张继超
摘要:在全世界的桥梁设计和发展过程中,力学在桥梁的设计中起到核心的作用,随着力学理论知识的逐渐成熟应用于桥梁工程,近代以来,世界桥梁工程发展取得了显著的成绩。文章概述了力学理论在桥梁设计中的应用,分析了力学在桥梁设计中应用的发展趋势,探讨了力学在桥梁工程设计施工中的应用。
关键词:力学;桥梁设计;发展趋势
引言
在桥梁工程上,不同材料具有不同的力学性质,对于不同工程上具有不同的需求,我们可以根据力学性质选择不同种类的材料。其实,对于同种材料的构件或机构,其结构也不尽相同。不同的结构会使得构件或结构整体呈现不同的力学性质。比如,同样是低碳钢的梁,其截面形状不同会使得其抗弯强度不同;在工作原理不变的情况下,改变结构中拉压杆的位置或受力情况,会使得结构在整体稳定性方面有明显改善。因此,研究力学在桥梁设计中的应用具有十分重要的意义。
一、力学理论在桥梁设计中的应用概述
1、材料力学的发展作用巨大。他的作用主要是使桥梁建设中材料的使用更加合理科学,在运用材料力学的过程中,人们通过长期的总结也可以开发出许多新型的材料,这些材料可以进一步在建筑中发挥巨大的作用。
2、预应力思想的出现。这对于桥梁的设计也是有极大作用的。它的作用主要体现在使桥梁恒载不断降低,跨度却在不断增加,这样一来,设计出来的桥梁外形会更加好看,更具和谐性。
3、高速计算机的运用计算机的运用主要体现在设计的复杂计算上。在桥梁的设计中,肯定会有很多复杂的力学分析和计算,通过计算机的运用,使得这样的复杂计算变得十分容易,同时,也极大地节约了桥梁设计的时间。
4、在桥梁的设计过程中,会有很多的带有挑战性的工程力学问题被提出来,要想解决这些复杂的问题,只依靠力学是不够的,要借助于多学科的交叉运用。正是力学的这种交叉渗透成为了现代桥梁设计的基础和核心,对现代桥梁的设计起到了核心的作用。
二、力学在桥梁设计中应用的发展趋势
1、从力学机理的角度来研究,多学科的交叉是一个重要的方面,在此基础上,新型的、高强、甚至超高强工程材料的研究是一个核心的环节,在实际的设计过程中,结构理论的研究上,更符台实际状态的力学分析方法是及其重要的,只有这样,材料潜在的承载力才能过发挥出来。
2、在运用力学进行大跨度桥梁设计的过程中,桥梁风致振动的物理特性和几何非线性动力学原理是值得我们去深入研究的,要充分运用风洞试验模拟,在此基础上,综合空气动力学和物理,几何非线性的研究来为桥梁的设计服务。2l世纪,力学理论和计算机都在飞速发展,在这样的情况下,桥梁的设计工艺和水准肯定会有很大的发展和进步,而且这种进步是建立在充分利用力学的基础之上的。
3、计算机技术突飞猛进,桥梁辅助系统将发挥重要的作用。它在力学结构分析、工程制图、工程概预算数据库上都将是必不可少的。现如今,互联网技术无论在硬件还是软件上的发展都是惊人的,这样的发展趋势也将从根本上解决桥梁设计中的很多问题,同时互联网还有一个好处就是可以实现资源和设计理念的共享,这也为桥梁的设计工作者们提供了巨大的帮助。
4、桥梁施工控制技术在桥梁设计中将发挥重要作用。固体力学的基础理论和数据资料的运用是关键环节,在计算方法和数值仿真技术的研究基础上,无损检测的理论及使用技术得到了发展,对破旧的的桥梁,可以提供準确可靠的评估报告。在设计过程中,一方面,通过控制技术,可以使得桥梁的设计中的误差尽可能的小,减小了误差,不仅可以使桥梁的安全性增加,同时,也节约了成本;另一方面,控制技术的运用可以节约时间成本和人力成本,本来通过大量的人力,需要耗费大量的时间才能完成的设计任务这时就变得非常轻松。
5、在超级跨海大桥的研究中,进一步研究其中存在的力学难题,通过研究为特大型的桥梁结构设计提供施工和技术上的理论知识和保证。
可以预测的是,在现代力学理论的基础上,未来的桥梁建筑领域必定会出现越来越大的设计既美观又实用的桥梁。
三、力学在桥梁工程设计施工中的应用
1、由荷载组合分析结构内力和局部应力
大跨度桥梁结构复杂,设计和施工高度相互作用。如果两种或两种以上原因同时发生,则会出现应力的叠加,其结果使得梁体的应力超过正常使用极限状态的混凝土应力限值,必须以恒载+活载+温度骤降+基础不均匀沉降为控制设计荷载。对大跨度桥梁构件细部也需要精确的应力分析,连续梁桥在顶板配置有横向预应力的情况下,顶板和腹板交接处为控制设计断而,预应力钢筋锚固端的两侧,危险截而要加以验算。以避免局部构造损伤而失效,使桥梁破坏。
2、挠度计算的叠加算法以及力学关系分析
桥梁的挠度计算也是对不同阶段所产生的挠度的叠加,其总值和一次性成桥所产生的挠度值也是有差异的。不同的成桥方式其挠度规律截然不同。施工阶段,其累计挠度能够更准确地体现出桥梁建成以后最终的成桥线形。由此可知,桥梁的施工线形控制需要按照施工阶段累积挠度为依据进行。对于采取悬臂挂篮浇筑施工法,最容易发生的是内力和挠度不相吻合,也就是内力等效的计算方式下算出来的挠度与实际的挠度不一样,挠度不等效,在预计误差范围外。现阶段,对于大跨径的桥梁线形控制,己逐步发展成为施工控制过程中一项非常重要的任务。在桥梁施工过程中必须要考虑其实际内力情况,而且要使得挠度计算合乎要求。
3、有效预应力作用力学计算分析
大跨度桥梁结构中,预应力的大小受到预加力值和预应力筋的形状两个因素的影响。一般情况下,预加力值包括对构件截而本身具有静定的作用,对一些多余的约束有超静定的作用。在分阶段施工的桥梁建筑过程中,常用到的方法包括外力作用法,等效荷载法以及组合截面法。现阶段,对于预应力效应计算方法的选取,都是在原有的对于小型桥梁建设的基础上进行的,而大跨度的桥梁建设,预应力损失很大,其实际结果与计算结果相差较大。
4、施工阶段力学计算的不确定性
施工阶段力学问题不同于桥梁结构设计的力学计算,它具有一定复杂性和不确定性,主要体现在以下两方面:(1)临时支架力学计算,包括基础条件的不确定性、支架连接的不确定性、支架荷载的不确定性;(2)施工状态的力学计算,包括材料特性的不确定性、结构体系的不确定性、施工荷载的不确定性(横向荷载及偶然荷载的影响)、构造细节特性的不确定性。
5、结构体系转换
大跨径桥梁施工过程往往存在体系转换问题。预应力混凝土连续梁、连续刚构或析式组合拱桥,除满堂支架施工外,采用其他施工方法都面临着体系转换这一共同问题,尤其是采用悬臂浇筑或悬臂拼装的多跨大跨度连续结构,都经历最初的静定悬臂刚构状态,然后分阶段合龙为单跨(或多跨)的固端梁、伸臂梁或临时连续刚构等不同体系,最后才合龙为成桥状态的连续梁、连续刚构或析架拱等超静定结构。在体系转换中,除了要计算因施工程序不同、荷载不同而产生的不同施工内力外,还应计及各项次内力,包括施工过程中由于张拉预应力筋引起的次应力和由于温度变化、混凝土徐变、收缩等因素所产生的次内力。当按顺序合龙桥梁形成体系转换时,在合龙梁段上要张拉连续预应力钢束,这些连续束的张拉是在超静定体系上进行的,势必产生由预加力引起的次内力。多次体系转换,加上钢束的预加力沿程分布的变化,计算相当复杂,通常采用等效荷载法,将混凝土与钢束分开来考虑,最后求得预应力对结构的总效应(包括初内力和次内力)。选择体系转换次序时,应该使最终的连续梁(或刚构)体系的恒载内力分布合理,同时还应尽可能地缩小各项次内力的不利影响。在悬臂施工的连续梁中,各项次内力常使跨中區段的正彎矩值有较大幅度的变化。
结束语
通过以上的分析我们知道了力学理论在桥梁设计中的作用,在桥梁的整个设计和具体的施工中都是起到关键作用的。在桥梁的设计思路上,力学的运用可以为桥梁的设计提供保障,保证桥梁设计方案的可行性,这样也就保证了其安全性和耐用性。在未来,我们相信,桥梁设计会更加依赖于力学理论,当然,自然科学是不断在进步的,力学的研究水平也将越来越高,桥梁设计的水平也必将越来越高。
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