桥梁结构中的力学应用
小组成员：王小刚 马琳寒 王泽伟 邓方妍 侯若岩
世界著名大桥
英 国 亨 伯 尔 桥
悉 尼 港 大 桥
中 国 润 扬 长 江 公 路 大 桥
桥梁的组成
桥梁主要由桥跨结构、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，将桥墩、桥台及其基础称为桥 梁的下部结构。
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，与索塔、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。
布鲁克林悬索桥
力学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 在受拉区仍然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。
苏通大桥
世界跨径最长的斜拉桥
力学在桥梁工程中的应用成就
19 世纪中叶，工业革命使 人类进入了工业社会，特 别是在这一时期伴随牛顿 力学的形成、微积分学的 发展及欧洲工业化格局的 形成，使得力学的理论与 实践得到了很大的发展， 如与土木工程建筑有关的 材料力学、结构力学的形 成，造就了桥梁工程建设 的第一次飞跃。英国的不 列颠尼亚箱粱桥、美国的 布鲁克林悬索桥及英国的 福斯悬臂桁架桥等桥梁是 这一时期的杰出代表。
诺曼底大桥，由M.Virlogeux设计，建于1994年。它是一座与当地景观完美协调的斜 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世纪末，诺曼底大桥被授予“20世纪世界最美的桥梁”。
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，为目前世界上 跨度最大的悬索桥。
Tankertanker Design
桥梁的基本类型及其受力
力学在桥梁工程中的应用成就
桥梁工程在20世纪得到了长足发展，力学理论的完善及进步却起到了举足 轻重的关键作用，这主要体现在以下几个方面： (1)材料力学的进步改进了桥梁建设中材料的使用，并使得人们在和材料科 学交叉渗透的过程中发展了许多高性能的复合材料。 (2)预应力思想的出现促进了桥梁的发展，导致桥梁恒载在不断地降低，跨 度却在不断地增加，外形更加优美，更加与自然和谐。 (3)高速计算机的出现使得复杂的力学分析、计算及辅助设计成为可能，特 别随着一类功能不一的桥梁结构分析程序的出现，极大地加快了桥梁设计 速度，提高了设计质量，缩短了桥梁建设的周期。 (4)力学和多学科的交叉渗透成为现代桥梁发展的重要支柱．桥梁在不断的 发展过程中，也在不断地提出若干带有挑战性的工程力学问题，这些问题 的解决绝不是在单一力学领域内就能解决的，而是必须以力学为龙头，借 助于多学科的交叉渗透，所以说力学的这种交叉渗透不但是现代桥梁发展 的重要基础，也是学科乃至学科群交叉发展的一个重要源泉。
力学在桥梁工程中的应用成就
由于初等材料力学及结构力学的发展，导致了跨越能力较强 的悬索桥、斜拉桥的出现．在30年代美国就掀起过大跨度悬 大桥于 1933 年 1 月 5 日开始 索桥的高峰，如美国纽约华盛顿桥施工， ( 跨度为 1067.00m 1937 年4月完工。它 ， 1931年)，旧金山金门大桥(跨度为跨越联接旧金山湾和太平洋 1280.00m，1937年) 的金门海峡，南端连接旧金 等都是这一时期的典型代表。第二次世界大战以后，德国、 山的北端，北端接通加州的 日本曾一度赶上了美国；50年代起，斜拉桥结构在德国初见 马林县。金门大桥的桥墩跨 光芒，并很快波及世界各地；60年代，在日本、丹麦等地出 距长 1280.2 米，建成时曾 是世界上跨距最大的悬索桥， 现了兴建跨海工程的先例。
力学在桥梁工程中的应用成就
• 上述事实及工程实践推动了力学在桥梁工程中的应用，并导致了如桥梁抗 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。 • 随着桥梁上部结构的迅速发展，必然给下部结构提出更高的要求，同时也 提出了更多的力学问题。在力学分析的基础上发展了空心墩、桩柱式墩台、 构架式墩台、框架式墩台、双柱式墩、拼装墩台、预应力钢筋薄壁墩等新 型墩台，并且日趋轻型化、柔性化，同时高墩技术也有较大的发展。 • 20世纪50年代以后，跨江、跨海湾、海峡大桥开始兴建，并以中国、日本 为首大力发展了深水基础技术，如50年代在武汉长江大桥建设中首创的管 柱基础，60年代在南京长江大桥建设中发展的重型沉井、深水钢筋棍凝土 沉井和钢沉井，70年代在九江长江大桥建设中创造的双壁钢围堰钻孔柱基 础，80年代进一步发展的复合基础。在日本，由于本四联络线工程的建设， 近20年来，其次深水技术发展很快，以底下连续墙、设置沉井和无人沉箱 技术最为突出。
桥
墩
桥
台
桥 头 锥 坡
桥梁的基本类型及其受力
梁桥
梁式桥是以受弯为主的主梁作为主 要承重构件的桥梁 。 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，墩台主要承受竖向压力。梁桥 又可分为实腹梁和桁架梁。实腹梁 承受弯矩和剪力；而桁架梁的杆件 则主要承受轴向力。梁桥还可分为 简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁等。
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桥梁的基本类型及其受力
拱桥
拱式桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为主要承重构件的 桥梁。
拱桥主要承重构件是拱圈。在竖向荷载作用下，拱圈主要承受压力， 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。
赵州桥
世界最大的钢拱桥 上海卢浦大桥
桥梁的基本类型及其受力
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。
力学在桥梁工程中的应用成就
多多罗大桥位于日本 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。
刚架桥 刚架桥上部结构和墩台（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，是我国桥梁之最。 引桥采用富有中国特色 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，而不 是直接使用曲线梁。
力学在桥梁工程中的应用成就
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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、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。
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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 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，也使得此类问题的研究更具 重要的意义。
力学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。
桥梁的基本类型及其受力
悬索桥 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(或吊杆)、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 用料省、自重轻等特点悬索桥的主要缺点是刚度小。