力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)橋梁在人類發(fā)展的歷史過(guò)程中以一直是一種社會(huì)文明的代表觀界橋梁建設(shè)發(fā)展的歷史發(fā)現(xiàn)橋梁的發(fā)展與當(dāng)時(shí)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展平的提高技術(shù)的改進(jìn)，數(shù)學(xué)力理論的發(fā)展計(jì)算技的改革都有密切的關(guān)系中力學(xué)理論的應(yīng)用在橋梁建設(shè)中起著舉足輕重的作用．特別是在l920世紀(jì)，隨著學(xué)理論及應(yīng)用研究的長(zhǎng)足進(jìn)步，促使橋梁建設(shè)發(fā)生了前所未有的飛躍文從力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用這個(gè)角度簡(jiǎn)的回顧、分析、評(píng)述和展望．1力在橋梁工程中的應(yīng)用及主要成就l8世以前當(dāng)人們對(duì)力學(xué)中的許多機(jī)理尚不了解在實(shí)踐中摸索出諸如石、磚、木等材料主要適合于受壓的場(chǎng)合，因此所采用的橋梁建筑結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單聞名的趙州橋度為3702m，元605年，既發(fā)揮了土、石等圬工材料的優(yōu)點(diǎn)，又減輕了橋身的自重節(jié)了用材，且于排洪，還增加了美觀，它集中體現(xiàn)了世界古代橋梁的偉大成就同時(shí)也代表了古代中華明今天看來(lái)它應(yīng)是力學(xué)在當(dāng)時(shí)材料條件下的最佳發(fā)揮．18世前后，人們開(kāi)始使用生鐵，盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這類材料是優(yōu)于土、石等圬工材料的一類新材料但是由于材料身的缺昭以及人們對(duì)其力學(xué)機(jī)理理質(zhì)尚不清楚其應(yīng)用仍然受到了很大的限制．世中葉，由于歐洲率先進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)，從根本上改變了西方社會(huì)近千年的文明，特別是在這一時(shí)期伴隨ewton力的形成、微積分學(xué)的發(fā)展及歐洲工業(yè)化格局的形成得力學(xué)的理論與實(shí)踐得到了很大的發(fā)展與木工程建筑有關(guān)的材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)的形成就了橋梁工程建設(shè)的第次飛躍英國(guó)的不列顛尼亞箱粱橋度為00m1850年美國(guó)的布魯克林懸索跨為486.00m，年及國(guó)的福斯懸臂桁架跨為520.00m，1890年等橋梁是這一時(shí)期的杰出代表．20世初期，由于西方工業(yè)社會(huì)的空前發(fā)展，力學(xué)研究的進(jìn)步及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼材鋼筋混凝土乃至預(yù)應(yīng)力凝土等材料的出現(xiàn)現(xiàn)橋工程發(fā)展史上的第次躍．根據(jù)初等材料力學(xué)的結(jié)論凝抗拉強(qiáng)度很低，但其價(jià)格卻遠(yuǎn)低于鋼材，人們?yōu)榱嗽黾悠淇估芰ΓO(shè)計(jì)了鋼筋混凝土這類復(fù)合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受壓力，但限于混凝土材料本身所具有的力學(xué)性能其作為粱式橋結(jié)構(gòu)用材度遠(yuǎn)遜色于傳統(tǒng)的拱橋結(jié)構(gòu)在進(jìn)一步實(shí)踐過(guò)程人們又發(fā)現(xiàn)盡管有受力鋼筋在承載在受拉區(qū)仍然不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些裂縫對(duì)筋施加一定張力作用以服此弊端即通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力筋得拉區(qū)事先儲(chǔ)備一定數(shù)的壓應(yīng)力當(dāng)外荷載作用時(shí)凝可不出現(xiàn)拉應(yīng)力或不超過(guò)某個(gè)臨界值的拉應(yīng)力從極地提高丁混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能度承載能力進(jìn)而導(dǎo)致了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，擴(kuò)展了其應(yīng)用的范圍，使之成為2世紀(jì)橋梁工程中的一類主要結(jié)構(gòu)．我國(guó)自年末期起，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的建設(shè)得到了很快的發(fā)展，特別在近幾十年的城市道路橋梁速公路橋梁建設(shè)中占據(jù)著主導(dǎo)地位其諸如預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)連梁橋、桁架粱橋、大跨度簡(jiǎn)支梁橋等橋型都是在這一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的派生．由于初等材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致了跨越能力較強(qiáng)的懸索橋、斜拉橋的出現(xiàn)．在30年美國(guó)就掀起過(guò)大跨度懸索橋的高峰，如美國(guó)紐約華盛頓跨為1067.00m，1931年舊金山金門大橋跨為，年等是這一時(shí)期的典型代表．第次界大戰(zhàn)以后，德國(guó)、日本曾一度趕上了美國(guó)50年起，斜拉橋結(jié)構(gòu)在德國(guó)初見(jiàn)光芒，并很快波及世界各地60年，在日本、丹麥等地出現(xiàn)了興建跨海工程的先例．隨著橋梁工程建設(shè)的不斷進(jìn)步諸多困擾人們的力學(xué)難題空結(jié)構(gòu)的受力分析，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的次應(yīng)力計(jì)算，主梁、橫隔粱、橋面板、支座、墩臺(tái)及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、計(jì)算分析等都

是和力學(xué)密切相關(guān)的問(wèn)題數(shù)學(xué)學(xué)理論及計(jì)算工具的進(jìn)步推動(dòng)了這些問(wèn)題的懈決促進(jìn)了橋梁工程進(jìn)一步的發(fā)展和飛躍時(shí)使得橋梁工程作為獨(dú)立的科學(xué)技術(shù)被確認(rèn)再憑橋梁設(shè)計(jì)者們的智慧和經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)造過(guò)程是一門融理論分析設(shè)施工控制與管理于一體的系統(tǒng)性學(xué)科力在這其發(fā)揮了關(guān)鍵的作用且和其它學(xué)科進(jìn)一步交叉滲透派生出若干新的學(xué)科．如J．Muller公司提出的雙錨索構(gòu)思方案的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的斜橋在跨徑上有了很大的突破同在學(xué)上又對(duì)這類工程所需要的材料出更高更的要求事上采用這種新材科的跨徑橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身無(wú)形地在引導(dǎo)著土術(shù)工程師們?nèi)ヌ剿餍碌闹R(shí)領(lǐng)域某復(fù)材料的力學(xué)機(jī)理與混凝土或鋼結(jié)構(gòu)相比較載度極大地增加了自降低了在泛應(yīng)用過(guò)程中，卻由于其恒載的大幅減輕是載引起的顫振問(wèn)題又成為了一個(gè)亟待解決的課題問(wèn)題是屬于非線性動(dòng)力學(xué)分析領(lǐng)域的一個(gè)前措問(wèn)題因可說(shuō)橋梁工程在不斷地給力學(xué)的應(yīng)用提出新的挑戰(zhàn)是于人們?cè)诓粩嗟赜犹魬?zhàn)，才使得力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用前景十分光明．世界上曾有過(guò)不少橋梁因失穩(wěn)而喪失承載能力的事故的魁北克Quebec)橋在1907年架設(shè)過(guò)程中由于懸臂端下弦桿的腹板翹曲而導(dǎo)致失穩(wěn)后全部坍塌大亞墨爾本附近的西門West橋1970年架設(shè)拼攏整孔左右兩截面箱梁時(shí)于上翼板在跨中央失穩(wěn)，導(dǎo)致l12m的跨全部倒塌．風(fēng)的顫振引的強(qiáng)烈的非線性動(dòng)力學(xué)作用也是導(dǎo)致橋梁破壞的一類原因，年，美國(guó)華盛頓州建成才個(gè)的Tacoma懸索橋在不到20m/s的8級(jí)風(fēng)作用下發(fā)生了強(qiáng)烈的風(fēng)振而嚴(yán)重破壞。曾一度引起了橋梁工程界的震驚，促使人們認(rèn)識(shí)到風(fēng)對(duì)橋梁的作用一種不可忽視的力學(xué)作用震類與地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的自然現(xiàn)象，同樣也是造成橋梁失穩(wěn)的一類重要荷載1971年2月9日發(fā)生在美國(guó)圣費(fèi)南多，震級(jí)為M6.7級(jí)地震，就曾導(dǎo)致城市高層建筑、橋梁倒塌及生命線工程的破壞，年月28日發(fā)生在中國(guó)唐山，震級(jí)為M7．級(jí)地震，造成了大面積公路、鐵路橋梁普遍倒塌或嚴(yán)重破壞有關(guān)部門專家對(duì)這次地震的分析梁壞主要集中在新近建造的橋梁，主要原因有岸坡滑移、地基失效、橋墩斷裂、橋墩損傷積累、支座破壞、梁題相撞相墩發(fā)生過(guò)太相對(duì)位移錯(cuò)位與之相比較，位于震中的許多單孔石拱橋、雙曲拱橋卻有良好的抗震能力大基本完好或僅有輕微的損傷從而暴露出了近代橋梁設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)述事實(shí)及工程實(shí)踐推動(dòng)了力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用導(dǎo)致了如橋梁抗震學(xué)、結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)、橋梁振動(dòng)等有關(guān)交叉學(xué)科的誕生和發(fā)展．隨著橋梁上部結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展然下部結(jié)構(gòu)提出更高的要求時(shí)也提出了更多的力學(xué)問(wèn)題由鋼筋棍凝土的推廣使墩的結(jié)構(gòu)形式趨于多樣化除統(tǒng)的重力墩臺(tái)外。在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上發(fā)展了空心墩、樁柱式墩臺(tái)、構(gòu)架式墩臺(tái)、框架式墩臺(tái)、雙柱式墩、拼裝墩臺(tái)預(yù)力鋼筋薄壁墩等新型臺(tái)，并且日趨輕型化性同高墩技術(shù)也有較大的發(fā)展。世50年以后，跨江、跨灣、海峽大橋開(kāi)始興建，并以中國(guó)、日本為首大力發(fā)展了深水基礎(chǔ)技術(shù)，如50年代在武漢長(zhǎng)江大橋建設(shè)中首創(chuàng)的管柱礎(chǔ)年在南京長(zhǎng)江大橋建設(shè)中發(fā)展的重型沉井、深水鋼筋棍凝土沉井和鋼沉井70年在九江長(zhǎng)江大橋建設(shè)中創(chuàng)造的雙壁鋼圍堰鉆孔柱基礎(chǔ)80年進(jìn)一步發(fā)展的復(fù)合基礎(chǔ)．在日本，由于本四聯(lián)絡(luò)線工程的建設(shè)，近年，其次深水技術(shù)發(fā)展很快，以底下連續(xù)墻、設(shè)置沉井和無(wú)人沉箱技術(shù)最為突出．20世后期，計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為人們解決在橋梁建設(shè)中若干復(fù)雜力學(xué)計(jì)算創(chuàng)造了條件，使得一些計(jì)算工作量大得驚人的模型分析以通過(guò)計(jì)算機(jī)獲得解答力計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上，人們進(jìn)一步能夠利用計(jì)算機(jī)方便地進(jìn)行與橋梁有關(guān)的輔助設(shè)計(jì)，提高了工作效率．如前所述，橋梁工程在20世紀(jì)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，原因雖然是多方面的，但力學(xué)理論的完善及進(jìn)步卻起到了舉足輕重的關(guān)鍵作用，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)材力學(xué)的進(jìn)步改進(jìn)了橋梁建設(shè)中材料的使用，并使得人們?cè)诤筒牧峡茖W(xué)交叉滲透的過(guò)程中發(fā)展了許多高性能的復(fù)合材料．(2)預(yù)力思想的出現(xiàn)促進(jìn)了橋梁的發(fā)展，導(dǎo)致橋梁恒載在不斷地降低，跨度卻在不斷地增加，外形更加優(yōu)美，更加與自然和諧．(3)高計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得復(fù)雜的力學(xué)分析、計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)成為可能，特別隨著一類功能不一的橋梁結(jié)構(gòu)分析程序的出現(xiàn)大地加快了橋梁設(shè)計(jì)速度提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量縮了橋梁建設(shè)的周期．(4)力和多學(xué)科的交叉滲透成為現(xiàn)代橋梁發(fā)展的重要支柱．橋梁在不斷的發(fā)展過(guò)程中，也在不斷地提出若干帶有挑戰(zhàn)性的工程力學(xué)問(wèn)題問(wèn)題的解決絕不是在單一力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)就能解決的而必須以力學(xué)為龍借助于多學(xué)科的交叉滲透所以說(shuō)力學(xué)的這種交叉滲透不但是現(xiàn)代橋梁發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是學(xué)科乃至學(xué)科群交叉發(fā)展的一個(gè)重要源泉．2力在橋梁工程中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)縱觀橋梁的發(fā)展歷程以現(xiàn)梁工程的飛速進(jìn)步主要集中在力學(xué)飛速發(fā)展的近代且在外形上逐步走向輕巧化、纖細(xì)化橋梁的載重跨卻在不斷增長(zhǎng)為適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的要求，仍然需要建造大量承受更大載荷、甚至跨越海灣或大江等跨徑和總長(zhǎng)更太的橋梁，因此還需要橋梁向結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度、輕型、大跨度方向發(fā)展．展望2l世，力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面。(1)從學(xué)機(jī)理的角度以及多學(xué)科的交叉，進(jìn)一步探索新型的、高強(qiáng)、超高強(qiáng)工程材料，建立其可靠的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系結(jié)構(gòu)理論研究上發(fā)展更符臺(tái)實(shí)際狀態(tài)的力學(xué)分析方法與新的設(shè)計(jì)理論以分發(fā)揮材料潛在承載力容許應(yīng)力法推廣到極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法向可靠度理論方向進(jìn)行探索，以充分利用材料的強(qiáng)度，力求工程結(jié)構(gòu)的安全度更為科學(xué)和可靠．(2)在跨度橋梁設(shè)計(jì)中，深人探索橋梁風(fēng)致振動(dòng)的物理及幾何非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)理，在以風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M為依托的基礎(chǔ)上，綜合空氣動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、穩(wěn)定、疲勞、物理及幾何非線性應(yīng)用研究的普及結(jié)的受力分析將從簡(jiǎn)化的平面分析發(fā)展到更為精確的三維空間狀態(tài)分析，更高教地解決超靜定次數(shù)很高的橋梁結(jié)構(gòu)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)世著力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，橋梁工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可望有重大的突破．(3)隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，橋梁CAD將成為集力學(xué)結(jié)構(gòu)分析、工程制圖、程概預(yù)算數(shù)據(jù)庫(kù)為一體的專家系統(tǒng)．由于現(xiàn)成Internet技在硬件軟件上的飛速進(jìn)步，將從根本上改變傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方式促橋梁設(shè)計(jì)以極快的速度邁人橋梁設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代現(xiàn)源的共享。(4)橋施工控制技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展GINS和GIS技的應(yīng)用將成熱點(diǎn)，進(jìn)一步綜合利用固體力學(xué)的基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)資料研計(jì)算方法和數(shù)值仿真技術(shù)探索無(wú)損檢測(cè)的理論及使用技術(shù)對(duì)齡的橋梁結(jié)構(gòu)工的安全性提供評(píng)估測(cè)方法及規(guī)范這里所設(shè)計(jì)到的主要是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究既要考慮構(gòu)的靜力平衡穩(wěn)定性要考慮其動(dòng)力穩(wěn)定性需要借助非線性動(dòng)力系統(tǒng)研究中關(guān)于Hopf分叉現(xiàn)象及奇異性理論、突變理論方面的