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《结构力学》课程学习论文
《结构力学》课程学习论文
题目:利用《结构力学》对桥梁结构形式的分析 学院: 土建与水利学院 专业: 土木工程专业 班级:
摘要:设计桥梁可有多种结构形式选择:石料和混凝土梁式桥只能跨越小
河;若以受压的拱圈代替受弯的梁,拱桥就能跨越大河和峡谷;若采用钢桁架可
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建造重载铁路大桥;若采用主承载结构受拉的斜拉桥和悬索桥,不仅轻巧美观,而且是飞越大江和海峡特大跨度桥梁的优选形式。
关键词:梁式桥,桁架桥,拱式桥,悬索桥,斜拉桥
公路桥梁是重要的交通的枢纽,对于社会经济的快速发展有着极为重要的意义。然而,公路桥梁经过长时间的使用,会不可避免的发生相应的损坏,进而破坏桥梁结构的抗力,形成相应的安全隐患。随着时代前进的步伐,人们对桥梁工程提出了更高的要求,桥梁工程无论是现在还是以后都不会停步的,它的发展前景会更广阔。通过半个多学期的结构力学的学习,我对桥梁结构及他们的受力特点有了一定的认识。理论联系实际,我通过对各种结构的对比分析,进一步加深了印象,对以后的学习奠定了基础。
梁式桥
梁式桥在竖向荷载作用下,支座只产生竖向反力,桥跨结构承受弯矩和剪力,以受弯为主。梁式桥又分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。图1所示为各种体系的基本图式。简支梁桥受力简单,施工方便,在小跨度桥梁中得到广泛应用。连续梁桥受力较合理,行车平顺,是大跨度桥梁常采用的桥式。将简支梁梁体加长至支点外就成为悬臂梁桥,悬臂梁桥的跨中弯矩比简支梁桥小,但结构较为复杂,行车不够平顺,目前已较少采用。
采用钢筋混凝土建造的梁桥能就地取材、耐久性好、适应性强、整体性好且美观;这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。但是由于制造梁式桥的材料多为石料与混凝土,随跨度的增加其自重的增加也比较显著。因此梁式桥广泛用于中、小跨径桥梁中。
图1 梁式桥
桁架桥
与梁和刚架相比,当荷载仅作用在结点上时,桁架杆件只承受轴力,没有弯
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矩和剪力,应力分布均匀,能够充分发挥材料的性能。常用的桁架结构有:平行弦桁架,折弦桁架和三角弦桁架。
平行弦桁架的内力分布不均匀,弦杆内力向跨中递增,若每一节间改变截面,则增加拼接困难;如采用相同的截面,又浪费材料。但是,平行弦桁架在构造上有许多优点,如所有弦杆、斜杆、竖杆长度都分别相同,所有结点处相应各杆交角均相同等,因而利于标准化。厂房中多用于12m以上的吊车梁。铁路桥梁中,由于平行弦桁架给构件制作及施工拼装都带来很多方便,故较多采用。 折弦桁架的内力分布均匀,因而在材料使用上最为经济。但是构造上有缺点。上弦杆在每一结点处均转折而须设置接头,故构造较复杂。不过在大跨度桥梁(例如100~150 m)及大跨度屋架(18~30 m)中,节约材料意义较大,故常采用。
三角形桁架的内力分布也不均匀,弦杆内力在两端最大,且端结点处夹角甚小,构造布置较为困难。但是,其两斜面符合屋顶构造需要,故只在屋架中采用。
图2 桁架桥
拱式桥
图3为拱式桥的基本图式和力学图式。拱式桥最大的特点是在竖向荷载作用下存在水平反力(拱脚推力)。拱式桥桥跨结构简称主拱,以受压为主,同时也承受弯矩和剪力,常用抗压能力强的圬工材料(如砖、石、混凝土)和钢筋混凝土来建造。由于拱桥跨越能力大,造型美观,在地基较好的情况下,一般在跨径500m以内可作为选择方案。
从几何构造上讲,拱式结构可以分为三铰拱、两铰拱和无铰拱。分析三铰拱的受力特点,在竖向荷载下,三铰拱存在水平推力,因此,三铰拱横截面的弯矩小于简支梁的弯矩。弯矩的降低,拱能更充分的发挥材料的作用,当跨度较大、荷载较重时,采用拱比采用梁更为经济合理。拱式结构的静力特征,决定了与梁相比用材节省,自重减轻,并且可有较大的跨度。实际中还可以用合理拱轴线作
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为拱的轴线,使拱的受力状态接近于无弯矩状态。由于拱体主要承受轴向压力,故可利用砖、石、混凝土等抗压性能好而又相对廉价的材料建造。此外,拱式结构有利于营造曲线美,并能提供较大的使用空间。
但另一方面,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;在平原区修拱桥,由于建筑高度较大,使两头的接线工程和桥面纵坡量增大,对行车极为不利,且为曲线结构,因此三铰拱的施工比简支梁复杂。
图3 拱式桥
悬索桥
悬索桥又称吊桥,主要由缆索、桥塔、锚碇、吊杆和加劲梁等组成,如图4所示。缆索跨过塔顶锚固在锚碇上,是桥的程总结构。缆索上悬挂吊杆,吊着加劲梁,缆索受拉。悬索桥结构的自重较轻,跨越能力比其他桥型大,常用于建造跨越大江大河或跨海的特大桥。由于索是柔软的,其抗弯刚度可以忽略,索横截面的弯矩和剪力为零,只有轴向的拉力作用。此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在计算时忽视悬索的重量的话,那么悬索形成一个双曲线。这样计算悬索桥的过程就变得非常简单了。
但它也有许多缺点。悬索桥的坚固性不强,在大风情况下交通必须暂时被中断。悬索桥不宜作为重型铁路桥梁悬索桥的塔架对地面施加非常大的力,因此假如地面本身比较软的话,塔架的地基必须非常大和相当昂贵。悬索桥的悬索锈蚀后不容易更换。
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