武汉生物工程学院本科论文（设计）
武汉生物工程学院
《结构力学II》
课程论文
题 目： 院 系： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 时 间：
利用《结构力学》对桥梁结构形式的分析 建筑学院 13级土木4班 1314410410 刘叶斐
2015.12.29-2015.1.05
武汉生物工程学院本科论文（设计）
利用《结构力学》对桥梁结构形式的分析
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
前言
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。
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。
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图2 桁架桥
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。
图4 悬索桥
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。
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图1 梁式桥
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
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斜拉桥
斜拉桥由斜拉索、塔和主梁组成（见图5），属于组合体系桥梁。斜拉索一端锚在塔上，
一端锚在梁上，拉索的作用相当于在主梁跨内增加若干弹性支撑，从而大大减少了梁内弯矩、梁体尺寸和梁体重量，使桥梁的跨越能力显著增强。
斜拉桥的梁体尺寸较小，钢材和混凝土的用量均较省，桥梁的跨越能力增大。斜拉索的水平拉力相当于对混凝土梁施加的预压力，有助于提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性。建筑高度小，能充分满足桥下净空与美观要求，并能降低引道填土高度。竖向刚度和抗扭刚度均较强，抗风稳定性要好，用钢量小。抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。但它的缺点在于，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，施工中高空作业较多，且技术要求严格。
图5 斜拉桥
总结：
在相同的跨度和荷载下，不同结构有不同的受力形式。在相同的跨度与荷载下，一般简支梁和简支刚架的弯矩最大，外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构的弯矩次之，桁架和采用合理拱轴线的三铰拱弯矩为零。由于这些受力特点，在实际工程中，简支梁多用于小跨度结构，简支刚架应用较少；外伸梁、静定多跨梁、三铰刚架和组合结构可用于跨度较大的的结构；当跨度更大时，多采用桁架和具有合理拱轴线的拱。
上面从受力状态的角度比较了不同结构形式的力学特点，另外，从构造、施工角度，不构形式都有各自的优点与缺点。简支梁虽然具有弯矩大且弯矩分布不均匀的缺点，但由于构造简单，施工方便，所以简支梁在工程中仍有广泛的应用。桁架和三铰拱虽然具有可以实现无弯矩状态的受力合理的优点，但桁架内部结点多且构造复杂，三铰拱要求基础具有较强的承受水平推力的能力且拱轴线为曲线，因而增加了制作与施工上的困难。在结构设计中，选取结构形式应综合考虑跨度、施工条件等因素，进行多方面的分析和比较。
随着科学技术的进步，桥梁设计理论和建造技术的不断发展，人们建造了许多高大的立交桥、城市高架及跨越 江、河和海湾（或海峡）的大桥，这些巨大的实体工程常常使人产生美的感受，激发人的自豪感，成为人们生活环境中使人印象深刻的标志性建筑物。桥梁建筑也常作为一种空间艺术结构存在于社会中。通过对桥梁结构的分析，我越发感觉到，只有
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学习好基础知识，为以后的工作奠定好扎实的基础，才能保证以后的工作效率和工作质量。
参考文献
高杰，《桥梁工程》，北京，科学出版社，2004年8月：56-2.
王来、王彦明，《结构力学（上册）》，北京，机械工程出版社，2014年6月：27-69.
