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1、桥梁中的结构原理摘要：随着经济和社会的发展，人们对于交通发达程度的依赖性逐渐加大，而在交通建 设工程中，桥梁无疑是其中的重要组成部分。在公路、铁路、城市和农村道路以及水利 建设中，为了跨越各种障碍（如江河，沟谷或者其他线路等），必须修建各种类型的桥 梁，可见桥梁在国计民生中的重要作用。对于一座桥梁，桥梁的结构设计过程无疑又是 至关重要的，它关乎到整座桥梁的施工、使用、造价等诸多方面。本文就桥梁设计中的 结构原理从力学方面做简要分析。关键词：桥梁 结构 力学原理 引用：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
2、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。正文：随着文化、科学和经济的不断发展，桥梁建设经历了从小跨度、形式简单到大 跨度、结构复杂的发展阶段。随着新技术、新材料、新工艺的不断应用，以及桥梁上作 用荷载研究的不断深入，人们对桥梁中的力学研究也得以得以加深。我们将从桥梁上作 用的力与各种形式桥梁的具体受力特点以及医用作简要分析。一、桥梁上作用的力1、集中力与集中荷载集中力与集中荷载指的是作用面积很小或者其作用面积与结构或者构件相比可 以忽略不计的力，通常可以视为作用于一个点上。如桥上的行人，车辆，重物， 桥支座的反力均
3、可视为集中荷载。（如下图所示）2、分布力与分布荷载分布力与分布荷载指的是作用面积较大或其作用面积与结构及构件尺寸相比不可忽略时，则可视为作用于一个有限面上的分布荷载。如桥梁的自重、桥台的填土压力、桥墩的水流压力等均可视为分布荷载。（如下图所示）3、约束反力桥梁结构中每一部分总是与其它部分或其它物体相联系的。譬如桥梁的梁体通 过支座与墩台相联联接。由于支座对梁体具有一定的约束作用，故而称为梁体 的约束，支座对梁体的作用反力称为约束反力。（如 1 中约束反力示意图所示） 二、各式桥梁中的力学分析1、梁式桥梁式桥梁是最古老的结构体系，也是最广泛的桥梁形式，其特点是在竖直荷载 作用下无水平推力。梁作为
4、承重结构是以它的抗弯能力来承受载荷的。梁式桥 又分为简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥等。简支梁和连续梁桥是使用最广泛的 类型。简支梁是指梁的两端分别为铰支（固定）端与活动端的单跨梁式桥。连 续梁桥是指桥跨结构连续跨越两个以上桥孔的梁式桥。由于结构刚度大，经济 性好，预应力混凝土梁式桥是最常采用的结构形式。对简支梁桥（如下图1）来说，设跨度为L,把桥自重看着均布荷载q,则中间 弯矩MmaxJqL2,不难看出跨度L越长，桥梁由于自重而产生的最大弯矩越大，8所以，一般的混凝土桥梁的跨度都较小。而对于连续梁桥（如下图 3）来说， 在桥梁中巧妙安排约束的个数与位置，则可以很好的改善桥梁整体的受力情况， 从而
5、增强了桥梁的使用性能。hDa (JB * 3连统梁桥上图为乐天溪桥，跨越长江支流乐天溪口处，是一座预应力混凝土连续梁桥，。乔跨度 440.35m，宽 15.5m。2、拱式桥拱式体系的主要承重结构是拱，其特点是竖直荷载作用下有水平推力。设计合 理的拱主要以承受压力为主承受荷载，而承受的剪力和弯矩很小，采用合理拱 轴线的拱甚至可以为零。从而可以使用抗压性能强而抗弯性能差的材料（如砖， 石，混凝土）建造桥梁，从而可以大大的节省建造成本，最大限度的发挥出材 料的性能，使得材料得以合理的利用。竖向荷载作用下，令 M0-FHy=0， 得到y=M，这就表明，在竖向荷载作用下，FH三铰拱合理拱轴线的纵坐标y与
6、对应简支梁Mo图的竖标成正比。从几何形状看, 三铰合理拱轴线的形状与简支梁M0图的形状是相似的。三铰拱通过一水平推力, 将弯矩以化为压力或者是大部分转化为压力。这就是拱区别于梁的最大之处即 存在水平推力，在相同荷载作用下，拱的弯矩小于梁的弯矩，拱的弯矩还可以 为零。从而达到上文中所叙述的可以把抗压性能好的材料作用到桥中，从而使 得材料得到最合理的应用。下图所示为重庆万县长江大桥，全长856.12m，主拱为混凝土结构，主跨420m，是世界上最大跨径的混凝土拱桥。3、钢桁架桥桁架桥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
7、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。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（比如现在比较多的高速公路桥梁采用这种形式），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”。桁架是由若干直杆用铰连接而组成的几何不变体系，其特点是: 1）所有结点都是光滑铰结点。 2）各杆的轴
8、线都是直线并通过铰链中心。 3）荷 载和支座反力均作用在结点上。由于以上特点，桁架的各杆只受轴力作用，使 得材料充分利用。符合上述特点的桁架称为理想桁架。实际工程中的桁架并不 完全符合上述特点。但是，桁架主要受轴力作用，所以可以利用小尺度的杆件 制作出大跨度的桥梁，也可以制作屋架、托架、建筑物施工用的支架等。不但 节省了材料，还减轻了重量。4、斜拉桥斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是 由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉 索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度， 减轻了结构重量，节省了材料。桥上的荷载主要
9、通过拉索传递，其中，拉索的水平力由梁承受，而竖直方 向的力由塔柱承受，如果取一根拉索与桥梁间的结点进行分析，可将拉索上的 力分解在水平方向和竖直方向，水平方向使梁产生轴力，而竖直方向则可以与 梁上受到的荷载平衡，这样可将所有荷载都转化到塔柱上，多了水平力，但是 这个水平力转化为梁的轴力，对大多说建筑材料而言，承受轴力的能力是很强 的，通过这种转化，使得梁体内弯矩减小，减轻了结构重量，节省了材料。而 且比梁式桥的跨越能力更大，是现代桥梁设计中的主要形式之一。南京三桥全长约15.6公里，其中跨江大桥长4744 米，主桥为跨径648 米的双塔双索面钢塔钢箱梁斜拉桥，桥塔采用钢结构，为国内第一座钢塔斜
10、拉桥，也是世界上第一座 弧线形钢塔斜拉桥）5、悬索桥悬索桥，又名吊桥（suspension bridge）指的是以通过索塔悬挂并锚固于 两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁。 其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许 多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组 合体系，以减小活载所引起的挠度变形。（如下图所示）悬索桥的原理是，通过吊杆把桥面上的荷载拉力传给承重的索主缆，主 缆再传给主塔。整座桥由主缆通过锚碇吊在塔柱上，就像两根柱子上通 过地锚桩吊一根强大的绳子，绳子上则挂了很多重物一样。其缆索几何 形状由力的平衡条件决定，一般
11、接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把 桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以 减小活载所引起的挠度变形。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。日本的明石海峡大桥是世界上最高、最长、造价最昂贵的悬索桥。钢桥塔高为 297m，是世界上最高的桥塔。用钢桁式加劲梁，横截面尺寸为35.5mx14.0m。其梁高比其它任何一座悬索桥都高。（如下图）结束语：综上所述，桥梁结构的优化设计，是以强大而又坚实的力学分 析为基础的，合理的力学结构设计，既能使得桥梁工程满足各种现实使 用的条件需要，也得能够满足施工条件，在这同时也得尽可能的使得材 料得到合理运用，尽可能的满足工程造价的要求，由此课件对于工程来 说，结构力学分析有着举足轻重的地位。作为土木工程专业的我们来说，更应该注重结构力学以及其他专业知识 的学习，从而为将来从事结构设计打下坚实的理论基础，能够在将来的 从业中设计建造出安全、耐用、经济、可靠的工程！
