桥梁计算力学外文翻译资料

桥梁计算力学

桥梁结构的力学可以定义为处理静止的固体或平衡力的物理学。特别地，桥梁工程师关心作用在桥上的合力与在结构中出现的内力和应力相关的方式。

荷载

一般有两种类型的荷载：静荷载和活荷载。这些载荷的各种内力组合可以同时作用在桥上从而产生最大载荷条件，大多数的活荷载计算需要考虑到影响因子，其中包括汽车移动时对结构产生的影响。

载荷可以作用在桥上的各个方向。 临界荷载通常由重力和垂直荷载决定。 垂直载荷包括结构的自重，例如，桥面板，梁，支撑和栏杆，车辆的重量，以及各种较小的组合，如沥青，行人，水或雪。

其中作用在桥上荷载的第二种方式发生在横向方向上。这些次要荷载作用包括风荷载，地震荷载，水的浮力，浮冰，土压力以及车辆碰撞产生的荷载。通常横向载荷不是临界载荷。

纵向载荷通常被认为是二次力，通常包括热效应，车辆惯性，基台移动和地震。温度效应产生的影响通常由支座或接头处的伸缩装置抵消。如果这些装置停止正常工作，那么由于温度变化而产生的纵向力可能相当大。车辆加速或制动所产生的惯性效应通常不显著，除非桥梁处于斜坡中，或者大卡车的突然转向变化导致频繁的制动。在桥台或“生长路面”上的土压力对上部结构有着重要的作用。当混凝土路面在低温下产生裂缝，裂缝填满泥土和碎片时，路面就会发生生长。发生在高温下导致路面膨胀“生长”，因为这样的膨胀没有被裂缝充分吸收。膨胀通常会转移到桥位，因而对基础产生巨大力。

应力

压缩的概念是物体被迫变短，而拉伸的概念是物体被迫变长。在处理单位面积的力时，实际既指应力的概念。典型单位是磅/平方英寸。压缩应力使得物体的一部分变短，相反地，拉伸应力使得物体的一部分变长。这种拉伸和缩短在许多情况下可以通过桥梁结构的变形或移动中观察到。通常，如果构件的某个部分变长，则涉及拉伸应力，相反，如果使其变得更短，则涉及压缩应力。值得注意的是，有时候是应力产生变形，有时变形产生应力。需要讨论的另一种类型的应力是剪应力。有趣的是，通过应力分析可以显示剪切应力在数值上等于作用在与剪切平面成45度角的张拉应力。剪切力与剪切应力相关且剪切应力直接与张拉应力相关。因此，在大剪应力的地方，如在支撑件附近，张拉应力也会产生。通常，该张拉应力在离梁的轴线约45度的位置。拉伸应力的出现表明设计者可使用钢筋在这些位置从而加强构件的抗拉性能。

弯曲

对于一般桥梁，车辆将横向载荷施加分布到主梁，次梁或主要支撑构件。横向荷载垂直于桥梁轴向施加。让我们考虑一个简单的梁式桥。 汽车荷载或恒载通常产生向下的力。该向下的力使梁向下弯曲。密切观察表明，当梁弯曲时，梁的顶部变得更短，底部伸长。这种变形使得该简支梁的顶部产生压缩应力而底部产生拉伸应力。由横向力引起的这种弯曲或变形被称为挠曲，且该应力被称为挠曲应力。这些挠曲应力可以乘以到横截面内的位置的距离，然后在横截面上相加，产生弯曲力矩。该弯矩是作用在梁的内部。

弯曲力矩可以定义为在梁中虚拟切割一个截面，在被隔离物体左边或右边的力矩之和。 通常，其将沿着梁的长度变化，弯矩的大小与曲率直接相关。在一般的简支梁的情况下，由于静载或车辆荷载，最大的弯矩值出现在梁的跨中附近。

如果一个加长梁并且在中间设置支撑构件，除了在端部处有支撑件，那么获得的构件被称为连续梁而不是简单梁。两跨连续梁将在端部支撑处向上弯曲，尽管向下偏转，并且在中间支撑附近和上方向下弯曲。 观察这种变形，如图4.1所示，可以确定压缩发生在靠近梁的端部的顶部并且通过跨中，但是在靠近顶部和在中心支撑处则为张应力。在具有两个以上跨度的情况下，相同的概念在靠近跨度的中间处和在梁的端部处的顶部上产生压缩应力，并且在靠近内部支撑件的顶部上产生拉伸应力。

在梁的顶部为压缩应力区域和在梁的底部为张应力区域则该区域被称为正力矩区域，拉伸应力在顶部并且压缩应力在底部则可以称为负力矩区域。因此在跨中间附近出现正力矩，并且在连续构件的内部支撑件处和附近出现负的力矩。

扭转

扭转是构件围绕其纵向轴线的转动。在桥梁中，扭转力主要由桥面上的载荷产生而不是由直接作用在梁上的荷载产生。如，桥面在汽车荷载下产生侧向偏转，且梁桥发生扭曲。这种扭转在梁中产生扭矩。风也会引起扭曲。作用于桥梁一侧的风力往往产生倾覆力，使桥梁的局部构件产生扭转。

构件的扭转或扭转在构件的外表面产生最大的单位力即扭转应力。这种扭转应力实质是剪切应力，且与一般剪切应力相似产生张拉应力。应力沿着纵向轴线为零并且沿远离该轴线的方向增加。对于封闭的构件，如箱形截面对扭转的抵抗力最大，通常适用于扭矩显著的桥梁。

拱桥

拱是一种较古老的桥梁结构形式之一。石拱门主要在公元前第八和第四世纪之间由伊特鲁里亚人在现在的意大利中北部建造。第一座铁桥是一个拱式建造，横跨英国克代尔附近的赛文，如今这个地方被称为铁桥。真正的拱的关键是结构只处于压缩状态。这种状态使石头或砖石砌成拱成为可能。

现代拱门常见的形式有石头或砖石，混凝土，钢铁和木材。同样，人们不仅可以通过其建筑材料来进行分类，而且可以通过它们的形状，道路位置，基础标准和其他细节来对拱门进行分类。

典型的拱门形状包括圆形或罗马拱形，哥特拱形，椭圆拱形和抛物线拱形。 抛物线拱可能是最常见的长跨度拱，因为这种具有均匀载荷的形式使得拱的内力平衡。

1.砌筑拱门

石砌的桥梁本质属性强硬，仅需很少的维修。它们的固有储备强度从目前使用的许多石拱桥中显而易见，拱桥自身承载了许多原始设计载荷。但他们的缺点是建设速度缓慢，需要时间来逐一建造，每块石头需要开采，切割，且要和周围的石头相互匹配。因此，在劳动力成本高的富裕国家，石砌桥梁不受欢迎。发展中国家也同样如此。石砌桥梁建设，是一种劳动密集型建设，就目前而言发展中国家应更加重视和采用这一类型的桥梁建设。

除了原始的板桥之外，大多数砌筑的桥梁都是拱桥。他们意味着使用拥有久远的寿命以及优雅的造型外观。拱桥建造需要不屈曲的桥台和桥墩。

砌筑拱的构件如图1所示。拱是由两端桥台拱起连接的砌石块和拱顶的拱砌块组成。拱的外表面和内表面分别称为拱背和拱腹。拱顶和拱背之间的空间称为拱肩。为了起到过渡缓冲作用，在拱背上常用土壤填充到路基水平线，通常最小深度为900mm。 拱形壁沿着拱形拱顶的边缘设置，以保证填充土壤不被流失。

1. 钢筋混凝土拱桥

拱型桥可以在35m至200m的跨度范围内使用，且已经被应用到305m跨度，如澳大利亚悉尼的斯维尔大桥。拱桥的一个优点是其外观的出众以及具有较高的审美价值。

常见的三种拱门类型：（a）无铰拱，（b）双铰拱，（c）三铰拱。双铰链拱桥的变型是弓形梁桥，其中连接拱的两端的系杆承载来自拱的水平推力，并允许反作用力是相互垂直的，如在大梁桥的情况下。

拱桥的形式可以是板拱桥或肋拱桥。在跨度较短的板拱桥情况下，顶板或道路与拱背（称为拱肩）之间的空隙常用泥土填充，并且填充物通过拱上侧墙保护。 这样的拱被称为实腹拱。 对于跨度大于25m的拱桥，路面板被支撑在拱背上的柱或壁上，则这种类型的拱称为空腹式拱。

所有拱在支撑处产生推力，推力由不屈曲的桥台承受。该推力趋向于减小拱的任何部分处的弯矩。设计者的目的是最大化减少这种弯矩，使得拱将在区段中仅受到压缩。虽然通过优化拱轴线与荷载作用下的压力线重合，可以几乎消除由于静载荷产生的弯矩，但活荷载将产生净弯矩。

拱轴通常由三个考虑因素控制：（a）道路的上升以及桥下的通行能力，（b）从经济形态，材料的节省（c）桥拱的美学。 最重要的参数是矢跨比，其经济价值在0.30和0.20之间。 大的上升减小了推力且仅需较薄的拱形截面。在实践中通常采用的剖面形式是抛物线，分段和椭圆形。抛物线拱适合在坚硬的岩石以及土地情况不良好的地区。在平原地区，特别是实腹式拱桥，分段性的分布具有更好的效果。椭圆形拱不太受欢迎，除非明确要求起拱线几乎垂直拱腹表面的情况才使用。

1. 钢拱桥

拱形形式最适合深峡谷，陡峭的岩石提供高强度的天然基台，以承受拱肋施加的巨大推力。在没有这些自然条件下，拱通常具有缺点，因为替代基台的构造昂贵且耗时。

拱形在美学上是最令人满意的，并已被用于跨度范围为100到250米的钢桥中。

拱形轮廓旨在减少上部结构中的弯曲力矩，并且与相同的简支梁桥或桁架梁桥相比，材料更为经济。因此在合适的位置且能够提供足够的水平推力情况下选择使用拱桥具有更好的效益。拱桥的制造和架设具有比梁桥更难的问题，设计者在设计使用过程中应适当地考虑。

泰恩桥可能是纽卡斯尔市最着名的地标建筑。建于20世纪20年代，由多曼龙有限公司建造，它已经成为连接纽卡斯尔和盖茨黑德的中心城市地区横跨泰恩河的主要路线，增加了道路交通的水平。

泰恩桥的主要部分上是一个双铰拱结构，横跨河的全宽。桥面支撑四个车道的交通，以及在路面板结构两侧的人形通道。主要结构构件由铆接在一起的钢截面和板形成，用来保证提供所需的横截面。大部分桥面由连接到拱肋的系杆连接;其余部分直接由下部的拱肋支撑。

在它的建设时期，普遍存在的地方失业意味着熟练和非熟练劳动力都容易获得。河流交通不能中断，河流的整个宽度必须保持畅通以便随时进行通航。当局进一步限制承建商，在施工期间禁止物料从河里吊出。工程师想出一种创新的悬吊方式克服了这个问题。对于拱形肋的两个部分，每一个基台构建由连接到岸上的大量支撑柱的缆索系统约束。在建造期间，每个半肋设有能够提升约30吨的起重机。

钢铁由铁路货车运送到桥墩区域，再吊装拱肋进行移动，在那它由30吨起重机最终提升到位。随着施工进展，主起重机不再能够提供足够的伸展距离将钢型材提升到位，因此在现有施工结束前必须架设较小的起重机。然后，小型起重机拆卸主起重机并重新架设旁边其它小型起重机确保施工的继续进行。

桥梁工程

桥梁是一种提供通过障碍物而不关闭下方的道路的结构。 所需的通道可以用于道路，铁路，行人，运河或管道。要穿过的障碍可以是河流，道路，铁路或山谷。

桥梁组件

桥梁结构的主要部分如下：

（1）桥面铺装，由混凝土路面，主梁，桁架等组成;

（2）支座;

（3）桥台和桥墩;

（4）桥台基础和桥墩基础，如混凝土摊铺路脚和支撑桩柱;

（5）河道清理工程，如桥台护坡，河床围挡等；

（6）路堤;

（7）扶手，防护石等；

桥梁构件支座水平以上的部件被分为上部结构，支座下面的部件被分为下部结构。

分类

桥梁可以以多种方式分类，如下;

（1）根据木结构，砌筑结构，钢结构，钢筋混凝土结构，预应力混凝土结构或组合桥结构

（2）根据高架桥，渡槽，行人，公路，铁路，公路兼铁路桥的功能。

（3）根据结构体系为刚性框架，拱，斜拉桥或悬索桥。

（4）根据跨越关系简单，连续或悬臂桥梁。

（5）根据涵洞（小于8米），小桥（8米至30米），中跨桥（30米以上），长跨桥（120米以上）的跨度。

（6）根据预期的服务类型或者使用时间是永久性，临时性，或是军用桥梁。

历史发展

桥梁建设的发展历史与人类文明的历史密切相关。从结构作用的角度看，桥结构可以分为四种基本类型：梁桥，拱桥，斜拉桥和悬索桥（如图13.1所示）。大自然塑造了第一座桥梁。在溪流中意外落下的树是梁式桥的最早的例子。类似地，由地下松散土壤的侵蚀形成的天然岩石拱和树与树之间悬挂的分支允许猴子从一个分支到另一个分支，分别是拱桥和悬索桥的最早的先例。

几千年来，桥梁设计的古典形式是拱式桥。这种结构，由于其固有的轮廓，利用砖石作为其材料。中国人从250年起建筑石拱桥。赵州桥桥建于600年左右，也许是迄今为止最长寿的桥，位于北京以南约350公里，是一个单一跨径37.4米和升高7.23米的石拱桥，道路宽度为9米。赵州桥之所以历经久远，是因为锲石块的相互崁嵌，且没有使用砂浆连接。

世界上，钢材首次被广泛使用是在密苏里州圣路易斯的Edas桥上，建于1874年。这是一个钢拱桥，三跨分别为153米,158米和153米，采用悬臂架设法。第一座全钢桥梁是在1878年格拉斯哥，南达科他州建造。在1869-1883年之间钢材也被用在布鲁克林大桥的缆索上。

然而，在十九世纪后期人们才考虑使用混凝土作为建筑材料。一般来说，据记载钢筋混凝土的第一个实际应用是在1867年的莫妮尔。1866年Wayss和Koenen在德国对钢筋混凝土梁进行了一系列测试，德国的Moeller，匈牙利的Wunsch，奥地利的Melan和法国的Hennebique，在1891年到1894年之间对钢筋混凝土进行了广泛的研究。

第一个钢筋混凝土桥梁是在1871年建造的，是一个跨度15m的桥梁，跨越英国霍默斯菲尔德的韦弗尼。不久之后，1889年一座6米的拱门建于旧金山的金门公园，在1893年建成的大梁桥连接法国唐区的一家工厂。钢筋混凝土对任何建筑形式的适应性以及混凝土结构施工效率的提高，使得其在桥梁建筑中得到广泛的使用。

在同一时期，Jackson和Doehring（1886和1888）正在研究预应力混凝土概念。他们的应用并没有取得成功，因为在混凝土的收缩和徐变导致了预应力的大量损失。直到1926年至1928年间，Freyssinet研究出通过高

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