力學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張繼超

摘要：在全世界的橋梁設(shè)計(jì)和發(fā)展過程中，力學(xué)在橋梁的設(shè)計(jì)中起到核心的作用，隨著力學(xué)理論知識(shí)的逐漸成熟應(yīng)用于橋梁工程，近代以來，世界橋梁工程發(fā)展取得了顯著的成績。文章概述了力學(xué)理論在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析了力學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢，探討了力學(xué)在橋梁工程設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：力學(xué);橋梁設(shè)計(jì);發(fā)展趨勢

引言

在橋梁工程上，不同材料具有不同的力學(xué)性質(zhì)，對于不同工程上具有不同的需求，我們可以根據(jù)力學(xué)性質(zhì)選擇不同種類的材料。其實(shí)，對于同種材料的構(gòu)件或機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)也不盡相同。不同的結(jié)構(gòu)會(huì)使得構(gòu)件或結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)不同的力學(xué)性質(zhì)。比如，同樣是低碳鋼的梁，其截面形狀不同會(huì)使得其抗彎強(qiáng)度不同;在工作原理不變的情況下，改變結(jié)構(gòu)中拉壓桿的位置或受力情況，會(huì)使得結(jié)構(gòu)在整體穩(wěn)定性方面有明顯改善。因此，研究力學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

一、力學(xué)理論在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用概述

1、材料力學(xué)的發(fā)展作用巨大。他的作用主要是使橋梁建設(shè)中材料的使用更加合理科學(xué)，在運(yùn)用材料力學(xué)的過程中，人們通過長期的總結(jié)也可以開發(fā)出許多新型的材料，這些材料可以進(jìn)一步在建筑中發(fā)揮巨大的作用。

2、預(yù)應(yīng)力思想的出現(xiàn)。這對于橋梁的設(shè)計(jì)也是有極大作用的。它的作用主要體現(xiàn)在使橋梁恒載不斷降低，跨度卻在不斷增加，這樣一來，設(shè)計(jì)出來的橋梁外形會(huì)更加好看，更具和諧性。

3、高速計(jì)算機(jī)的運(yùn)用計(jì)算機(jī)的運(yùn)用主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的復(fù)雜計(jì)算上。在橋梁的設(shè)計(jì)中，肯定會(huì)有很多復(fù)雜的力學(xué)分析和計(jì)算，通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，使得這樣的復(fù)雜計(jì)算變得十分容易，同時(shí)，也極大地節(jié)約了橋梁設(shè)計(jì)的時(shí)間。

4、在橋梁的設(shè)計(jì)過程中，會(huì)有很多的帶有挑戰(zhàn)性的工程力學(xué)問題被提出來，要想解決這些復(fù)雜的問題，只依靠力學(xué)是不夠的，要借助于多學(xué)科的交叉運(yùn)用。正是力學(xué)的這種交叉滲透成為了現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心，對現(xiàn)代橋梁的設(shè)計(jì)起到了核心的作用。

二、力學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用的發(fā)展趨勢

1、從力學(xué)機(jī)理的角度來研究，多學(xué)科的交叉是一個(gè)重要的方面，在此基礎(chǔ)上，新型的、高強(qiáng)、甚至超高強(qiáng)工程材料的研究是一個(gè)核心的環(huán)節(jié)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)理論的研究上，更符臺(tái)實(shí)際狀態(tài)的力學(xué)分析方法是及其重要的，只有這樣，材料潛在的承載力才能過發(fā)揮出來。

2、在運(yùn)用力學(xué)進(jìn)行大跨度橋梁設(shè)計(jì)的過程中，橋梁風(fēng)致振動(dòng)的物理特性和幾何非線性動(dòng)力學(xué)原理是值得我們?nèi)ド钊胙芯康模浞诌\(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M，在此基礎(chǔ)上，綜合空氣動(dòng)力學(xué)和物理，幾何非線性的研究來為橋梁的設(shè)計(jì)服務(wù)。2l世紀(jì)，力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)都在飛速發(fā)展，在這樣的情況下，橋梁的設(shè)計(jì)工藝和水準(zhǔn)肯定會(huì)有很大的發(fā)展和進(jìn)步，而且這種進(jìn)步是建立在充分利用力學(xué)的基礎(chǔ)之上的。

3、計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，橋梁輔助系統(tǒng)將發(fā)揮重要的作用。它在力學(xué)結(jié)構(gòu)分析、工程制圖、工程概預(yù)算數(shù)據(jù)庫上都將是必不可少的?，F(xiàn)如今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無論在硬件還是軟件上的發(fā)展都是驚人的，這樣的發(fā)展趨勢也將從根本上解決橋梁設(shè)計(jì)中的很多問題，同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)還有一個(gè)好處就是可以實(shí)現(xiàn)資源和設(shè)計(jì)理念的共享，這也為橋梁的設(shè)計(jì)工作者們提供了巨大的幫助。

4、橋梁施工控制技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中將發(fā)揮重要作用。固體力學(xué)的基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)資料的運(yùn)用是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在計(jì)算方法和數(shù)值仿真技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，無損檢測的理論及使用技術(shù)得到了發(fā)展，對破舊的的橋梁，可以提供準(zhǔn)確可靠的評(píng)估報(bào)告。在設(shè)計(jì)過程中，一方面，通過控制技術(shù)，可以使得橋梁的設(shè)計(jì)中的誤差盡可能的小，減小了誤差，不僅可以使橋梁的安全性增加，同時(shí)，也節(jié)約了成本;另一方面，控制技術(shù)的運(yùn)用可以節(jié)約時(shí)間成本和人力成本，本來通過大量的人力，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間才能完成的設(shè)計(jì)任務(wù)這時(shí)就變得非常輕松。

5、在超級(jí)跨海大橋的研究中，進(jìn)一步研究其中存在的力學(xué)難題，通過研究為特大型的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供施工和技術(shù)上的理論知識(shí)和保證。

可以預(yù)測的是，在現(xiàn)代力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，未來的橋梁建筑領(lǐng)域必定會(huì)出現(xiàn)越來越大的設(shè)計(jì)既美觀又實(shí)用的橋梁。

三、力學(xué)在橋梁工程設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用

1、由荷載組合分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力和局部應(yīng)力

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工高度相互作用。如果兩種或兩種以上原因同時(shí)發(fā)生，則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的疊加，其結(jié)果使得梁體的應(yīng)力超過正常使用極限狀態(tài)的混凝土應(yīng)力限值，必須以恒載+活載+溫度驟降+基礎(chǔ)不均勻沉降為控制設(shè)計(jì)荷載。對大跨度橋梁構(gòu)件細(xì)部也需要精確的應(yīng)力分析，連續(xù)梁橋在頂板配置有橫向預(yù)應(yīng)力的情況下，頂板和腹板交接處為控制設(shè)計(jì)斷而，預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端的兩側(cè)，危險(xiǎn)截而要加以驗(yàn)算。以避免局部構(gòu)造損傷而失效，使橋梁破壞。

2、撓度計(jì)算的疊加算法以及力學(xué)關(guān)系分析

橋梁的撓度計(jì)算也是對不同階段所產(chǎn)生的撓度的疊加，其總值和一次性成橋所產(chǎn)生的撓度值也是有差異的。不同的成橋方式其撓度規(guī)律截然不同。施工階段，其累計(jì)撓度能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)出橋梁建成以后最終的成橋線形。由此可知，橋梁的施工線形控制需要按照施工階段累積撓度為依據(jù)進(jìn)行。對于采取懸臂掛籃澆筑施工法，最容易發(fā)生的是內(nèi)力和撓度不相吻合，也就是內(nèi)力等效的計(jì)算方式下算出來的撓度與實(shí)際的撓度不一樣，撓度不等效，在預(yù)計(jì)誤差范圍外?，F(xiàn)階段，對于大跨徑的橋梁線形控制，己逐步發(fā)展成為施工控制過程中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。在橋梁施工過程中必須要考慮其實(shí)際內(nèi)力情況，而且要使得撓度計(jì)算合乎要求。

3、有效預(yù)應(yīng)力作用力學(xué)計(jì)算分析

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力的大小受到預(yù)加力值和預(yù)應(yīng)力筋的形狀兩個(gè)因素的影響。一般情況下，預(yù)加力值包括對構(gòu)件截而本身具有靜定的作用，對一些多余的約束有超靜定的作用。在分階段施工的橋梁建筑過程中，常用到的方法包括外力作用法，等效荷載法以及組合截面法?，F(xiàn)階段，對于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算方法的選取，都是在原有的對于小型橋梁建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而大跨度的橋梁建設(shè)，預(yù)應(yīng)力損失很大，其實(shí)際結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差較大。

4、施工階段力學(xué)計(jì)算的不確定性

施工階段力學(xué)問題不同于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)計(jì)算，它具有一定復(fù)雜性和不確定性，主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）臨時(shí)支架力學(xué)計(jì)算，包括基礎(chǔ)條件的不確定性、支架連接的不確定性、支架荷載的不確定性;（2）施工狀態(tài)的力學(xué)計(jì)算，包括材料特性的不確定性、結(jié)構(gòu)體系的不確定性、施工荷載的不確定性（橫向荷載及偶然荷載的影響）、構(gòu)造細(xì)節(jié)特性的不確定性。

5、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

大跨徑橋梁施工過程往往存在體系轉(zhuǎn)換問題。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或析式組合拱橋，除滿堂支架施工外，采用其他施工方法都面臨著體系轉(zhuǎn)換這一共同問題，尤其是采用懸臂澆筑或懸臂拼裝的多跨大跨度連續(xù)結(jié)構(gòu)，都經(jīng)歷最初的靜定懸臂剛構(gòu)狀態(tài)，然后分階段合龍為單跨（或多跨）的固端梁、伸臂梁或臨時(shí)連續(xù)剛構(gòu)等不同體系，最后才合龍為成橋狀態(tài)的連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或析架拱等超靜定結(jié)構(gòu)。在體系轉(zhuǎn)換中，除了要計(jì)算因施工程序不同、荷載不同而產(chǎn)生的不同施工內(nèi)力外，還應(yīng)計(jì)及各項(xiàng)次內(nèi)力，包括施工過程中由于張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的次應(yīng)力和由于溫度變化、混凝土徐變、收縮等因素所產(chǎn)生的次內(nèi)力。當(dāng)按順序合龍橋梁形成體系轉(zhuǎn)換時(shí)，在合龍梁段上要張拉連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼束，這些連續(xù)束的張拉是在超靜定體系上進(jìn)行的，勢必產(chǎn)生由預(yù)加力引起的次內(nèi)力。多次體系轉(zhuǎn)換，加上鋼束的預(yù)加力沿程分布的變化，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開來考慮，最后求得預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的總效應(yīng)（包括初內(nèi)力和次內(nèi)力）。選擇體系轉(zhuǎn)換次序時(shí)，應(yīng)該使最終的連續(xù)梁（或剛構(gòu)）體系的恒載內(nèi)力分布合理，同時(shí)還應(yīng)盡可能地縮小各項(xiàng)次內(nèi)力的不利影響。在懸臂施工的連續(xù)梁中，各項(xiàng)次內(nèi)力常使跨中區(qū)段的正彎矩值有較大幅度的變化。

結(jié)束語

通過以上的分析我們知道了力學(xué)理論在橋梁設(shè)計(jì)中的作用，在橋梁的整個(gè)設(shè)計(jì)和具體的施工中都是起到關(guān)鍵作用的。在橋梁的設(shè)計(jì)思路上，力學(xué)的運(yùn)用可以為橋梁的設(shè)計(jì)提供保障，保證橋梁設(shè)計(jì)方案的可行性，這樣也就保證了其安全性和耐用性。在未來，我們相信，橋梁設(shè)計(jì)會(huì)更加依賴于力學(xué)理論，當(dāng)然，自然科學(xué)是不斷在進(jìn)步的，力學(xué)的研究水平也將越來越高，橋梁設(shè)計(jì)的水平也必將越來越高。

參考文獻(xiàn)

[1]郭彤，李愛群，李兆霞，韓曉林;大跨橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法研究進(jìn)展[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）;2004年05期

[2]張建仁;龔文俊;劉揚(yáng);;混凝土連續(xù)梁橋使用期的時(shí)變體系可靠度計(jì)算[J];長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào);2006年03期

[3]張建仁，劉揚(yáng).結(jié)構(gòu)可靠度理論及其在橋梁工程中的應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社.2003.

[4]李建勛.關(guān)于對道路橋梁設(shè)計(jì)及其施工的分析[J].商品與質(zhì)量：學(xué)術(shù)觀察，2012.

[5]林亞超，王邦楣.鐵路橋梁工程技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 橋梁建設(shè). 2015（01）