大跨度橋梁施工力學(xué)理論及其應(yīng)用

袁 海

（中鐵十八局集團(tuán)軌道交通工程有限公司,廣西 南寧530000）

一、橋梁的構(gòu)造

一座完整橋梁的主要組成部分包括橋跨、橋墩、橋臺及橋頭錐體等。 橋的基礎(chǔ)部分稱為墩臺。 橋臺的作用是橋梁與路堤銜接，其兩側(cè)做成填土或填石錐體并在表面加以鋪砌，用來保證橋臺與路堤很好銜接，并保證橋頭路堤的穩(wěn)定。 通常習(xí)慣稱橋跨為橋梁的上部結(jié)構(gòu)，稱橋墩、橋臺及其基礎(chǔ)為橋梁的下部結(jié)構(gòu).

二、橋梁上作用的力

(一)作用力的分類

在橋梁力學(xué)研究中一般將作用于橋梁結(jié)構(gòu)上的力稱為荷載。 根據(jù)荷載作用面積的大小可分為集中荷載與分布荷載。

（1）集中荷載:

橋梁上所受的載荷如果作用面積很小或其作用面積與橋梁整體面積相比可忽略不計的載荷，一般在力學(xué)分析與計算時就可以認(rèn)為其作用于一集中點上，所以稱為集中荷載，如汽車對橋梁的作用力、梁支座對梁的反力都可以視為集中荷載(如圖1)。

（2）分布力和分布荷載

作用面積較大或作用面積與橋梁整體相比不能忽略不計時，這個載荷應(yīng)該認(rèn)為是作用于一個面上，這種載荷就是分布荷載。如梁的自重(如圖2)以及橋梁上的風(fēng)壓力等。

三、橋梁力學(xué)中主要概念及其相關(guān)理論的應(yīng)用

(一)機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)是指能組成這機(jī)構(gòu)的各個構(gòu)件能夠產(chǎn)生相對運動的構(gòu)架。 從力學(xué)理論上講機(jī)構(gòu)屬于幾何可變體系沒有承擔(dān)荷載的能力。

(二)靜定結(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)

靜定結(jié)構(gòu)是一種沒有多余約束的幾何不變體系。 這是這一結(jié)構(gòu)在其幾何組成方面的主要特征。 因此這種結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)方面的主要特征是全部反力和內(nèi)力均可由靜力平衡方程所求得并且具有唯一性的解。 靜定結(jié)構(gòu)的主要性質(zhì)有以下幾個方面：首先是，季節(jié)交替和晝夜變化造成的環(huán)境溫度改變、橋梁支座的位置變化、橋梁施工中的誤差以及建筑材料收縮等都不會在靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生自內(nèi)力。其次是，靜定結(jié)構(gòu)中的任一約束力或構(gòu)成其的任一構(gòu)件遭到破壞， 其根本性質(zhì)將會發(fā)生改變即變成為幾何可變體系。 再次，在外部荷載的作用下，如果這一結(jié)構(gòu)中的某一部分能夠與加載的荷載保持平衡狀態(tài)， 那么其余部分的反力和內(nèi)力必為零。 最后， 對靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析與計算過程中如果對部分荷載進(jìn)行等效變換，那么受影響的僅是變換荷載范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

由于靜定結(jié)構(gòu)具有上述四個力學(xué)特性， 因此在橋梁施工中能夠帶來很大的便利，不足之處是由于靜定結(jié)構(gòu)由于沒有多余的約束，因此在施工中很容易造成較大的安全隱患。 例如位于廣汕路上的燕崗橋由于橋墩產(chǎn)生了下陷傾斜，便導(dǎo)致了橋梁的斷裂和倒塌。

由于超靜定結(jié)構(gòu)中的支座反力和內(nèi)力并不適用于靜力平衡條件，因此不能以偶這一平衡條件進(jìn)行唯一確定，因此超靜定結(jié)構(gòu)不同于靜定結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征是其存在多余約束和未知力，因此超靜定結(jié)構(gòu)具有和一般靜定結(jié)構(gòu)不同的下列力學(xué)特征：首先是，超靜定結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力的大小、支座反力與組成這一結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)以及這一結(jié)構(gòu)的截面大小有關(guān)。 其次是環(huán)境變化造成的環(huán)境溫度改變、橋梁支座的位置變化、橋梁施工中的誤差以及建筑材料收縮等均會引起超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。 再次，與靜定結(jié)構(gòu)不同，多余約束消失以后，結(jié)構(gòu)的幾何特性不變，仍為幾何不變體系，超靜定結(jié)構(gòu)仍然具有一定的承載能力。 最后超靜定結(jié)構(gòu)比一般的靜定結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，并且結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力更為均勻的分布， 因此超靜定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相比靜定結(jié)構(gòu)也有所提高。

鑒于超靜定結(jié)構(gòu)的以上力學(xué)特征， 在進(jìn)行這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工時，應(yīng)當(dāng)采取有效措施，努力做到結(jié)構(gòu)中自內(nèi)力的不利影響的消除或減輕工作。 而由于這種結(jié)構(gòu)在防護(hù)能力和受力特征比一般的靜定結(jié)構(gòu)更可靠、更理想，因此在重要地域、具有較大跨度以及處于地震的高發(fā)區(qū)或高烈度區(qū)的橋梁一般應(yīng)選用超靜定結(jié)構(gòu)為主。 例如：河南孫口黃河大橋(連續(xù)鋼桁梁橋)、武漢二橋(斜拉橋) 、浙江東陽江大橋(連續(xù)剛構(gòu)橋)、香港青馬大橋(懸索橋)等均為超靜定的結(jié)構(gòu)形式。

(三)軸心受壓構(gòu)件與偏心受壓構(gòu)件

如果構(gòu)件受到的縱向壓力通過其重心， 這樣的構(gòu)件稱為軸心受壓構(gòu)件。 如橋梁結(jié)構(gòu)中的圓柱墩以及施工工程中的析架的受壓腹桿等。 根據(jù)其受力特征的不同軸心受壓構(gòu)件可分為兩大類， 即短柱和長柱。 短柱是指極限承載能力取決于柱的橫載面大小以及材料強(qiáng)度，與其他因素?zé)o關(guān)。 長柱是指由于構(gòu)件細(xì)長， 所以構(gòu)件的極限承載能力由于受到柱在受力情況下會發(fā)生側(cè)向變形，由于變形而產(chǎn)生的附加彎矩會使極限承載能力降低。

由于短柱在荷載作用下截面的受壓形變量均勻分布，因此具有穩(wěn)定性，一般不容易遭受破壞。 長柱在軸力和附加彎矩的共同作用下， 最終失去平衡而遭到破壞。對于同時受軸向壓力和彎矩作用的構(gòu)件我們稱為偏心受壓構(gòu)件。 偏心受壓構(gòu)件由于遭受破壞而失效， 一般可分為受拉破壞和受壓破壞兩類。 受拉破壞的形成條件一般是偏心距較大且鋼筋的設(shè)置數(shù)量不足。 受壓破壞的形成條件是偏心距較小而受拉鋼筋的數(shù)量過多。

其實軸心受壓構(gòu)件只是一種理想情況， 在實際的橋梁結(jié)構(gòu)中幾乎是不存在的，在實際設(shè)計、施工和使用中荷載作用位置會有所偏差， 澆筑用的混凝土不可能做到絕對均勻，同時施工制造的誤差也難以完全避免，以上種種原因，都會導(dǎo)致受壓構(gòu)件產(chǎn)生一定的初始偏心距。

(四) 普通結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

普通鋼筋硅結(jié)構(gòu)的主要組成材料是鋼筋和混凝土，由于這兩種材料的物理力學(xué)性能有很大的不同，因此在普通鋼筋硅結(jié)構(gòu)中這兩種材料的作用也有所不同，一般來說混凝土材料主要承擔(dān)壓力載荷，而鋼筋主要承擔(dān)拉力載荷，但是在有些特殊情況下也可承擔(dān)壓力。

普通鋼筋硅結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是： 首先這種結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和韌度，在很多情況下能夠代替鋼結(jié)構(gòu)，以節(jié)約鋼材， 降低橋梁的成本。 其次是這種結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性、耐水性和耐火性，可以廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境。 再次是由于這種結(jié)構(gòu)一般在施工中屬于整體澆注完成，因此具有良好的整體性能，因此采用這種結(jié)構(gòu)的橋梁具有理想的抗震與抗暴性能。 最后這種結(jié)構(gòu)的兩大材料都是使用廣泛的建筑基礎(chǔ)材料，便于就地取材進(jìn)行建設(shè)。

這種結(jié)構(gòu)的主要缺點是：首先是這種結(jié)構(gòu)體積很大，由于自重過大對橋梁基礎(chǔ)的要求更高。 其次是由于混凝土的抗裂性能不高， 設(shè)計施工中必須予以考慮。 最后這種結(jié)構(gòu)的工序復(fù)雜、 工期較長， 且施工過程需要大量耗材。

預(yù)應(yīng)力是指加載受荷前， 結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件之間預(yù)先施加一定的應(yīng)力。 預(yù)應(yīng)力硅就是用通過張拉鋼筋， 利用鋼筋被拉伸后產(chǎn)生的回彈力擠壓混凝土等人工的方法在構(gòu)件受荷前預(yù)先對硅結(jié)構(gòu)施加一定的壓應(yīng)力。 預(yù)加壓力的方法可分為先張法與后張法兩大類。 預(yù)應(yīng)力硅結(jié)構(gòu)的優(yōu)點首先是抗裂性好， 可提高結(jié)構(gòu)的耐久性和抗?jié)B性。其次是可以通過利用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋和高標(biāo)號混凝土的方式來節(jié)省普通用鋼，減小橋梁高度和結(jié)構(gòu)自重。

四、結(jié)語

橋梁施工的力學(xué)研究對于大跨度梁橋的設(shè)計施工和監(jiān)理具有重要的意義。 本文在對橋梁結(jié)構(gòu)和橋梁的受力類型進(jìn)行簡要介紹的情況下， 著重對和橋梁施工相關(guān)的力學(xué)理論進(jìn)行了分析與介紹，并指出了這些理論在實際中的應(yīng)用。

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