工程力学在桥梁施工中的巧妙应用与分析

  摘 要：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下的社会生产力的发展，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飞速发展，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，作简要的回顾、剖析和展望。

  关键词：工程力学；桥梁建设；应用与剖析

 

  根据最新的调查报告表明，现阶段有关桥梁的分类方式有以下几种：（一）按体系分类（二）按跨径分类（三）按跨越障碍物的性质分类（四）按跨越方式分类（五）按施工方式分类（六）按桥面位置分类（七）按主要承重结构所用材料分类

  1.1 按体系分类

从结构体系方面对桥梁进行分类实质上是以桥梁结构中的力学应用为切入点进行分类的，通过对桥梁主要的受力结构进行分析，可知桥梁可以分为梁式桥、拱式桥、钢架桥、悬索桥以及组合体系桥五大类。

  1.2 按跨径分类

  按桥梁跨径分类的方法是桥梁建筑行业的一种管理模式或手段，这种分类方法并没有足够的空间去展示或反馈出桥梁工程设计和工程力学原理应用的复杂性。其中，L>1000m、Lk>150m 的为特大桥，100m<=L<=1000m、40m<=Lk<=150m 的为大桥 ，30m<=L<=100m、20m<=Lk<40m 的 是 中 桥 ，8m<=L<=30m、5m<=Lk<20m的是小桥。

  1.3 按跨越障碍物的性质分类

  按跨越障碍物的性质可以将桥梁分为跨河桥、跨线桥（立体交叉桥）、栈桥和高架桥。

  1.4 按跨越方式分类

  通过跨越方式进行分类的话，桥梁可以被分为开启桥、漫水桥、浮桥和固定式桥四类。

  1.5 按施工方式分类

  按施工的方式方法进行分类，混凝土结构的桥梁可以分为整体施工桥梁和节段式施工桥梁。

  1.6 按桥面位置分类

  桥梁还可以因桥面位置的不同而进行分类，例如，桥面置在桥垮结构上面的被称为上承式桥；桥面置在桥垮结构下面的被称为下承式桥；而桥面置在桥垮结构中间的则被称为中承式桥。

  1.7 按主要承重结构所用材料分类

  承重结构所用的材料不同也可以作为桥梁分类的一种依据，通过对承重结构所用材料的分类，可以使得桥梁划分为木桥、圬工桥（包括石头、砖块、混凝土桥）、钢桥、预应力钢筋混凝土桥和简单的钢筋混凝土桥等。

  （1）梁式桥，梁作为承重结构主要以其抗弯能力来承受荷载，根据其结构可分为简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥等，站在工程力学的角度上分析，简支梁只能承受弯力不能承受轴向力，而且跨越度也有限，所以尽量避免这种桥梁方式设计，而连续桥梁或悬臂桥梁因为有了中间支架支撑还可以承担一部分内力，从而增加跨越度。（2）拱式桥，它是用拱圈或拱肋为承重结构的桥，大部分为圆弧形，和梁式桥有着明显的区别。同时因为它的跨越度大，“颜值”也够高，造价较为合理，在桥梁建设中占据了重要地位。它的受力特点是内力为轴向压力，因为拱是弯的，在荷载的作用下拱圈或拱肋内部会产生弯矩作用，同时桥面、桥墩、桥台三者的力作用之后会产生一个水平推力，而这个推力正好与拱的弯矩力抵消，把桥面弯矩变为拱桁架的轴向压力。（3）桁架梁桥，它算是一种用桁架为主要承重结构的梁式桥，主要由主桥梁、桥门架、桥面系以及中间横撑架构成。受力是非常复杂的，在工程力学中，桁架只在两端受力，所承受的荷载都是通过其他杆件传到结点上，这很大程度的减少了结点的刚性对杆件内力的影响，在分析桁架受力中还需要注意的一点是，如果杆件截面高度与长度较大的桁架，就必须考虑节点刚性引起的杆件次应力，同时在桁架桥的设计中，大跨度桥架的桥高会沿着跨径方向变化，从而形成曲弦桁架，例如九江铁路公路桥就是以桁架为主建立的桥梁，它于1993年1月16日建成，是目前中国最长、工程量最大的铁路、公路两用桥。该桥长度1806米，10个桥墩，11孔钢梁，中间一孔最大跨度达216米。（4）"S"型钢桥，杭州湾跨海大桥是一座横跨杭州湾整个海域的跨海大桥，整体宏伟壮观不说，整个桥身还呈现出"S"的形状，这种设计一方面是引入了"长桥卧波"的美学理念，增加桥梁的美观性，另一方面还是考虑到力学的原理，由于"S"形本身的弯度，在潮涨和潮退时可以避免同时受力，这对桥本身来说是一种保护，另外可以使水平方向的力互相抵消，从而增强桥梁整体的稳固性，总之这是一种既实用又美观的设计方式。还有杭州的G20峰会会场的空中花园顶棚支架梁呈倒”V”字形设计，也是用了这一力学原理。

  通过上文的介绍，我们可以清晰地感受到，桥梁工程建设的飞速发展与工程力学的不断进步是紧密相连且不可分割的，而且随着社会审美意识的不断增强，再加上人类对事物精益求精的态度不断提升，桥梁建设在追求质量强度的同时也在外形上不断取得新突破，例如，逐渐变得轻巧和纤细。这也就要求我们必须时刻保持学习的态度，去探索具有更大跨度、更高强度和更高层次的新型桥梁。展望未来，工程力学在桥梁建设中的应用应主要集中在以下几方面：一）研究拥有更高性能的桥梁建设复合材料。众所周知，钢筋混凝土的出现是世界桥梁建设发展的一大里程碑，它提高了桥梁的承载力、减轻了自身的重量、解决了结构内部内力不平衡等问题，由此可见，新型复合材料的出现会在桥梁建设的过程中起到承上启下的重要作用。因此，进一步研究新型的、高强度的桥梁工程材料是先阶段桥梁建设中势在必得的新目标。（二）使力学与其它学科更好的融合，并发挥出更高的能量。纵观桥梁的发展史，带有挑战性的力学问题层出不穷，并且这些问题不单单是依靠力学领域中的研究就可以解决的，因此，在新的时代号召下，我们应该倡导一种以力学为主、其它学科为辅、多学科相互渗透交叉学习的新型研究模式，充分发挥各学科的优势，争取早日研究出新型的桥梁设计方法。（三）进入21世纪以后，科学计算机的发展可谓是有目共睹。随着科学计算机的飞速发展，它开始越来越多的渗透到人类的生活中并且变得缺其不可。例如桥梁CAD将成为集力学结构分析、工程制图、工程预算数据库为一体的专家系统。由于现成Internet 技术在硬件和软件上的飞速发展，将从根本上改变传统的桥梁设计方式，并促进桥梁设计以极快的速度迈向桥梁设计的网络时代，实现资源的共享。

 

[1] 李胜利,王东炜,朱永领.桥梁工程施工力学与一般力学的比较[J].中州大学学报,2005(2):104~106.

[2] 刘旭红,董军.力学在桥梁工程中的应用及发展趋势[J].西南林学院学报,2000(3):186~190.

[3] 柯红军.桥梁工程专业力学课程教学现状分析及改革思考[J].中国电力教育,2011(16):120~121.