结构力学--力学结构的分析与其适用范围简单的讨论.doc

力学结构的分析与其适用范围简单的讨论 -以桥梁为例 司恒运 200900202093在建筑物和工程施工中不同的结构选择，其结构的强度、刚度、稳定性和动力反应千差万别，不同结构的选择能保证工程结构按设计要求正常工作，并能充分发挥建筑材料的力学性能，对工程会造成不同的影响，同时建筑工作人员的最终目的就是得到最优的结构设计。 桥梁一般讲由五大部件和五小部件组成,其中五大部件是指桥梁承受汽车或其他车辆运输荷载的桥跨上部结构与下部结构,是桥梁结构安全的保证.随着时代的发展，不同的桥跨结构会对桥的跨度才产生不同的影响。按照主要承重结构体桥梁可以分为有梁式桥、拱桥、悬索桥、刚架桥、斜张桥和组合体系桥等。下面就简要分析一下这些桥梁主要承重结构的不同及其对桥梁施工产生的不同影响。梁式桥其上部结构在铅垂荷载作用下，支点只产生竖向反力。梁式桥为桥梁的基本体系之一。按上部结构的静力体系分：主要有简支梁桥，连续梁桥和悬臂梁桥。其受力图如下： 1. 简支梁桥：主梁以孔为单元，两端设有支座，是静定结构，最大弯矩发生在跨中央，当跨度为L、承受均布荷载q时，其值为q/8，支点弯矩为零，无助于跨中卸载，一般适用于中、小跨度。若遇地基不均匀沉降时，上部结构内力不受影响，若一孔遭破坏，邻孔不受牵连。这种桥结构简单，制造运输和架设均比较方便，因此各国多做成标准设计，以便于构件生产工艺工业化、施工机械化，赢得工期，提高质量，并降低造价。 2. 连续梁桥：主梁若干孔为一联，在中间支点上连续通过，是超静定结构，最大正弯矩发生在跨中附近，而最大负弯矩（绝对值）发生在支点截面上。由于支点负弯矩的存在。可使跨中正弯矩比同跨的简支梁减少很多。以受均布荷载的三等跨连续梁为例，边孔最大正弯矩为3q/40，仅为简支梁桥的60，且弯矩分布也比较均匀。当跨度较大，恒载对总荷载的比值稍大时，采用连续梁可导致材料用量减少。连续梁桥更适合采用悬臂拼装和悬臂灌筑、纵向拖拉或顶推法施工。由于它是超静定结构，当一孔受到破坏时，邻孔可给予支持而不坠落，对修复与加固有利，而且刚度较大，抗震性能良好。3. 悬臂梁桥：在连续梁桥弯矩图中的零值弯矩点（反弯点）处设铰，从构造设计上使此处弯矩为零（铰只能承受剪力而不能受弯矩），当设铰的数目等于连续梁的超静定次数时，这就将超静定的连续梁桥变成静定的悬臂梁桥。其内力不因地基不均匀沉陷而变，故可适用于地质不良的地区，但仍具有支点负弯矩卸载的优点（减少跨中的正弯矩）。人为设铰能调整恒载内力沿跨长作有利的分布，铰的位置选在跨长0.20.3处，设跨度及荷载均和简支梁相同时，边孔的最大正弯矩仅q/12q/14，也比简支梁小得多，这对恒载占主要比例的公路桥和大跨桥梁是有利的。拱桥：拱桥为桥梁的基本体系之一，建筑历史悠久外形优美，古今中外名桥遍布各地，在桥梁建筑中占有重要地位。它适用于大、中、小跨公路或铁路桥，尤宜跨越峡谷，又因其造型美观，也常用于城市、风景区的桥梁建筑。按拱圈（肋）结构的静力图式分：无铰拱、双铰拱、三铰拱。前两者属超静定结构，后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台（墩），结构最为刚劲，变形小，比有铰拱经济；但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响，因而修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承，铰可允许拱圈在两端有少量转动的可能。结构虽不如无铰拱刚劲，但可减弱桥台位移等因素的不利影响。三铰拱则是在双铰拱顶再增设一铰，结构的刚度更差些，但可避免各种因素对拱圈受力的不利影响。悬索桥概况：当前世界上的悬索桥以美国最发达；英国其次，并于最近建成世界上最大跨度的悬索桥。日本则有几座大跨度公铁两用悬索桥正在施工。悬索桥也称吊桥。主要承重结构由缆索（包括吊杆）、塔和锚碇三者组成的桥梁。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。主要结构类型：1.不设加劲梁的柔式悬索桥，仅在活载对恒载的比值较小时采用。2.主跨吊于悬索桥并在该跨设加劲梁，如有边跨则边跨用独立的简支梁。3.三跨吊于悬索，加劲梁为三跨简支梁。 4.三跨吊于悬索，加劲梁为三跨连续梁。5.自锚式悬索桥，和组合体系桥中的系杆拱相似，其悬索的水平拉力不传给锚碇基础，而是传给加劲梁；6.缆索中段同加劲桁架上弦合为一体，在缆索用眼杆组成时，构造并不复杂，可节省材料并提高刚度。刚架桥也称刚构桥。主要承重结构采用刚架的桥梁。刚架的腿形成墩（台）形，梁和腿为刚性连接，可用钢、钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土制造。可分为门式钢架桥和斜腿钢架桥。门式刚架桥简称门架桥，其腿和梁垂直相交呈门架形。腿所受的弯矩将随腿和梁的刚度比率的提高而增大。用钢或钢筋混凝土制造的门架桥,多用于跨线桥。至于T形刚构桥(特点是在跨中有铰)，及将腿做成V形两撑杆与梁刚性相连的连续梁桥，其外形均与多跨的门架桥相近，但内力分布规律则不同。斜腿刚架桥刚架腿是斜置的，两腿和梁中部的轴线大致呈拱形，这样，腿和梁所受的弯矩比同跨度的门式刚架显著减小，而轴向压力有所增加。同上承式拱桥相比，这种桥不需要拱上结构，构件数目较少；当桥面较窄（如单线铁路桥）而跨度较大时，可将其斜腿在桥的横向放坡，以保证桥的横向稳定。斜张桥也称斜拉桥。用锚在塔上的多根斜向钢缆索吊住主梁的桥。斜张桥是第二次世界大战以后新发展起来的重要桥梁之一，因主梁为缆索多点悬吊，内力小，建筑高度低，施工方便，跨越能力大，现跨度已建到465米。设计特点主要须满足抗风与抗震的要求以及控制全桥的变形。为此，首先强调主孔的跨宽比不大于20，最好不大于15；其次是主梁的宽高比要大于8、至少要大于7并加风嘴，相应的索距要减小到10米以下（为了配合施工往往取56米）。此外，用双倾斜索面比用双平行索面的抗风稳定性好，可以抵抗对主梁不利的扭转振动。在多塔斜张桥中，如采用预应力混凝土连续梁结构，因混凝土徐变收缩，则在主梁的无索区要产生拉力与弯矩，须采取措施克服。在独塔斜张桥中，因主梁可自由伸缩，不产生这一问题。而在多塔斜张桥中，则宜在主梁合拢前用对顶法消减甚至于预储徐变收缩量。斜张桥的斜缆索存在一定的垂度，随索力的大小而变化，从而影响整个结构的受力与变形。在跨度大或索力变化幅度大时影响较大，须用精密的计算方法和电子计算机分析结构受力。对一般情况，则可用钢索的修正弹性模量（简单考虑缆索垂度影响的弹性模量）求解。锚固缆索用的锚具易疲劳破坏，宜选用具有高疲劳强度的锚具。在设计中还需考虑防止缆索锈蚀的措施。组合体系桥主要承重结构采用两种独立结构体系组合而成的桥梁。如拱和梁的组合、梁和桁架的组合、悬索和梁的组合等。组合体系可以是静定结构，也可以是超静定结构；可以是无推力结构，也可以是有推力结构。结构构件可以用同一种材料，也可以用不同的材料制成。拱、梁组合体系桥单跨无推力结构，如系杆拱（即刚拱和柔性拉杆组合）、刚梁柔拱、刚梁