1、引言

橋梁是一種復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)，如今已經(jīng)能夠利用有限元軟件對(duì)各種復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析，但與此同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)最基本的力學(xué)概念往往會(huì)被忽略，有些學(xué)生把所學(xué)的橋梁專業(yè)知識(shí)與力學(xué)概念脫節(jié)，從而限制了其總體判斷力和創(chuàng)新思維。本文從基本的力學(xué)視角來看待橋梁結(jié)構(gòu)，將其力學(xué)特征用最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的方式進(jìn)行描述。

2、橋梁結(jié)構(gòu)體系分類

從功能上可把橋梁上部結(jié)構(gòu)分為直接承受活載的橋面系和承受主要恆、活載的承重結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。而承重結(jié)構(gòu)的主要形式有以受彎為主的梁和以受軸力為主的拱和索，因而從工程角度看，橋梁基本承重結(jié)構(gòu)體系就有梁橋、拱橋和索橋三類。但從力學(xué)特性上看，懸索倒過來就是拱，一個(gè)受拉一個(gè)受壓，反之亦然（見圖1）。二者可以看作是一類結(jié)構(gòu),姑且稱之為拱/索。所以，僅從力學(xué)角度看，就只有兩類基本的橋梁承重結(jié)構(gòu)：梁和拱/索，其余的橋梁結(jié)構(gòu)形式都可以看作這兩類的擴(kuò)展或組合。

圖1 懸索與拱

3、一般梁橋

一般的梁式橋其橋面系和承重結(jié)構(gòu)是合二而一的。隨著人們對(duì)橋梁跨越能力的更大需求，對(duì)于梁式橋而言，就要提高梁的跨越能力，要設(shè)法降低梁的彎曲應(yīng)力，有兩個(gè)途徑可以達(dá)到此種效果，一是增加橋墩形成連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)，一是加大截面抗彎剛度。從受力角度看，在同樣的截面尺寸、材料和所受彎矩情況下，連續(xù)梁的跨度可以比簡(jiǎn)支梁大很多。加大截面抗彎剛度最好的方法是加大截面高度，而在加大截面高度的同時(shí)，把梁中性軸附近的材料減少則有助于減輕結(jié)構(gòu)自重，于是就出現(xiàn)了工字截面、箱形截面、桁架等形式的梁。1890年建成的英國(guó)福斯橋就是一座典型的懸臂桁梁帶掛孔的橋梁，最大桁高110米，跨度達(dá)到521米(圖2)。

圖2 英國(guó)福斯橋

4、梁橋擴(kuò)展—斜拉橋和板拉橋

斜拉橋可以看作是梁橋的擴(kuò)展類型，如圖3a所示，斜拉索為主梁提供了中間支承，同時(shí)其水平分力還提供了軸向壓力，相當(dāng)于預(yù)應(yīng)力，從而提高了梁的跨越能力，或者說減小了梁內(nèi)的彎曲應(yīng)力。對(duì)于矮塔斜拉橋(圖3b)，斜拉索的作用更像體外預(yù)應(yīng)力束，橋塔的作用更像體外預(yù)應(yīng)力束的支承結(jié)構(gòu)（圖3c）。

圖3 斜拉橋

板拉橋（圖4）可看作是剛性斜拉索的矮塔斜拉橋，也可以看作是一個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)的桁架，或者一個(gè)變截面空腹式桁梁。

圖4 板拉橋

5、懸索橋和拱橋

由于懸索和拱以承受軸力為主，比以受彎為主的梁具有更大的跨越能力。懸索可以采用高強(qiáng)鋼絲材料，且因受拉而不會(huì)失穩(wěn)，因而跨越能力比受壓為主的拱更大。當(dāng)把橋面系通過吊桿或者立柱支承在懸索或者拱上時(shí)，就構(gòu)成了懸索橋和拱橋（圖5）。當(dāng)上述拱橋的立柱間距為零時(shí)，就變成了實(shí)腹拱，當(dāng)然此時(shí)立柱材料是填土或圬工砌體。

圖5 懸索橋與拱橋

懸索橋的主纜是其主要承重結(jié)構(gòu)，由于它是抗彎剛度很小的柔性的纜索，所以其幾何線形與其所受到的荷載密切相關(guān)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的幾何非線性特性。也由于其極小的抗彎剛度，所以它的豎向剛度主要來源于其重力和拉力構(gòu)成的剛度，即通常所說的重力剛度。而大跨度拱橋的拱肋，由于是承受巨大軸向壓力的曲線構(gòu)件，因此也表現(xiàn)出較強(qiáng)的幾何非線性特征，其中的穩(wěn)定性問題尤為重要。

6、斜腿剛構(gòu)橋

斜腿剛構(gòu)橋（圖6a）的主梁中有較大的彎矩，這是梁橋的受力特征。但同時(shí)其主梁和斜腿內(nèi)也有較大的軸向壓力，并且其支承處有較大的水平推力，這又是拱橋的受力特征。因此，斜腿剛構(gòu)橋可以看作是梁和拱的組合體系橋梁。Y形剛構(gòu)支承橋（圖6b）也可以看作是斜腿剛構(gòu)橋，不同的是在橋墩處相鄰兩跨的水平推力全部或部分相互抵銷。

圖6  斜腿剛構(gòu)橋

7、結(jié)語(yǔ)

以上從受力角度簡(jiǎn)要地把主要的橋梁結(jié)構(gòu)形式做了描述，未能做到全覆蓋，更沒有作嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)推導(dǎo)，僅僅是從概念上闡述而已。

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