力學在橋梁設計中的應用

張繼超

摘要：在全世界的橋梁設計和發展過程中，力學在橋梁的設計中起到核心的作用，隨著力學理論知識的逐漸成熟應用于橋梁工程，近代以來，世界橋梁工程發展取得了顯著的成績。文章概述了力學理論在橋梁設計中的應用，分析了力學在橋梁設計中應用的發展趨勢，探討了力學在橋梁工程設計施工中的應用。

關鍵詞：力學;橋梁設計;發展趨勢

引言

在橋梁工程上，不同材料具有不同的力學性質，對于不同工程上具有不同的需求，我們可以根據力學性質選擇不同種類的材料。其實，對于同種材料的構件或機構，其結構也不盡相同。不同的結構會使得構件或結構整體呈現不同的力學性質。比如，同樣是低碳鋼的梁，其截面形狀不同會使得其抗彎強度不同;在工作原理不變的情況下，改變結構中拉壓桿的位置或受力情況，會使得結構在整體穩定性方面有明顯改善。因此，研究力學在橋梁設計中的應用具有十分重要的意義。

一、力學理論在橋梁設計中的應用概述

1、材料力學的發展作用巨大。他的作用主要是使橋梁建設中材料的使用更加合理科學，在運用材料力學的過程中，人們通過長期的總結也可以開發出許多新型的材料，這些材料可以進一步在建筑中發揮巨大的作用。

2、預應力思想的出現。這對于橋梁的設計也是有極大作用的。它的作用主要體現在使橋梁恒載不斷降低，跨度卻在不斷增加，這樣一來，設計出來的橋梁外形會更加好看，更具和諧性。

3、高速計算機的運用計算機的運用主要體現在設計的復雜計算上。在橋梁的設計中，肯定會有很多復雜的力學分析和計算，通過計算機的運用，使得這樣的復雜計算變得十分容易，同時，也極大地節約了橋梁設計的時間。

4、在橋梁的設計過程中，會有很多的帶有挑戰性的工程力學問題被提出來，要想解決這些復雜的問題，只依靠力學是不夠的，要借助于多學科的交叉運用。正是力學的這種交叉滲透成為了現代橋梁設計的基礎和核心，對現代橋梁的設計起到了核心的作用。

二、力學在橋梁設計中應用的發展趨勢

1、從力學機理的角度來研究，多學科的交叉是一個重要的方面，在此基礎上，新型的、高強、甚至超高強工程材料的研究是一個核心的環節，在實際的設計過程中，結構理論的研究上，更符臺實際狀態的力學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揮出來。

2、在運用力學進行大跨度橋梁設計的過程中，橋梁風致振動的物理特性和幾何非線性動力學原理是值得我們去深入研究的，要充分運用風洞試驗模擬，在此基礎上，綜合空氣動力學和物理，幾何非線性的研究來為橋梁的設計服務。2l世紀，力學理論和計算機都在飛速發展，在這樣的情況下，橋梁的設計工藝和水準肯定會有很大的發展和進步，而且這種進步是建立在充分利用力學的基礎之上的。

3、計算機技術突飛猛進，橋梁輔助系統將發揮重要的作用。它在力學結構分析、工程制圖、工程概預算數據庫上都將是必不可少的。現如今，互聯網技術無論在硬件還是軟件上的發展都是驚人的，這樣的發展趨勢也將從根本上解決橋梁設計中的很多問題，同時互聯網還有一個好處就是可以實現資源和設計理念的共享，這也為橋梁的設計工作者們提供了巨大的幫助。

4、橋梁施工控制技術在橋梁設計中將發揮重要作用。固體力學的基礎理論和數據資料的運用是關鍵環節，在計算方法和數值仿真技術的研究基礎上，無損檢測的理論及使用技術得到了發展，對破舊的的橋梁，可以提供準確可靠的評估報告。在設計過程中，一方面，通過控制技術，可以使得橋梁的設計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，也節約了成本;另一方面，控制技術的運用可以節約時間成本和人力成本，本來通過大量的人力，需要耗費大量的時間才能完成的設計任務這時就變得非常輕松。

5、在超級跨海大橋的研究中，進一步研究其中存在的力學難題，通過研究為特大型的橋梁結構設計提供施工和技術上的理論知識和保證。

可以預測的是，在現代力學理論的基礎上，未來的橋梁建筑領域必定會出現越來越大的設計既美觀又實用的橋梁。

三、力學在橋梁工程設計施工中的應用

1、由荷載組合分析結構內力和局部應力

大跨度橋梁結構復雜，設計和施工高度相互作用。如果兩種或兩種以上原因同時發生，則會出現應力的疊加，其結果使得梁體的應力超過正常使用極限狀態的混凝土應力限值，必須以恒載+活載+溫度驟降+基礎不均勻沉降為控制設計荷載。對大跨度橋梁構件細部也需要精確的應力分析，連續梁橋在頂板配置有橫向預應力的情況下，頂板和腹板交接處為控制設計斷而，預應力鋼筋錨固端的兩側，危險截而要加以驗算。以避免局部構造損傷而失效，使橋梁破壞。

2、撓度計算的疊加算法以及力學關系分析

橋梁的撓度計算也是對不同階段所產生的撓度的疊加，其總值和一次性成橋所產生的撓度值也是有差異的。不同的成橋方式其撓度規律截然不同。施工階段，其累計撓度能夠更準確地體現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進行。對于采取懸臂掛籃澆筑施工法，最容易發生的是內力和撓度不相吻合，也就是內力等效的計算方式下算出來的撓度與實際的撓度不一樣，撓度不等效，在預計誤差范圍外。現階段，對于大跨徑的橋梁線形控制，己逐步發展成為施工控制過程中一項非常重要的任務。在橋梁施工過程中必須要考慮其實際內力情況，而且要使得撓度計算合乎要求。

3、有效預應力作用力學計算分析

大跨度橋梁結構中，預應力的大小受到預加力值和預應力筋的形狀兩個因素的影響。一般情況下，預加力值包括對構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。現階段，對于預應力效應計算方法的選取，都是在原有的對于小型橋梁建設的基礎上進行的，而大跨度的橋梁建設，預應力損失很大，其實際結果與計算結果相差較大。

4、施工階段力學計算的不確定性

施工階段力學問題不同于橋梁結構設計的力學計算，它具有一定復雜性和不確定性，主要體現在以下兩方面：（1）臨時支架力學計算，包括基礎條件的不確定性、支架連接的不確定性、支架荷載的不確定性;（2）施工狀態的力學計算，包括材料特性的不確定性、結構體系的不確定性、施工荷載的不確定性（橫向荷載及偶然荷載的影響）、構造細節特性的不確定性。

5、結構體系轉換

大跨徑橋梁施工過程往往存在體系轉換問題。預應力混凝土連續梁、連續剛構或析式組合拱橋，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結構，都經歷最初的靜定懸臂剛構狀態，然后分階段合龍為單跨（或多跨）的固端梁、伸臂梁或臨時連續剛構等不同體系，最后才合龍為成橋狀態的連續梁、連續剛構或析架拱等超靜定結構。在體系轉換中，除了要計算因施工程序不同、荷載不同而產生的不同施工內力外，還應計及各項次內力，包括施工過程中由于張拉預應力筋引起的次應力和由于溫度變化、混凝土徐變、收縮等因素所產生的次內力。當按順序合龍橋梁形成體系轉換時，在合龍梁段上要張拉連續預應力鋼束，這些連續束的張拉是在超靜定體系上進行的，勢必產生由預加力引起的次內力。多次體系轉換，加上鋼束的預加力沿程分布的變化，計算相當復雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開來考慮，最后求得預應力對結構的總效應（包括初內力和次內力）。選擇體系轉換次序時，應該使最終的連續梁（或剛構）體系的恒載內力分布合理，同時還應盡可能地縮小各項次內力的不利影響。在懸臂施工的連續梁中，各項次內力常使跨中區段的正彎矩值有較大幅度的變化。

結束語

通過以上的分析我們知道了力學理論在橋梁設計中的作用，在橋梁的整個設計和具體的施工中都是起到關鍵作用的。在橋梁的設計思路上，力學的運用可以為橋梁的設計提供保障，保證橋梁設計方案的可行性，這樣也就保證了其安全性和耐用性。在未來，我們相信，橋梁設計會更加依賴于力學理論，當然，自然科學是不斷在進步的，力學的研究水平也將越來越高，橋梁設計的水平也必將越來越高。

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