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1、桥梁结构中的力学应用桥梁结构中的力学应用小组成员：连聪李杭洪雨晗呙志强秦艳鹏张迪世界著名大桥英英国国亨亨伯伯尔尔桥桥中中国国润润扬扬长长江江公公路路大大桥桥悉悉尼尼港港大大桥桥 桥梁的组成 桥梁主要由桥跨结构、桥墩、桥台、基础及桥头锥坡等部分组成。通常习惯将桥梁的桥跨称上部结构，将桥墩、桥台及其基础称为桥梁的下部结构。桥桥 墩墩桥桥 台台桥桥 头头 锥锥 坡坡Page 5桥梁的基本类型及其受力桥梁的基本类型及其受力 梁桥梁桥 梁式桥是以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁 。 梁桥的主要承重构件是梁（板）。在竖向荷载作用下，梁主要承受弯矩，墩台主要承受竖向压力。梁桥又可分为实腹梁和桁架梁。实腹
2、梁承受弯矩和剪力；而桁架梁的杆件则主要承受轴向力。梁桥还可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁等。 桥梁的基本类型及其受力桥梁的基本类型及其受力 拱桥拱桥 拱式桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为主要承重构件的桥梁。 拱桥主要承重构件是拱圈。在竖向荷载作用下，拱圈主要承受压力，但 也承受弯矩。拱桥墩台除承受竖向压力和弯矩外，还承受水平推力。赵赵 州州 桥桥世界最大的钢拱桥世界最大的钢拱桥 上海卢浦大桥上海卢浦大桥桥梁的基本类型及其受力桥梁的基本类型及其受力刚架桥刚架桥 刚架桥上部结构和墩台（支柱）彼此连成一个整体，在竖向荷载作刚架桥上部结构和墩台（支柱）彼此连成一个整体，在竖向荷载作用下，柱
3、脚产生竖向反力、水平反力和弯矩。这种桥的受力情况介用下，柱脚产生竖向反力、水平反力和弯矩。这种桥的受力情况介于梁和拱之间。于梁和拱之间。南京长江大桥江面上的正桥长1577米，其余为引桥，是我国桥梁之最。引桥采用富有中国特色的双孔双曲拱桥形式，平面曲线部分采用“曲桥正做”做法，即采用直梁按曲线拼装，而不是直接使用曲线梁。桥梁的基本类型及其受力桥梁的基本类型及其受力 悬索桥 悬桥又称吊桥，以缆索作为承重构件。它由主索、索塔、锚碇、吊索(或吊杆)、桥面等部分组成，在竖向荷载作用下，缆索只承受拉力，墩台除承受竖向反力外，还承受水平推力。主索一般用抗拉强度高的钢材制作，可以充分利用材料的强度，且具有用料
4、省、自重轻等特点悬索桥的主要缺点是刚度小。 背景为日本背景为日本明石海峡大桥明石海峡大桥，主跨主跨1991米，全长米，全长3910米，米，为三跨二铰双层加劲桁梁式为三跨二铰双层加劲桁梁式吊桥，钢桥吊桥，钢桥283米，高出米，高出333米桥宽米桥宽35.5米，双向六车道，米，双向六车道，加劲梁加劲梁14米，抗震强度按米，抗震强度按1/150的频率，承受的频率，承受8.5级强级强烈地震设计，为目前世界上烈地震设计，为目前世界上跨度最大的悬索桥。跨度最大的悬索桥。Tankertanker Design桥梁的基本类型及其受力桥梁的基本类型及其受力 斜拉桥 它由主梁、斜拉紧主梁的钢索以及支承钢索的索塔等
5、部分组成。斜拉桥的钢索拉成直线，与索塔、桥面(主梁)构成稳定的三角形结构；与具有多个桥墩的连续梁桥对照，一根(对)斜拉索就是代替一个桥墩的(弹性)支点，故主梁同弹性支承上的连续梁性能相似，其刚度比悬索桥大，而主梁跨径一般介于梁式桥与悬索桥之间。苏通大桥苏通大桥 世界跨径最世界跨径最长的长的斜拉桥斜拉桥力学在桥梁工程中力学在桥梁工程中的的应用成就应用成就 19世纪中叶，工业革命使人类进入了工业社会，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，如与土木工程建筑有关的材料力学、结构力学的形成，造就了桥梁工程建设的第一次飞跃。英国的不
6、列颠尼亚箱粱桥、美国的布鲁克林悬索桥及英国的福斯悬臂桁架桥等桥梁是这一时期的杰出代表。布鲁克林悬索桥布鲁克林悬索桥力学在桥梁工程中力学在桥梁工程中的的应用成就应用成就 20世世纪纪初初期期，西西方方工工业业社社会会的的空空前前发发展展，力力学学研研究究的的进进步步及及相相关关学学科科的的发发展展导导致致高高强强度度钢钢材材、钢钢筋筋混混凝凝土土乃乃至至预预应应力力混混凝凝土土等材料的出现，实现桥梁工程发展史上的第等材料的出现，实现桥梁工程发展史上的第二二次飞跃次飞跃。 根根据据初初等等材材料料力力学学的的结结论论，混混凝凝土土抗抗拉拉强强度度很很低低，但但其其价价格格却却远远低低于于钢钢材材，
7、人人们们设设计计了了既既能能受受拉拉又又能能受受压压的的钢钢筋筋混混凝凝土土这这类类复复合合建建筑筑材材料料，将将其其作作为为粱粱式式桥桥结结构构用用材材，跨跨度度仍仍远远逊逊色色于于传传统的拱桥结构统的拱桥结构。 在在进进一一步步实实践践过过程程中中，人人们们又又发发现现尽尽管管有有受受力力钢钢筋筋在在承承载载，但但在在受受拉拉区区仍仍然然不不可可避避免免地地会会出出现现一一些些裂裂缝缝，这这一一弊弊端端导导致致了了预预应应力力混混凝凝土土桥桥梁梁结结构构的的出出现现，并并使使之之成成为为了了20世世纪纪桥桥梁梁工工程程中的一类主要结构中的一类主要结构。力学在力学在桥桥梁工程中梁工程中的的应
8、应用成就用成就 由于初等材料力学及结构力学的发展，导致了跨越能力较强的悬索桥、斜拉桥的出现在30年代美国就掀起过大跨度悬索桥的高峰，如美国纽约华盛顿桥(跨度为1067.00m， 1931年)，旧金山金门大桥(跨度为1280.00m，1937年)等都是这一时期的典型代表。第二次世界大战以后，德国、日本曾一度赶上了美国；50年代起，斜拉桥结构在德国初见光芒，并很快波及世界各地；60年代，在日本、丹麦等地出现了兴建跨海工程的先例。大桥于1933年1月5日开始施工，1937年4月完工。它跨越联接旧金山湾和太平洋的金门海峡，南端连接旧金山的北端，北端接通加州的马林县。金门大桥的桥墩跨距长1280.2米，
9、建成时曾是世界上跨距最大的悬索桥，宽度27.5米，双向共6条行车线，桥身呈褐红色，金门大桥拥有世界第四高的桥塔，高达227.4米，全桥总长度是2737.4米。力学在桥梁工程中的应用成就多多罗大桥位于日本濑户内海，连接广岛县的生口岛及爱媛县的大三岛之间。大桥于1999年竣工，同年5月1日启用，最高桥塔224米钢塔，主跨长890米，是当时世界上最长的斜拉桥，连引道全长为1480米，四线行车，并设行人及自行车专用通道。诺曼底大桥，由M.Virlogeux设计，建于1994年。它是一座与当地景观完美协调的斜拉桥，以其细长的结构和典雅的造型而著称。主跨856米，为混合梁，其中624米为钢梁，其它为混凝土
10、梁；边跨全部为混凝土梁，用顶推法施工。这是二十世纪桥梁建筑设计的典型例子。20世纪末，诺曼底大桥被授予“20世纪世界最美的桥梁”。力学在桥梁工程中力学在桥梁工程中的的应用成就应用成就 桥桥梁梁结结构构的的稳稳定定性性研研究究也也是是在在桥桥梁梁发发展展过过程程中中产产生生的的一一个个新新的的力力学学应应用用研研究究分分支支，它它与与桥桥梁梁所所承承受受的的某某些些动动荷荷载载有有关关，如如风风载载、地地震震等等是是力力学学在在桥桥梁梁工工程程中中应应用用的的一一大大进进步步，也也是是关关系系到到其其经经济济与与安安全全的的主主要要问问题之一题之一。 近近年年来来，由由于于大大跨跨度度桥桥梁梁建
11、建设设日日益益广广泛泛地地采采用用高高强强度度材材料料和和薄薄壁壁结结构构，以以及及世世界界上上曾曾有有过过不不少少桥桥梁梁因因失失稳稳而而丧丧失失承承载载能能力力的的事事故故，也也使使得得此此类类问问题题的的研研究究更更具重要的意义具重要的意义。力学在力学在桥桥梁工程中梁工程中的的应应用成就用成就1907年，由于设计师特奥多罗库帕库帕的过份自信而忽略了对桥梁重量的精确计算，导致加拿大的魁北克(Quebec)桥在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲失稳，最后全部坍塌澳大利亚墨尔本附近的西门(West Gate)桥，于1970年在架设拼拢整孔左右两半(截面)钢箱梁时。由于上翼板在跨中央失稳，导致
12、l12m的整跨全部倒塌风的颤振引起的强烈的非线性动力学作用也是导致桥梁破坏的一类原因。1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的Tacoma悬索桥在不到20m/s的8级大风作用下发生了强烈的风振而严重破坏。曾一度引起了桥梁工程界的震惊，促使人们认识到风对桥梁的作用，是一种不可忽视的力学作用。地震一类与地球构造运动密切相关的自然现象，同样也是造成桥梁失稳的一类重要荷载，1971年2月9日发生在美国圣费南多，震级为M6.7级的地震，就曾导致了城市高层建筑、桥梁倒塌及生命线工程的破坏。力学在桥梁工程中力学在桥梁工程中的的应用成就应用成就上上述述事事实实及及工工程程实实践践推推动动了了力力学学在在桥桥梁
13、梁工工程程中中的的应应用用，并并导导致致了了如如桥桥梁梁抗抗震学、结构风工程学、桥梁振动等有关交叉学科的诞生和发展震学、结构风工程学、桥梁振动等有关交叉学科的诞生和发展。随随着着桥桥梁梁上上部部结结构构的的迅迅速速发发展展，必必然然给给下下部部结结构构提提出出更更高高的的要要求求，同同时时也也提提出出了了更更多多的的力力学学问问题题。在在力力学学分分析析的的基基础础上上发发展展了了空空心心墩墩、桩桩柱柱式式墩墩台台、构构架架式式墩墩台台、框框架架式式墩墩台台、双双柱柱式式墩墩、拼拼装装墩墩台台、预预应应力力钢钢筋筋薄薄壁壁墩墩等等新新型墩台，并且日趋轻型化、柔性化，同时高墩技术也有较大的发展。
14、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世世纪纪50年年代代以以后后，跨跨江江、跨跨海海湾湾、海海峡峡大大桥桥开开始始兴兴建建，并并以以中中国国、日日本本为为首首大大力力发发展展了了深深水水基基础础技技术术，如如50年年代代在在武武汉汉长长江江大大桥桥建建设设中中首首创创的的管管柱柱基基础础，60年年代代在在南南京京长长江江大大桥桥建建设设中中发发展展的的重重型型沉沉井井、深深水水钢钢筋筋棍棍凝凝土土沉沉井井和和钢钢沉沉井井，70年年代代在在九九江江长长江江大大桥桥建建设设中中创创造造的的双双壁壁钢钢围围堰堰钻钻孔孔柱柱基基础础，80年年代代进进一一步步发发展展的的复复
15、合合基基础础。在在日日本本，由由于于本本四四联联络络线线工工程程的的建建设设，近近20年年来来，其其次次深深水水技技术术发发展展很很快快，以以底底下下连连续续墙墙、设设置置沉沉井井和和无无人人沉沉箱箱技术最为突出技术最为突出。力学在桥梁工程中的应用成就 桥梁工程在20世纪得到了长足发展，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。 (
16、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。 (4)力学和多学科的交叉渗透成为现代桥梁发展的重要支柱桥梁在不断的发展过程中，也在不断地提出若干带有挑战性的工程力学问题，这些问题的解决绝不是在单一力学领域内就能解决的，而是必须以力学为龙头，借助于多学科的交叉渗透，所以说力学的这种交叉渗透不但是现代桥梁发展的重要基础，也是学科乃至学科群交叉发展的一个重要源泉。LOGO力学在桥梁工程中力学在桥梁工程中的的应用成就应用成就 可以预见，在现代力学理论强有力的支持下，大量的、更现代化、更轻巧、更优美，同时承载能力更强、跨度更长、功能更丰富的新型桥梁将在新世纪展现在人们眼前。谢谢观赏！
