结构力学论文.doc

桥梁中不同结构的比较班级：土木二班 姓名：孙俊若 学号：201300206104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，而且是跨越大江和海峡大跨度桥梁的优选形式。桥梁中不同结构有不同的优点和缺点，通过比较选择合理、经济的结构是我们应该研究的问题。下面阐述了一些结构形式的比较，以及改善的方法。桁架桥的特点桁架是由一些用直杆组成的三角形框构成的几何形状不变的结构物。杆件间的结合点称为节点(或结点)。根据组成桁架杆件的轴线和所受外力的分布情况，桁架可分为平面桁架和空间桁架。屋架或桥梁等空间结构是由一系列互相平行的平面桁架所组成。若它们主要承受的是平面载荷，可简化为平面桁架来计算。桁架桥是桥梁的一种形式，一般多见于铁路和高速公路；分为上弦受力和下弦受力两种。桁架由上弦、下弦、腹杆组成；腹杆的形式又分为斜腹杆、直腹杆；由于杆件本身长细比较大，虽然杆件之间的连接可能是“固接”，但是实际杆端弯矩一般都很小，因此，设计分析时可以简化为“铰接”。简化计算时，杆件都是“二力杆”，承受压力或者拉力。由于桥梁跨度都较大，而单榀的桁架“平面外”的刚度比较弱，因此，“平面外”需要设置支撑。设计桥梁时，“平面外”一般也是设计成桁架形式，这样，桥梁就形成双向都有很好刚度的整体。有些桥梁桥面设置在上弦，因此力主要通过上弦传递；也有的桥面设置在下弦，由于平面外刚度的要求，上弦之间仍需要连接以减少上弦平面外计算长度。桁架的弦杆在跨中部分受力比较大，向支座方向逐步减小；而腹杆的受力主要在支座附件最大，在跨中部分腹杆的受力比较小，甚至有理论上的“零杆”。不同简支梁式桁架的比较不同形式的桁架，其内力分布情况和适用场合也各不同。简支梁式桁架分为平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架；在均布荷载作用下，简支梁的弯矩分布图形是抛物线形的，两边小中间大。a、在平行弦桁架中，弦杆的力臂是一常数，故弦杆内力与弯矩的变化规律相同，即两端小中间大。竖杆内力与斜杆的竖向分力各等于相应简支梁上对应节间的剪力，故它们的大小均分别由两端向中间递减。由此看出平行弦桁架的内力分布不均匀，弦杆内力向跨中递减，若每一节间改变截面，则增加拼接困难；如采用相同的截面，又浪费材料。但是，平行弦桁架在构造上有许多优点，如所有弦杆、斜杆、竖杆长度都相同，所有节点处相应各杆交角均相同等，因而利于标准化。平行弦桁架用于轻型桁架时，可采用截面一致的弦杆而不至于造成很大的浪费。厂房中多用于12m以上的起重机梁。铁路桥梁中，由于平行弦桁架给构件制作及施工拼装都带来很多方便，故较多采用。b、在三角形桁架中，弦杆所对应的力臂是由两端向中间按直线变化递增的，其增加速度要比弯矩的增加来得快，因而弦杆的内力就由两端向中间递减。至于腹杆内力，各竖杆及斜杆的内力都是由两端向中间递增的。三角形桁架的内力分布也不均匀，弦杆内力在两端最大，且端结点处夹角很小，构造布置较为复杂。但是其两斜面符合屋顶构造需要，故只在屋架中采用。c、在折弦桁架（上弦各节点在抛物线上）中，各下弦杆内力及各上弦杆的水平分力对其矩心的力臂，即为各竖杆的长度。而竖杆的长度与弯矩一样都是按抛物线规律变化的，故可知各下弦杆内力与各上弦杆水平分力的大小都相等，从而各上弦杆的内力也近于相等。各斜杆内力均为零，竖杆内力均等于相应下弦结点上的荷载。折弦桁架的内力分布均匀，因而在材料使用上最为经济。但是构造上有缺点。上弦杆在每一结点处均转折而须设置接头，故构造较复杂。不过在大跨度桥梁（100150m）及大跨度屋顶（如1830m）中，节约材料意义较大，故常采用。桁架和拱式结构中减小弯矩的方法梁、梁式桁架等属于无推力结构，三铰刚架、三铰拱、拱式桁架和某些组合结构属于有推力结构，水平推力可以改善结构受力状态。这些结构都是由链杆或梁式杆组成的。梁与刚架中的杆件都是梁式杆；桁架中的杆件都是链杆、部分为梁式杆。链杆处于无弯矩状态，内力只有轴力，杆件横截面中的正应力均匀分布，能够充分利用材料的强度。梁式杆处于有弯矩状态，弯矩产生的正应力沿横截面高度呈三角形分布，中性轴附近的应力很小，没有充分利用材料强度。为了充分利用材料强度，应尽量减小梁式杆中的弯矩，最好是完全消除弯矩，使杆件处于无弯矩状态。构架设计中一般采取如下措施：1、在外伸梁和静定多跨梁中，利用杆端的负弯矩可以减小跨中的正弯矩。合理设计支座的位置，不仅可以减小弯矩的峰值，而且可使梁中正、负弯矩分布比较均匀。2、在三铰拱和三铰刚架中，利用水平推力的作用可以减小弯矩的峰值。3、在三铰拱中，利用合理拱轴线，可以使拱处于无弯矩状态；在桁架中，利用杆件铰接和合理布置，以及荷载的传递方式可以实现理想桁架的无弯矩状态。4、采用组合结构，使部分杆件作为链杆、处于无弯矩状态。通过合理的结构设计，如合理设计链杆的位置，可以减小梁式杆的弯矩峰值并使弯矩分布比较均匀。在相同的跨度和荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架和采用合理拱轴线的三铰拱弯矩为零。由于这些受力特点，在实际工程中，简支梁多用于小跨度结构，简支刚架应用较少；外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构可用于跨度较大的结构；当跨度更大时，多采用桁架和具有合理拱轴线的拱。在构造、施工角度，不同结构有各自的优点和缺点。简支梁虽然具有弯矩大且弯矩分布均匀的缺点，但由于构造构造简单，施工方便，所以简支梁在工程中仍有广泛的应用。桁架和三铰拱虽然具有可以实现无弯矩状态的受力合理的优点，但桁架内部结点多且构造复杂，三铰拱要求基础具有较强的承受水平推力的能力且拱轴线为曲线，因而增加了制作与施工上的困难。在结构设计中，选取结构形式应综合考虑跨度、施工条件等因素，进行多方面的分析和比较。斜拉桥和悬索桥斜拉桥悬索桥通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出，斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力。因此可以减少桥墩的数量，实现桥梁的大跨度。通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出，斜拉桥的钢索是斜着的，以a图C点进行受力分析，为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加，Fc和Fcx将会不断增大，这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力，这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因。因此AC之间的距离不能太大，即斜拉桥的跨度不能太大。而通过悬索桥的结构简图可以看出，悬索桥的钢索受力是竖直方向的，随着跨度的增加并不会增加钢索的受力。因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大。这两种桥同属大跨度桥。从使用方面来讲：斜拉桥是超静定结构，其稳定性较静定结构的悬索桥要好，世界上有过很多悬索桥因在大风下发生共振而垮塌的事件；斜拉桥可以连续做成好几跨，但悬索桥做成几跨在技术上有难度，目前世界最大三塔双跨悬索桥是中国在建的泰州长江大桥，单跨1080m；悬索桥必须有锚碇，如果所在河流非常宽，而悬索桥达不到这样的跨度，则锚碇就要放置在河流中，这样会严重影响水流，威胁到航运，所以像苏通大桥就宁可选择了斜拉桥。从结构受力方面说：跨度很大时悬索桥的受力比斜拉桥要更加合理，所以能做到更大跨度，因为斜拉桥跨度过大时，为使拉索受力不至于过大，就必须加高桥塔高度，桥塔高度肯定不可能无限加高；斜拉桥拉索会对桥身有水平方向的作用力，这就加大了对桥身强度的要求，而悬索桥就没这一情况。从经济方面说：据相关研究显示在跨度30