桥梁结构中的力学应用专题教学讲座学习教案.pptx

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1、会计学 1桥梁(qioling)结构中的力学应用专题教学讲座第一页，共18页。世界(shji)著名大桥英国(yn u)亨伯尔桥中国润扬长江公路(gngl)大桥悉尼港大桥第1页/共18页第二页，共18页。桥梁 桥梁(qioling)(qioling)的组成 的组成 桥梁主要由桥跨结构 桥梁主要由桥跨结构(jigu)(jigu)、桥墩、桥台、基础及桥头锥坡等部分组成。、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 通常习惯将桥梁的桥跨称上部结构(jigu)(jigu)，将桥墩、桥台及其基础称为，将桥墩、桥台及其基础称为桥梁的下部结构 桥梁的下部结构(jigu)(jigu)。

2、桥 墩 桥 台 桥 头 锥 坡第2页/共18页第三页，共18页。桥梁的基本 桥梁的基本(jbn)(jbn)类型及其受力 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 梁式桥是以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁 承重构件的桥梁。梁桥的主要承重构件是梁（板）。在 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，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 墩台主要承受竖向压力。梁桥又可分为 分为(fn wi)(fn wi)实腹梁和桁架梁。实 实腹梁和桁架梁。实腹梁承受弯矩和剪力；而桁架梁的 腹梁承受弯矩和剪力；而桁架梁的杆件则主要承受轴向力。梁桥

3、还可 杆件则主要承受轴向力。梁桥还可分为 分为(fn wi)(fn wi)简支梁桥、连续梁桥 简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁等。和悬臂梁等。第3页/共18页第四页，共18页。桥梁 桥梁(qioling)(qioling)的基本类型及其受力 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 拱式桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈 称为主拱圈)作为主要 作为主要(zh(zh yo)yo)承重构件的桥梁。承重构件的桥梁。拱桥主要 拱桥主要(zh(zh yo)yo)承重构件是拱圈。在竖向荷载作用下，拱圈主要 承重构件是拱圈。在竖向荷载作用下，拱圈主要(zh(zh yo)yo)承受压 承受

4、压力，但 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。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 州 桥世界最大的钢拱桥(gngqio)上海卢浦大桥第4页/共18页第五页，共18页。桥梁的基本(jbn)类型及其受力刚架桥 刚架桥上部结构(jigu)和墩台（支柱）彼此连成一个整体，在竖向荷载作用下，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。南京长江大桥江面上的正桥长1577米，其余为引桥(ynqio)，是我国桥梁之最。引桥(ynqio)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

5、不是直接使用曲线梁。第5页/共18页第六页，共18页。桥梁 桥梁(qioling)(qioling)的基本类型及其受力 的基本类型及其受力 悬索桥 悬索桥 悬桥又称吊桥，以缆索作为承重构件。它由主索、索塔、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 锚碇、吊索(或吊杆 或吊杆)、桥面等部分组成，在竖向荷载作、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 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 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 充分利用材料的强度，

6、且具有(jy(jy u)u)用料省、自重轻 用料省、自重轻等特点悬索桥的主要缺点是刚度小。等特点悬索桥的主要缺点是刚度小。背景为日本明石海峡大桥，主跨1991 米，全长3910 米，为三跨二铰双层加劲桁梁式吊桥，钢桥 283 米，高出333 米桥宽35.5 米，双向六车道，加劲梁14 米，抗震强度按1/150 的频率，承受8.5 级强烈地震设计，为目前(mqin)世界上跨度最大的悬索桥。第6页/共18页第七页，共18页。桥梁的基本 桥梁的基本(jbn)(jbn)类型及其受力 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部分组成。斜拉桥的钢索拉成直线(zhxin)，与索塔

7、、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(d qio)世界跨径最长的斜拉桥第7页/共18页第八页，共18页。力学力学(l xu)(l xu)在桥梁工程中的应用成就在桥梁工程中的应用成就 19 19世 世纪 纪中 中叶 叶，工 工业 业革 革命 命使 使人 人类 类进 进入 入了 了工 工业 业社 社会 会，特 特别 别是 是在 在这 这一 一时 时期 期伴 伴随 随牛 牛顿 顿力 力学 学的 的形 形成 成、微 微积 积分

8、 分学 学的 的发 发展 展及 及欧 欧洲 洲工 工业 业化 化格 格局 局的 的形 形成 成，使 使得 得力 力学 学的 的理 理论 论与 与实 实践 践得 得到 到了 了很 很大 大的 的发 发展 展，如 如与 与土 土木 木工 工程 程建 建筑 筑有 有关 关的 的材 材料 料力 力学 学、结 结构 构力 力学 学的 的形 形成 成，造 造就 就了 了桥 桥梁 梁工 工程 程建 建设 设的 的第 第一 一次 次飞 飞跃 跃。英 英国 国的 的不 不列 列颠 颠尼 尼亚 亚箱 箱粱 粱桥 桥、美 美国 国的 的布 布鲁 鲁克 克林 林悬 悬索 索桥 桥及 及英 英国 国的 的福 福斯 斯悬

9、 悬臂 臂(xunb)(xunb)桁 桁架 架桥 桥等 等桥 桥梁 梁是 是这 这一 一时 时期的杰出代表。期的杰出代表。布鲁克林悬索桥第8页/共18页第九页，共18页。力学(l xu)在桥梁工程中的应用成就 20世纪初期，西方工业社会的空前发展，力学研究的进步及相关学科的发展导致高强度钢材、钢筋混凝土乃至预应力混凝土等材料的出现，实现桥梁工程发展史上的第二次飞跃。根据初等材料力学的结论，混凝土抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，人们设计了既能受拉又能受压的钢筋混凝土这类复合建筑材料，将其作为粱式桥结构用材，跨度仍远逊色于传统的拱桥结构。在进一步实践过程中，人们又发现尽管有受力钢筋在承载，但在

10、受拉区仍然(rngrn)不可避免地会出现一些裂缝，这一弊端导致了预应力混凝土桥梁结构的出现，并使之成为了20世纪桥梁工程中的一类主要结构。第9页/共18页第十页，共18页。力学在桥梁工程中的应用 力学在桥梁工程中的应用(yngyng)(yngyng)成就 成就 由 由于 于初 初等 等材 材料 料力 力学 学及 及结 结构 构力 力学 学的 的发 发展 展，导 导致 致了 了跨 跨越 越能 能力 力较 较强 强的 的悬 悬索 索桥 桥、斜 斜拉 拉桥 桥的 的出 出现 现 在 在30 30年 年代 代美 美国 国(mi(mi u)u)就 就掀 掀起 起过 过大 大跨 跨度 度悬 悬索 索桥 桥

11、的 的高 高峰 峰，如 如美 美国 国(mi(mi u)u)纽 纽约 约华 华盛 盛顿 顿桥 桥(跨 跨度 度为 为1067.00m 1067.00m，1931 1931年 年)，旧 旧金 金山 山金 金门 门大 大桥 桥(跨 跨度 度为 为1280.00m 1280.00m，1937 1937年 年)等 等都 都是 是这 这一 一时 时期 期的 的典 典型 型代 代表 表。第 第二 二次 次世 世界 界大 大战 战以 以后 后，德 德国 国、日 日本 本曾 曾一 一度 度赶 赶上 上了 了美 美国 国(mi(mi u)u)；50 50年 年代 代起 起，斜 斜拉 拉桥 桥结 结构 构在 在德

12、 德国 国初 初见 见光 光芒 芒，并 并很 很快 快波 波及 及世 世界 界各 各地 地；60 60年 年代，在日本、丹麦等地出现了兴建跨海工程的先例。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(lin ji)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，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。第10页/共18页第十一页，共18页。力学

13、 力学(l xu)(l xu)在桥梁工程中的应用成就 在桥梁工程中的应用成就多多罗大桥位于(wiy)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(jn un)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

14、末，诺曼底大桥被授予“20世纪世界最美的桥梁”。第11页/共18页第十二页，共18页。力学(l xu)在桥梁工程中的应用成就 桥 梁 结 构 的 稳 定 性 研 究 也 是 在 桥 梁发 展 过 程 中 产 生 的 一 个 新 的 力 学应 用 研 究 分 支，它 与 桥 梁 所 承 受的 某 些 动 荷 载 有 关，如 风 载、地震 等 是 力 学 在 桥 梁 工 程 中 应 用 的一 大 进 步，也 是 关 系 到 其 经 济 与安全的主要问题(wnt)之一。近 年 来，由 于 大 跨 度 桥 梁 建 设 日益 广 泛 地 采 用 高 强 度 材 料 和 薄 壁结 构，以 及 世 界 上

15、曾 有 过 不 少 桥梁 因 失 稳 而 丧 失 承 载 能 力 的 事 故，也 使 得 此 类 问 题(wnt)的 研 究 更具重要的意义。第12页/共18页第十三页，共18页。力学(l xu)在桥梁工程中的应用成就 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(jngqu)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

16、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(bk)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。第13页/共18页第十四页，共18页。力学在桥梁工程中的应用(yngyng)成就n n 上 上 述 述 事 事 实 实 及 及 工 工 程 程 实 实 践 践 推 推 动 动

17、了 了 力 力 学 学 在 在 桥 桥 梁 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 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。学、结构风工程学、桥梁振动等有关交叉学科的诞生和发展。n n 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。

18、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 型 墩 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。台，并且日趋轻型化、柔性化，同时高墩技术也有较大的发展。n n 20 20 世 世 纪 纪 50 50 年 年 代 代 以 以 后 后，跨 跨 江

19、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 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 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

20、筋 筋 棍 棍 凝 凝 土 土 沉 沉 井 井 和 和钢 钢 沉 沉 井 井，70 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 80 年 年代 代 进 进 一 一 步 步 发 发 展 展 的 的 复 复 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 20 年 年 来 来，其 其 次 次(qc)(qc)深 深 水 水 技

21、 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 技 术 术 最 最为突出。为突出。第14页/共18页第十五页，共18页。力学(l xu)在桥梁工程中的应用成就 桥 桥梁 梁工 工程 程在 在20 20世 世纪 纪得 得到 到了 了长 长足 足发 发展 展，力 力学 学理 理论 论的 的完 完善 善及 及进 进步 步却 却起 起到 到了 了举 举足 足轻 轻重 重的 的关 关键 键作用，这主要体现在以下几个方面：作用，这主要体现在以下几个方面：(1)(1)材 材料 料力 力学

22、 学的 的进 进步 步改 改进 进了 了桥 桥梁 梁建 建设 设中 中材 材料 料的 的使 使用 用，并 并使 使得 得人 人们 们在 在和 和材 材料 料科 科学 学交 交叉 叉渗 渗透 透的过程中发展了许多高性能的复合材料。的过程中发展了许多高性能的复合材料。(2)(2)预 预应 应力 力思 思想 想的 的出 出现 现促 促进 进了 了桥 桥梁 梁的 的发 发展 展，导 导致 致桥 桥梁 梁恒 恒载 载在 在不 不断 断地 地降 降低 低，跨 跨度 度却 却在 在不 不断 断地增加，外形更加优美，更加与自然和谐。地增加，外形更加优美，更加与自然和谐。(3)(3)高 高速 速计 计算 算机

23、机的 的出 出现 现使 使得 得复 复杂 杂的 的力 力学 学分 分析 析、计 计算 算及 及辅 辅助 助设 设计 计成 成为 为可 可能 能，特 特别 别随 随着 着一 一类 类功 功能 能不 不一 一的 的桥 桥梁 梁结 结构 构分 分析 析程 程序 序的 的出 出现 现，极 极大 大地 地加 加快 快了 了桥 桥梁 梁设 设计 计速 速度 度，提 提高 高了 了设 设计 计质 质量，缩短了桥梁建设的周期。量，缩短了桥梁建设的周期。(4)(4)力 力学 学和 和多 多学 学科 科的 的交 交叉 叉渗 渗透 透成 成为 为现 现代 代桥 桥梁 梁发 发展 展的 的重 重要 要支 支柱 柱 桥

24、 桥梁 梁在 在不 不断 断的 的发 发展 展过 过程 程中 中，也 也在 在不 不断 断地 地提 提出 出若 若干 干带 带有 有挑 挑战 战性 性的 的工 工程 程力 力学 学问 问题 题，这 这些 些问 问题 题的 的解 解决 决绝 绝不 不是 是在 在单 单一 一力 力学 学领 领域 域内 内就 就能 能解 解决 决的 的，而 而是 是必 必须 须以 以力 力学 学为 为龙 龙头 头，借 借助 助于 于多 多学 学科 科的 的交 交叉 叉渗 渗透 透，所 所以 以说 说力 力学 学的 的这 这种 种交 交叉 叉渗 渗透 透不 不但 但是 是现 现代 代桥 桥梁 梁发 发展 展的 的重 重要 要基 基础 础，也 也是 是学 学科 科乃 乃至 至学 学科 科群 群交 交叉 叉发 发展的一个 展的一个(y)(y)重要源泉。重要源泉。第15页/共18页第十六页，共18页。力学在桥梁工程中的应用力学在桥梁工程中的应用(yngyng)(yngyng)成就成就 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(qng qio)、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。第16页/共18页第十七页，共18页。谢谢(xi xie)观赏！第17页/共18页第十八页，共18页。