結構力學在公路設計中的應用

崔耀臻

摘 要：公路是交通運輸方式之一，我國公路按照交通量大小可分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路，高速公路和一級公路稱為高等級公路。近年來高速公路迅猛發展，形成了四通八達，縱橫交錯，連接城市景區的密集網絡，縣與縣之間基本都通高速公路。公路由路基、隧道、橋梁、涵洞等組成，受地理、地質、地形、地貌自然環境影響，結構形式多種多樣，在設計階段要對各個部位進行受力分析，穩定性驗算，確保車輛在行駛過程中安全、舒適、快捷。

關鍵詞：結構力學;公路設計;交通運輸

1 公路組成構件常用的形式

公路組成構件中常用的有板、柱、梁、拱、行架、繩索、墩、墻等，它們形狀各異，車輛等荷載是通過路面直接或間接傳遞到構件上。處在公路組成的各個構件中，因高度、跨度和作用的不同，形成平面立體的空間布局，發揮著各自的作用，包含同一構件中各個部位受力也不盡相同，有些部位受拉力，有些部位受壓力，有些部位受剪力，有些部位受彎矩，有些部位受扭矩影響，受力的作用后就會產生變形，在設計時要對結構的重要構件、重要節點和特殊截面進行受力分析，對構件的變形和穩定性進行驗算，使它的變形在規定允許范圍之內，穩定性安全可靠，這就要用到結構力學。

2 構件的支撐狀況分析

首先，確定具有代表性的重要構件，對構件的支撐進行分析。要看某一構件是單點支撐還是兩點支撐，或者是多點支撐，分析它的支撐點在哪里，是剛性支撐還是柔性支撐，支撐點的確定對受力計算的準確性起著非常重要的作用，支撐點的形式不同，力的計算方法和構件的變形狀況也就不同，所以要認真確定支撐點是柔性支撐還是剛性支撐。支撐點確定后就把構件理想化，進行受力計算和變形計算。既要考慮局部構件的支撐，也要考慮整體結構的支撐，按照支撐的不同，構件可分為懸臂構件，簡支構件，連續簡支構件，剛性構件，連續剛性構件，它們的受力和變形的計算方法是各不相同的。

3 構件的受力情況分析

接下來就要對構件的受力情況進行分析。組成公路的構件，一般體積都比較大，重量也很大，如混凝土構件、鋼筋混凝土構件、鋼結構構件、土體結構、漿砌塊石結構和其它污工構件，這些構件本身就是公路受力的組成部分，這個力也就是構件的自重，它是基本不變的，是靜止不動的，長期固定存在的，稱為靜荷載。靜荷載大小可以通過構件的體積和密度計算出來。同時，公路上行駛著大大小小不同的車輛，這些車輛除了載重量不同外，每個車輛的輪胎數量也不完全相同，而且是行駛著的，一會在這里，一會在那里，是動態的，這種荷載叫動荷載。動荷載比較復雜，根據公路的特點和車輛的分布不同，公路部門制定出車輛多種標準荷載，在計算動荷載時，按照公路等級和預測交通量大小套用相應的車輛標準荷載就可以確定下來。除自重荷載和車輛荷載，還要考慮其它荷載的影響，如人畜、風力、共振、雨雪和水壓及其沖擊力等對公路組成構件的作用。

4 結構穩定性計算

確定了構件支撐和所受荷載，就可以進行整體結構、重要構件、重要節點和特截面的受力計算，一般計算力的最大值，或者說是構件所能承受的極限值，如最大拉力、最大壓力、最大剪力、最大彎矩、最大扭矩等，這些計算量是非常大的，計算時要不怕麻煩，認真仔細，不能出差錯，一般要計算兩次進行核對，確保計算出來的力的大小數據準確無誤。根據這些力的大小，進行配置鋼筋，然后進行變形和穩定性驗算，檢驗構件是否滿足有關規范和標準要求，變形是否超標，穩定性是否可靠，如果不滿足，就需要適當調整截面尺寸和配筋，再進行驗算，反復調整截面尺寸和配筋，直到滿足規范和標準要求為止。變形和穩定性驗算，既要驗算局部構件，也要對整體結構進行驗算，保證整體結構安全可靠。

5 設計成果采用

經過計算驗證結構整體和各個部位是穩定的，就可以說明整個結構是安全的，在設計中就可以采用，也可以作為圖集，在同等級公路的設計中直接使用，只需對基礎和地基作不同的處理。

公路設計必須安全，施工質量是保證設計成果的重要環節，只有嚴格按照設計要求和施工規范進行施工，使施工質量完全達到設計要求，才能真正體現出設計的安全性和可靠性。

6 設計成果的監測

在公路建成投入營運之后，對重要結構和重要構件進行監控，是檢驗設計成果的重要手段，如對橋梁墩臺的沉降觀測，對橋梁、懸臂梁和板變形數據的測量，對擋土墻位移數值的監控等。對等級較高跨度較大造型特殊的橋梁，要進行承載實驗，在橋面上布置車型不同、載重量不同、位置不同的車輛，進行靜態和動態觀測，檢測一些構件的位移和變形是否滿足設計要求。在公路使用初期，對公路各個部位跟蹤監測一段時間，用測量出的數據，與設計值分析對比，看是否在設計和規范允許范圍之內，及時發現問題采取應對措施，確保公路的使用安全。

7 結束語

現實中，公路在使用過程中出問題的時有發生，如橋梁的側梁在車輛行駛中側翻，橋梁在洪水沖擊下垮塌等，這些都是設計過程中考慮因素不足，對變形和穩定性驗算不周造成的結果，應當引起高度重視。

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