的基本力学问题 机构与结构。机构不具有稳定性，是一种几何可变体系，因此其不具有承 担荷载的能力；而结构具有相当的稳定性，根据其性能以及参数能够承受和 传递不同的荷载，在力学里被称几何不变体系。 静定结构和超静定结构。静定结构是相对比较简单的一种结构，在其内 力的计算过程中，其未知量的个数总是少于或者等于其未知量的个数，通过 力和力矩的平衡方程就能解答，并且其解答结果是唯一的。相对于静定结构， 超静定结构是比较复杂的，其未知量的个数多于其已知方程的个数，因此需 要加人弹性变形的协调条件来确定最终解。 轴心受压构件与偏心受压构件。轴心受压构件是指压力在构件的重心 出，其类型可以分为长驻与短柱两个类型，对于短柱，其极限承载能力受截面 ・３０８。 足其要求的，因此古代的桥才能够流传至今，即便当时没有进行验证，其承受 的轴力、弯矩也是小于其极限承载状态的。我国遗留下来的赵构桥、卢沟桥等 各种桥，都是比较好的例证。 当然，随着经济的发展以及如今人口的增多等各种因素的变化，我国某 些桥梁在某些特定的情况下发生了意外事故，造成了巨大的经济损失，例如： 凤凰县堤溪大桥垮塌、哈尔滨的某大家坍塌、河南的某大桥坍塌、北京的某郊 区的大桥坍塌等等，不仅造成了巨大的经济损失，而且还对人类的安全造成 了巨大的威胁。就其原因，都是由于其受力结构已经不能再满足相应的承受 极限状态。因此，可以说力学中的各种问题都可能成为桥梁坍塌的原因，都可 能造成巨大的损失、威胁人类安全。综上所述，力学是石桥工程安全的最根本 的保障，解决了桥梁工程中的力学问题，就保障了桥梁的安全。 ４研究结语 桥梁工程的发展确实为我国经济的发展做出了巨大的贡献，并且到目前 为止我国的在桥梁工程上面已经取得了相当的成果，但是不可否认的是我国 在桥梁工程方面的研究仍然有很大的进步空间，仍然还有许多问题需要去进 行深入研究，有许多细部的问题还需要相关专家进行深入的讨论。因此，相关 的专家必须加强自身学习，构件比较专业、全面的桥梁 程力学知识体系，同 时必须加强同外界的专业人士的交流，以弥补自身知识体系的不足与更新自 身知识体系框架。虽然在桥梁工程力学研究这个方向上我们还有很长一段路 要走，但是相关人员都应该对具有十足的信心，大胆的、大步的往前走，只有 实践中才能发现问题、分析问题、解决问题，只有在实践中才能进步。最后，本 文呼吁业内专家兢兢业业，全身心的投入到桥梁工程的研究中去，为我国、为 世界的桥梁Ｔ程的研究与发展做出卓越的贡献。 参考文献 ｆ１１韩辉，吕娜，周志祥，张金钢箱混凝土组合拱桥施工过程中温度效应分析 ＿『ｌ重庆交通大学学报（自然科学版）。 『２１任志刚，胡曙光．轴对称变温下钢管混凝土平面应变问题解析解Ｕｌ＿华中 科技大学学报（自然科学版）２０１２（０８）。 『３１王摇博中国铁路标准预应力混凝土简支Ｔ梁对欧洲铁路荷栽的适应性 分析ｒ『１＿铁道标准设计．２０１２（１２）。 ｆ４］郝向炜，孙航，彭海燕一多层框架结构模型的动力测试与分析ｕｌｌ内蒙古 农业大学学报（自然科学版）２０１２（０３）。 ｆ５１毛国辉，王小松，郑鸿飞车一桥耦合振动的联合方程分析方法研究 重 庆交通大学学报（自然科学版）。 【６１简庆华，黄会锋，曾小丽浅谈桥梁工程项目的全面质量管理研究卟中国 科技信息．２００９（１６）。 ［７】李松辉，李冲，闫明．在役桥梁实测荷载横向分布系数研究与应用 山东 科技大学学报（自然科学版）．２００９（０５）。 ｆ８１刘健新，张科超，毕延超结构抗风措施在大跨度桥梁中的应用［Ａ】第十 四届全国结构风工程学术会议论文集（中册）【ｃ】．２００９。