浅谈桥梁工程与结构力学

浅谈桥梁工程与结构力学

梁桢

土木工程与力学学院地质工程专业2班 2011级

摘要：桥梁工程的发展与力学的进步是紧密相联的，而且是互相促进的：随着经济的发

展，建筑材料、设备、建桥技术也有了很快的发展，特别是电子计算技术的广泛应用加

快了人们对桥梁力学问题的研究，极大地推动了桥梁力学的发展；同时，桥梁力学的研

究成果也使桥梁的设计、施工及管理水平得到了进一步的提高。

关键词：桥梁、力学、发展、现状

一、引言

在原始时代就已经出现了桥梁，那时跨越水道和峡谷是利用自然倒下的树木，自然形成的石梁或石拱，虽然还不具备造桥的能力，但已经知道利用桥梁为生活创造方便。在17世纪以前，桥梁一般是用的木、石材料建造的，并按建桥材料分为石桥和木桥。19世纪50年代以后，随着酸性转炉炼钢和平炉炼钢技术的发展，钢材成为重要的造桥材料，钢的抗拉强度大，抗冲击性能好，尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材，为桥的部件在厂内组装创造了条件，钢材应用日益广泛。因为只是凭经验修桥，曾使19世纪80-90年代得许多铁路桥发生重大事故;从那时起，正在发展中的结构力学理论得到了重视，在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后，桥梁因强度不足而造成的事故大为减少。到了现代，桥梁按建桥材料可分为预应力钢筋混凝土桥、钢筋混凝土桥。混凝土抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，为了增加其抗拉能力，设计了钢筋混凝土这类复合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受压力，但限于混凝土材料本身所具有的力学性能，将其作为梁式桥结构用材，跨度仍远逊色于传统的拱桥结构。而预应力钢筋混凝土桁架拱桥：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，若对钢筋施加一定的张力作用，可以克服此弊端，即通过张拉预应力筋，使得受拉区事先储备一定数值的压应力，当外荷载作用时，混凝土可不出现拉应力或不超过某个临界值的拉应力，从而极大地提高了混凝土结构的抗裂性能，刚度和承载能力，进而导致了预应力混凝土桥梁结构的出现。

二．桥梁建设简述与发展趋向

1、国外桥梁建设简述和发展趋向

纵观国外桥梁建设发展的历史，对于促进和发展现代桥梁有深远影响的，是继意大利文艺复兴后18世纪在英国、法国和其他西欧国家兴起的工业革命。它推动了工业的发展，从而也促进了桥梁建筑技术方面空前的发展。

1855年起，发共建造了第一批应用水泥砂浆砌筑的石拱桥。法国谢儒奈教授在拱桥结构、拱圈

砌筑方法以及减少圬工裂缝等方面的研究和改进，对现代石拱桥的发展起了重要作用。大约在1870年，德国建造了第一批采用硅酸盐水泥作为胶结材料的混凝土拱桥。之后，在20世纪初，法国建成的戴拉卡混凝土箱形拱桥跨度达139.80m。目前最大跨度的石拱桥是1946年瑞典建成党的绥依纳松特桥，跨度为155m。

钢筋混凝土桥的崛起，要追溯到1873年法国的约瑟夫莫尼尔首创建成的一座拱式人行桥。由于有石拱桥的技术和建筑艺术为基础，加之钢筋混凝土突出的受压性能，所以钢筋混凝土拱桥的兴起，一开始就引人注目。从19世纪末到20世纪50年代间，钢筋混凝土拱桥无论在跨越能力、结构体系和主拱圈的截面形式上均有很大的发展。法国费莱西奈教授设计，于1930年建成的三孔186m拱桥和1943年瑞典建造的跨径264m的桑独桥，均达到了很高的技术水平。后者作为此种拱桥的跨度记录，一直保持到1964年澳大利亚悉尼港柏拉马塔河桥的问世。1980年，在南斯拉夫用无支架悬臂施工方法建造了跨度达390m的克尔克大桥，突破了305米的前世界纪录。

国外在发展钢筋混凝土拱桥的同时，也修建了一些钢筋混凝土梁式桥，但限于材料本身所固有的力学特性，梁式桥的跨径远逊于拱桥。直至1928年法国著名工程师费莱西奈经过20年研究，是预应力混凝土技术付诸实施后，新颖的预应力混凝土桥梁首先在法国和德国以异乎寻常的速度发展起来。德国最早用悬臂法建造预应力混凝土桥梁，特别是在1952年成功得地莱茵河上的沦姆斯桥（跨度为101.65m+114.20m+104.20m，具有跨中剪力铰的T形刚构桥）后，这个方法就传播到全世界。10年后莱茵河上另一座本道尔夫桥的问世，将预应力混凝土桥的跨度推进到208m，是悬臂施工技术日臻完善。目前，世界上跨度最大的连续刚构桥为1998年建成的挪威斯托尔马桥，主跨301m，桥跨布置为94m+301m+72m。

世界上第一座具有钢筋混凝土主梁的斜拉桥，是1925年在西班牙修建的跨域坦波尔河的水道桥（主跨60.35m）。1962年在委内瑞拉成功地建成了宏伟的马拉卡波湖大桥，为现代跨度预应力混凝土斜拉桥的蓬勃发展开辟了道路。该桥的主跨为235m，桥跨布置为160m+5×235m+160m。1995年建成的法国诺曼底大桥，为混合式斜拉桥，主跨856m。目前世界上跨径最大的斜拉桥，为1999年建成的日本多多罗桥，主梁为钢箱梁，主跨达890m。

吊桥是能够充分发挥钢材优越性能的一种桥型。美国在19世纪50年代从法国引进了近代吊桥技术后，于19世纪70年代发明了“空中架线法”编纺桥缆。1937年建成的旧金山金门大桥，主跨1280.2m，保持了27年桥梁最大跨径的世界纪录。目前已建成桥梁中最大跨径的桥梁，为1998年建成的日本明石海峡大桥，全长3910m,主跨达1991m。

从以上桥梁建设简述可以看出，近年来的桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展，但桥梁的载重、跨长却不断增长。为适应社会生产力发展所提出的愈来愈高的要求，需要建造大量的承受更大荷载，跨越海湾、大江等跨径和总长更大的桥梁。这必然推动桥梁结构向高强、轻型、大跨度的方向发展。为此，在建筑材料上，需研究更符合实际状态的力学分析方法与新的设计理论，充分发挥结构潜在的承受力，充分利用建筑材料的强度，力求工程结构的安全度更为科学和可靠；在大跨度桥梁的设计中，会愈来愈重视空气动力学、振动、稳定、疲劳、非线性等科研成果的应用，并广泛应用计算机辅助设计；在施工上，力求高度机械化、工厂化、自动化；在工程管理上，则力争高度科学化、自动化。

2、国内桥梁建设简述与发展趋向

在距今约三千年时，我国就已在宽阔的渭河上架过大型浮桥，其具有简便快捷的特点，被广泛用于军事活动。汉唐以后，浮桥的运用日趋普遍。在秦汉时期，已广泛修建石梁桥。世界上现在上保存着的最长、工程最艰巨的石梁桥，是我国于公元1053年-1059年在福建泉州建造的万安桥。此桥长达800m，共47孔，位于“波涛汹涌，水深不可址”的海口江面上。此桥以磐石铺遍桥位江底，是近代筏形基础的开端；并且独具匠心地用养殖海生牡蛎的方法胶固桥基，使之成为整体，是世界上绝无仅有的造桥方法。

我国拱桥有着悠久的历史。举世闻名的河北省赵县的赵州桥，是我国古代石拱桥的杰出代表。该桥是一座空腹式的圆弧形石拱桥，净跨37.02m，宽9m，拱矢高7.23m。在拱圈两肩各设有两个跨度不等的腹拱，这样既能减轻自重、节省材料，又能便于排泄、增加美感。

近年来，在拱桥的施工技术方面，除了有支架施工外，对于打垮拱桥，目前广泛采用无支架施工、转体施工、刚性骨架施工法等。1997年建成的万县长江大桥，使用钢管混凝土劲性骨架作为拱架施工的箱形拱桥，全长856.12m，主跨为420m，跨径居目前世界同类型桥梁之冠。

钢筋混凝土与预应力混凝土的梁式桥，在我国也获得了很大发展。对于中小跨径的桥梁，已广泛采用装配式的钢筋混凝土及预应力混凝土板式或T形梁桥的定型设计，不但经济适用，并且施工方便，能加快建桥速度。目前，我国最大跨径的预应力混凝土简支梁桥是1988年建成的浙江瑞安飞云江桥，跨径为62m。除简支梁桥以外，近年来我国还修建了多座现代化的大跨径预应力混凝土悬臂梁桥和连续梁桥。

在世界桥梁建筑中蓬勃发展的现代斜拉桥，是结构合理、跨径能力大、用材指标低且外形美观的先进桥型。1993年建成的杨浦大桥，主跨为602m，是世界上跨度最大的结合梁斜拉桥。在桥梁基础方面，除了广泛采用明挖基础、桩基、沉井等之外，对于深水中的大桥建设，目前在大型管柱的施工技术方面已经积累了丰富的经验。在深沉井施工方面由于成功地采用了先进的触变泥浆套下沉技术，大幅度的减少了基础圬工数量，使下沉速度加快3-11倍。此外，我国还广泛采用和推广了钻孔灌注桩基础。与国外的同类型基础相比，它所要求的施工机械少，动力设备简易，操作方便迅速，易为群众掌握，且能钻入很深的土层。

三、桥梁建设的技术要求与发展

1、新材料的开发和应用

新材料应具有高强、高弹模、轻质的特点，研究超高强硅粉和聚合物混凝土、高强双相钢丝纤维增强混凝土、纤维塑料等一系列材料取代目前桥梁用的钢和混凝土。

2、在设计阶段采用高度发展的计算机

计算机作为辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用GPS和遥控技术控制桥梁施工。

3、大型深水基础工程

目前世界桥梁基础尚未超过100米深海基础工程，下一步须进行100—300米深海基础的实践。

4、预应力结构应用的发展

部分预应力混凝土结构的出现与应用、无粘结预应力筋的应用、预应力钢-混凝土组合结构的应用、纤维增强塑料筋的研制与应用。在预应力结构理论方面，今后将更趋于理论与计算方法的统一性，结构的设计更符合于功能的要求；在设计与研究方面，预应力结构的裂缝控制问题、疲劳问题、抗震问题以及耐久性和环境保护等会成为突出需要研究的问题。

5、重视桥梁美学及环境保护

桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐尔的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大桥等这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融为一体，成为今日悉尼的象征。因此，21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合。

四、展望21世纪的桥梁工程

21世纪将会实现桥梁界沟通全球交通的梦想。在20世纪末已经开拓了几项大的海峡工程，但桥梁最大跨径没有超过2000m，深水基础深度也在50m左右。人们已经在规划的几项大的海峡工程，其设想方案的桥梁最大跨径要超过2000m，达到3000-5000m,深水基础深度可能在百米以上。

21世纪面临伟大的海峡工程建设，从先进国家国内的交通运输网络发展到组成各洲际、各国间主要联线网络，去适应21世纪信息革命而形成智能化于高效率的工农业生产的需要。海峡桥梁工程必然要满足高速运输、重载运输、海上高通航的要求，建成全天候服务，有较高抵抗自然灾害能力和舒畅安全的交通通道。另一方面，无论在海峡或在洲际建设现代化桥梁，还必须注意环境保护。

为描绘21世纪建设的宏伟蓝图，科学家和工程师们要对建桥的有关课题和关键技术进行探讨：探索超大跨径桥梁（主跨3000-5000m）的新型建筑材料，合理结构形式，抗风、抗震、抗海浪的技术措施；要结合海洋工程的经验，探索100-500m的深水基础形式与施工方案；探索结构材料防腐的措施与方法；探索智能化结构的设计理论。21世纪面临新建大工程外，还担负着对20世纪上半世纪建造的桥梁的加固、改建与修复的重任，约占29世纪总建筑桥梁数的50%。由此不但引发科学家与工程师们研究有效地维修、加固措施，而且提出了安全耐久性和可靠性研究的新课题，这包括结构的施工控制与质量保证体系、桥梁生命期的监测系统、桥梁损伤判断与评估、桥梁生命保护的管理系统等。人们要控制结构，而且期望赋予结构智能。

五、结束语

可以看出，随着经济的发展，人们对桥梁的的要求越来越高，这就要求桥梁建设方面的技术不断提高。在建筑材料、结构设计理论与软件工程、研究分析于科学试验、预应力混凝土技术、钢桥制造拼装技术、深水基础工程、施工技术与方法、施工机具与管理等方面都需要不断的进步。相信在未来的时间里，桥梁科学工程师们将会用自己的智慧创造21世纪的奇迹。

参考文献

罗娜，《桥梁工程概论》，2006年第二版，人民交通出版社

房贞政，《预应力结构理论与应用》，2005年出版，中国建筑工业出版社