力学发展与桥梁发展的关系

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1、力学发展与桥梁发展的关系力学发展与桥梁发展的关系桥梁在人类发展的历史过程中，可以说一直是一种社会文明的代表，纵观世界桥梁建设发展的历史，可以发现桥梁的发展与当时社会生产力的发展，工业水平的提高，施工技术的改进，数学、力学理论的发展，计算技术的改革都有密切的关系，其中力学理论的应用在桥梁建设中起着举足轻重的作用特别是在 19,20 世纪，随着力学理论及应用研究的长足进步，促使桥梁建设发生了前所未有的飞跃本文从力学在桥梁工程中的应用这个角度，作简要的评述。l8 世纪以前，虽然当时人们对力学中的许多机理尚不了解，但已经在实践中摸索出诸如，土、石、砖、木等材料主要适合于受压的场合，因此所采用的桥梁建筑

2、结构较为简单，如举世闻名的赵州桥(跨度为 3702m，公元 605 年)，它既发挥了土、石等圬工材料的优点，又减轻了桥身的自重，节约了用材，且便于排洪，还增加了美观，它集中体现了世界古代桥梁的伟大成就，同时也代表了古代中华文明，在今天看来，它应是力学在当时材料条件下的最佳发挥。18 世纪前后，人们开始使用生铁，尽管人们已经认识到了这类材料是优于土、石等圬工材料的一类新材料，但是由于材料本身的缺昭以及人们对其力学机理、物理性质尚不清楚，其应用仍然受到了很大的限制19 世纪中叶，由于欧洲率先进入了工业社会，从根本上改变了西方社会近千年的文明，特别是在这一时期伴随牛顿力学的形成、微积分学的发展及欧洲

3、工业化格局的形成，使得力学的理论与实践得到了很大的发展。1857 年由圣沃南在前人对拱的理论、静力学和材料力学研究的基础上，提出了较完整的梁理论和扭转理论。这个时期连续梁和悬臂梁的理论也建立起来。桥梁桁架分析(如华伦桁架和豪氏桁架的分析方法)也得到解决。19 世纪 70 年代后经德国人 K 库尔曼、英国人WJM 兰金和 JC 麦克斯韦等人的努力，结构力学获得很大的发展，能够对桥梁各构件在荷载作用下发生的应力进行分析。这些理论的发展，推动了桁架、连续梁和悬臂梁的发展。19 世纪末，弹性拱理论已较完善，促进了拱桥发展。20 世纪 20 年代土力学的兴起，推动了桥梁基础的理论研究。 20 世纪初期，

4、由于西方工业社会的空前发展，力学研究的进步及相关学科的发展导致高强度钢材、钢筋混凝土乃至预应力混凝土等材料的出现，实现桥梁工程发展史上的第 2 次飞跃根据初等材料力学的结论，混凝土抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，人们为了增加其抗拉能力，设计了钢筋混凝土这类复合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受压力，但限于混凝土材料本身所具有的力学性能，将其作为粱式桥结构用材，跨度仍远逊色于传统的拱桥结构在进一步实践过程中，人们又发现尽管有受力钢筋在承载，但在受拉区仍然不可避免地会出现一些裂缝，若对钢筋施加一定张力作用，可以克服此弊端即通过张拉预应力筋，使得受拉区事先储备一定数值的压应力当外荷载作用时，混

5、凝土可不出现拉应力或不超过某个临界值的拉应力，从而极大地提高丁混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，进而导致了预应力混凝土桥梁结构的出现，扩展了其应用的范围，使之成为了 20 世纪桥梁工程中的一类主要结构。随着桥梁工程建设的不断进步，出现了诸多困扰人们的力学难题，桥梁空间结构的受力分析，结构复杂的次应力计算，主梁、横隔粱、桥面板、支座、墩台及基础的设计、计算分析等都是和力学密切相关的问题，数学、力学理论及计算工具的进步推动了这些问题的懈决，并促进了桥梁工程进一步的发展和飞跃，同时使得桥梁工程作为独立的科学技术被确认，不再是凭桥梁设计者们的智慧和经验的创造过程，而是一门融理论分析、设计、施工控制

6、与管理于一体的系统性学科，力学在这其中发挥了关键的作用，并且和其它学科进一步交叉渗透，派生出若干新的学科。桥梁结构的稳定性研究也是在桥梁发展过程中产生的一个新的力学应用研究分支，它与桥梁所承受的某些动荷载有关，如风载、地震等是力学在桥梁工程中应用的一大进步，也是关系到其经济与安全的主要问题之一，它与强度问题的研究有着同等重要的意义。近年来，由于大跨度桥梁建设日益广泛地采用高强度材料和薄壁结构，使得此类问题的研究更具重要的意义。随着桥梁上部结构的迅速发展，必然给下部结构提出更高的要求，同时也提出了更多的力学问题由于钢筋棍凝土的推广使用，墩台的结构形式趋于多样化，除传统的重力墩台外。在力学分析的基

7、础上发展了空墩、桩柱式墩台、构架式墩台、框架式墩台、双柱式墩、拼装墩台、预应力钢筋薄壁墩等新型墩台，并且日趋轻型化、柔性化，同时高墩技术也有较大的发展。20 世纪后期，计算机技术的出现为人们解决在桥梁建设中若干复杂力学计算创造了条件，使得一些计算工作量大得惊人的模型分析，得以通过计算机获得解答，在力学计算与分析的基础上，人们进一步能够利用计算机方便地进行与桥梁有关的辅助设计(CAD)，提高了工作效率。如前所述，桥梁工程在 20 世纪得到了长足发展，原因虽然是多方面的，但力学理论的完善及进步却起到了举足轻重的关键作用，这主要体现在以下几个方面：(1)材料力学的进步改进了桥梁建设中材料的使用，并使得人们在和材料科学交叉渗透的过程中发展了许多高性能的复合材料。(2)预应力思想的出现促进了桥梁的发展，导致桥梁恒载在不断地降低，跨度却在不断地增加，外形更加优美，更加与自然和谐。(3)高速计算机的出现使得复杂的力学分析、计算及辅助设计成为可能，特别随着一类功能不一的桥梁结构分析程序的出现，极大地加快了桥梁设计速度，提高了设计质量，缩短了桥梁建设的周期。