桥梁结构中的力学应用21页PPT

桥梁建筑中的物理力学应用作者：王道柱来源：《中学课程辅导·教学研究》2013年第27期物理是一门以应用为主的自然学科，是“来源于生活，又回归到生活中”的实践性和理论性完美结合的科目，是一门极具实践价值的学科。

物理和我们的生活息息相关，在科学发达的现代社会，各种物理知识在生活中的每一个领域扮演着尽善尽美服务于人民大众的使命，科学是推动历史前进的杠杆，科学提出新观念，创造新技术，推动社会发展，物理学本身是和科学技术-社会生产紧密联系的。

下面我就物理中力学在生活实践中的应用作一个归纳总结，在欣赏美轮美奂的物理知识成果同时也激励我们把物理知识的实用性更进一步发扬光大。

力学是每时每刻都在和我们打交道的物理知识，其涉及面之广可谓包罗万象，本文仅从力学中圆周运动知识在生活实践完美结合的典范—桥梁建筑来进行阐述。

主要介绍桥梁结构类型，浅析桥梁的力学原理及优缺点。

以主要的受力构件为基本依据，可分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥、组合桥六大类。

一、梁式桥结构分析：用梁或桁架梁作主要承重结构的桥梁。

其上部结构在铅垂向荷载作用下，支点只产生竖向反力。

梁式桥为桥梁的基本体系之一。

梁式桥又可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。

优点：梁桥建造能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观；缺点：结构本身的自重大，约占全部设计荷载的30%至60%，且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。

二、拱式桥结构分析：拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋，这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力，同时这种水平推力将显著抵消荷载所引起的在拱圈内的弯矩作用。

拱桥的承重结构以受压为主，通常用抗压能力强的圬工材料和钢筋混凝土等来建造拱肋为主要承重构件，受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。

优点：跨越能力较大；能耐久，且养护、维修费用少；外型美观；构造较简单，有利于广泛采用。

缺点：由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造价。

力学在桥梁工程中的应用从20世纪70年代末开始，我国进入了大跨度桥梁建设的迅猛发展期。

现在，长江成河和珠江三大水系上各种大跨度桥梁纷纷建成，海湾桥梁建设也有了良好开端。

发展最为迅速的是斜拉桥，悬索桥建设也跻身国际先进行列。

悬索桥的优点是跨度大，缺点是气动稳定性差，容易“风吹桥晃”，甚至造成破坏。

抗风设计是这一类柔性桥梁建设的关键问题。

为了提高稳定性，需要流体力学方面的精心设计。

悬索桥竟然和流体力学有关，这个事实是经过塔科马峡谷桥(Tacoma Narrow Bridge)风毁事故的惨痛教训才认识到的。

事情要追溯到1940年秋天。

当时，美国在华盛顿州的塔科马峡谷上建造了一座主跨度为853m的悬索桥。

建成方四个月，就碰到了八级风，虽然风速还不到20m/s，但是桥却发生了剧烈的振动，而且振幅越来越大，直至桥面倾斜到45度左右。

最终，因吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而解体，并坠落到峡谷之中。

当时，恰好一个好菜坞的电影队在以该桥为外景拍摄影片，所以记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，这一记录后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。

在为调查这一事故而收集历史资料时，人们惊异地发现，从1818年起到19世纪末，风引起的桥梁振动至少毁坏了11座悬索桥。

第二次世界大战结束后，人们对塔科马桥的风毁事故展开了研究。

一部分航空工程师认为塔科马桥的振动类似于机翼的颠振，并通过桥梁模型的风洞实验重现了这种风致扭转发散振动；与此同时，以冯·卡门为代表的流体力学家则认为，塔科马桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡流脱落，应该用涡激共振机理来解释。

在20世纪五六十年代，两种观点互有争论，直到1963年，美国斯坎伦(R.Scanlan)教授提出了钝体断面的分离流自激颤振理论，才成功地解释了造成塔科马桥风毁的致振机理，并由此奠定丁桥梁颤振的理论幕础。

加拿大教授达文波特(Davenport)则利用随机振动理论，建立了一套桥梁抖振分析方法。