桥梁建筑中的物理力学应用

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。

课堂理论题：

问题1：汽车通过拱形桥时的运动可以看做圆周运动，质量为m的汽车以速度v通过拱形桥最高点时，若桥面的圆弧半径为R，则此时汽车对拱桥的压力为多大？

【解】G和N的合力提供汽车做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得：

（ 1）由牛顿第三定律可知汽车对桥的压力

（2）汽车的速度越大，汽车对桥的压力越小

（3）当汽车的速度增大到时，压力为零。

三、刚架桥

结构分析：

刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构。刚架桥是一种梁与墩台刚性连接成整体的结构在竖向荷载作用下，

柱脚处有水平反力和支撑弯矩。同样的跨径在相同荷载作用下，刚架桥的正弯矩比梁式桥要小，刚架桥的建筑高度就可以降低。

特点：1.刚架结构，梁与墩柱连接处刚度较大

2.受力介于梁桥与拱桥之间，跨中正弯距小，降低建筑高度。

优点：外形尺寸小，桥下净空大。缺点：为超静定结构，会产生次内力。

四、斜拉桥

斜拉桥是我国具有大跨径的桥梁，桥承受的主要荷载为其自身重力。以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称

的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。

斜拉桥通过斜拉索的引入，较大的改变了结构的受力行为。由于拉索轴力的存在，降低了桥梁的跨中弯矩和桥梁在支座端部的最大弯矩，并使桥体受力更为均匀。这一受力形式的改变，可以大大地提高桥梁的承载力和跨越距离。

结构分析：

梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。受力特点为外荷载从梁传递到索，再到索塔。

优点：梁体尺寸较小，使桥梁的跨越能力增大；受桥下净空和桥面标高的限制小；抗风稳定性优于悬索桥。缺点：由于是多次超静定结构，计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂。

五、悬索桥

悬索桥以悬索为主要承重结构，结构自重较轻，构造简单，受力明确。由于这种桥的结构自重轻，刚度差，在车辆动荷载和风荷载作用下有较大的变形和振动。

结构分析：

悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力，它的结构可以做得相当纤细，此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。

优点：相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。悬索桥可以造得比较高，容许船在下面通过。悬索桥比较灵活，因此它适合大风和地震区的需要，比较稳定的桥在这些地区必须更加坚固和沉重。

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。