桥梁工程中的力学问题分析及应用

发表时间:2018/10/8   来源:《新材料.新装饰》2018年5月下   作者:李江平
[导读] 桥梁工程中,用到的力学知识十分广泛,为有效提高桥梁工程施工质量,应强化桥梁工程施工中对力学知识的应用技能,灵活运用力学知识解决工程施工中遇到的问题。本文阐述了桥梁工程中的力学问题及应用。
(新疆交通职业技术学院,新疆 乌鲁木齐 831401)
摘要:桥梁工程中,用到的力学知识十分广泛,为有效提高桥梁工程施工质量,应强化桥梁工程施工中对力学知识的应用技能,灵活运用力学知识解决工程施工中遇到的问题。本文阐述了桥梁工程中的力学问题及应用。
关键词:桥梁工程;力学问题;应用
 
        桥梁在人类发展的历史过程中,可以说一直是一种社会文明的代表,纵观世界桥梁建设发展的历史,可发现桥梁的发展与当下的社会生产力的发展,工业水平的提高,施工技术的改进,数学、力学理论的发展,计算技术的改革都有密切的关系,其中力学理论的应用在桥梁建设中起着举足轻重的作用。
        一、桥梁结构中的力学概念及力学问题
        1、机构与结构。机构是指能产生运动的构架或体系,它属于几何可变体系,不具有承担设计荷载的能力。能承受和传递荷载作用的体系称为结构,结构是由不同的构件组成的几何不变体系,具有承担设计荷载的能力。
        2、静定结构与超静定结构。静定结构是指在几何组成方面,它是无多余约束的几何不变体系;在受力状态方面,它的全部反力和内力均可由静力平衡方程所求得,且其解具唯一性。超静定结构的支座反力和各截面的内力不能完全由静力平衡条件唯一地确定,必须加入结构的弹性变形协调条件来确定,这类结构也称静不定结构。
        3、轴心受压构件与偏心受压构件。纵向压力通过构件截面重心的构件称为轴心受压构件,轴心受压构件可分为短柱和长柱两大类。柱的极限承载能力仅取决于横载面尺寸和材料强度的称为短柱;长柱在轴力和附加弯矩的作用下,最终失去平衡状态而失稳破坏。同时,承受轴向压力和弯矩的构件称为偏心受压构件;偏心受压构件的失效形式一般可分为受拉破坏和受压破坏两类。
        4、受弯构件的正弯矩截面与负弯距截面。梁构件在外力作用下,弯矩是横截面承受的主要内力之一。当梁段的弯曲向下凸时,横截面上的弯矩称为正弯矩,反之称为负弯矩。当为正弯矩时,受拉钢筋以布置在梁截面的底部为主;反之,受拉钢筋以布置在梁截面的顶部为主。
        5、普通混凝土结构与预应力混凝土结构。钢筋混凝土由钢筋和混凝土两种物理力学性能不同的材料所组成。通常,在钢筋混凝土结构中,混凝土主要承担压力,钢筋以承担拉力为主,必要时也可承担压力。预应力混凝土是用人工的方法,在构件受荷前预先对混凝土结构施加一定的压应力。通常是通过张拉钢筋,利用钢筋被拉伸后产生的回弹力挤压混凝土来实现的。根据张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系,预加压力的方法可分为先张法与后张法两大类。
        6、箱形梁中的温度应力。箱形截面是连续体系梁中最常用的截面形式。日照会引起桥梁向阳与背阳部位的温度差异,昼夜温差还会引起箱梁内箱与外壁的温差。研究表明,对大跨度预应力混凝土箱形梁桥,温度应力可达到甚至超过活载的应力。
        桥梁建设中所用到的力学基础知识十分广泛,一般可分为四大部分,即桥梁结构静力学、桥梁结构动力学、桥梁土力学和桥梁水力学。桥梁结构静力学主要包括结构静力力系平衡分析,静定、静不定结构分析,结构强度、刚度验算,结构稳定性分析等。桥梁结构动力学主要包括桥梁固有振动特性分析,车辆荷载作用下的桥梁强迫振动分析,风或地震力作用下桥梁振动分析等。桥梁土力学主要包括土对桥梁结构的压力作用计算,土与结构相互作用分析,地基沉降计算等。桥梁水力学主要包括常态下桥涵的水力计算,陡坡上桥涵的水力计算等。
        总的来说,桥梁建设中的力学基础知识涉及力学中的理论力学、结构力学、材料力学、弹性力学、结构动力学、土力学和水力学等诸多分支中的基础知识,只有准确、熟练地掌握这些知识,才能更灵活、无误地解决桥梁建设中遇到的力学问题。
        二、桥梁技术规范中施工力学原理的应用
        《公路桥涵施工技术规范》是在总结了旧有规范和实际经验教训的基础上编写而成,作为桥梁建设的指导性文件。《公路桥涵施工技术规范》中许多条文的制定,都从不同方面体现了施工过程中力学原理的应用。


        1、《公路桥涵施工技术规范》9.5.2模板、支架拆除时的技术要求规定
        1)模板拆除时应按设计的顺序进行,设计无规定时,应遵循先支后拆,后支先拆的顺序。
        2)卸落支架应按拟定的卸落程序进行,分几个循环卸完,卸落量宜小,以后逐渐增大,在纵向应对称均衡卸落,在横向应同时一起卸落。
        3)简支梁、连续梁宜从跨中向支座依次循环卸落;悬臂梁应先卸挂梁及悬臂的支架,再卸无铰跨内的支架。模板的拆除不仅要掌握好拆除的时间,而且要掌握拆除的顺序,如果处理不当,要么造成结构未达到设计要求提前受力而破坏,要么由于受力不均,由局部破坏引起整个结构的损毁。简支梁、连续梁支架卸落时,从跨中向支座依次循环卸落,可使跨中截面受力均匀且对称均衡增加,且每次增大量较小,结构有自适应过程。而从支座向跨中依次循环卸落,跨中截面在其支架最后拆除后,内力由O猛增至Max值,就像突然受到冲击荷载一样,结构瞬间会发生破坏,这样的工程事故在实际中已发生很多。
        2、《公路桥涵施工技术规范》12.10.3后张法张拉第2条规定:预应力筋的张拉顺序应符合设计要求,当设计未规定时,可采取分批、分阶段对称张拉。这就从受力角度要求后张法多根(束)预应力筋张拉时,应使张拉的合力作用线处在构件核心截面以内,防止构件截面产生过大的偏心受压和边缘拉力。对称张拉可避免或减小偏心力矩。因此,张拉宜分批、分阶段、对称进行。另外,按控制应力先张拉的预应力筋会因后批预应力筋张拉时所产生的混凝土弹性压缩而引起应力损失。分批、分阶段对称张拉,综合考虑张拉力的影响,可减小预应力损失。
        3、钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥
        《公路桥涵施工技术规范》在支架上浇筑梁式桥第3条规定,浇筑分段工作缝,必须设在弯矩零点附近。梁式桥在浇筑时,跨中截面一般为正弯矩截面,支座截面一般为负弯矩截面,从跨中到支座也就是从正弯矩截面到负弯矩截面,弯矩是连续变化的,那么必然存在一个零弯矩截面,一般将其称为反弯点。在实际工程施工时,需分段浇筑时必须把工作缝设置在反弯点处。
        《公路桥涵施工技术规范》混凝土悬臂浇筑第4条规定,桥墩两侧梁段悬臂施工进度应对称和平衡,实际不平衡偏差不得超过设计要求值。结合力学原理进行分析,悬臂结构平衡对称浇筑主要是为了尽量减少力矩和扭矩,有利于结构的安全。
        《公路桥涵施工技术规范》连续梁的合拢、体系转换和支座反力调整第4条规定,体系转换及支座反力调整,按设计程序要求施工。结合力学原理进行分析,在连续梁结构合拢前,两边的悬臂结构为静定结构。当结构合拢后,桥梁才转换为有多个约束的超静定结构。需注意的是,在转换结构时,应将临时固结解除,调整好支座高度,才能将梁落于支座上。
        《公路桥涵施工技术规范》悬臂平张体系转化按设计顺序进行规定,在转换体系前,应按设计要求张拉一部分块件底部的预应力束,在悬臂梁端设置向下的预拱度,防止梁上部已张拉的明槽预应力刚才上漂,以保证转换体系前后拼装及张拉各阶段的安全。结合力学原理进行分析,由于梁的底部一般承受的是拉力。起初结构的底部受到负弯矩,若将预应力筋布置在梁顶,悬臂结构合拢后,负弯矩变成正弯矩,梁顶部受压,底部受拉。因此,为保证结构转换前后结构构件的质量及施工人员的安全,必须要在悬臂结构合拢前采取相应的措施。
        三、结语
        随着经济的发展及科学日新月异的进步,桥梁结构逐渐从跨度小且形式简单的旧式桥梁发展到现在跨度大、结构复杂且形式多样的新式桥梁。新技术、新工艺和新材料的发展及在桥梁上作用荷载研究的不断进步,桥梁力学问题也得到越来越多人的重视。
参考文献
[1]董军.力学原理在桥梁工程中的应用[J].西南林学院学报,2014(03).
[2]李江平.浅谈桥梁工程中的力学问题[J].民营科技,2014(04).
[3]马智永.桥梁工程施工力学问题的研究与应用[J].河南科学,2015(10).
 
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