現(xiàn)代橋梁之斜拉橋與懸索橋區(qū)別與聯(lián)系

現(xiàn)代橋梁之斜拉拉橋與懸索索橋區(qū)別與與聯(lián)系斜拉橋與懸索橋橋橋作為現(xiàn)代代橋橋梁的主要要建建筑方式式，二二者之間間又存存在著怎怎樣的的區(qū)別與聯(lián)聯(lián)系系呢？下面面我我們通過過結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)的的方法法對其進(jìn)進(jìn)行受受力方面面的定定性分析析，來來解決一一些現(xiàn)現(xiàn)實中的的現(xiàn)象象。首先我們來了解解解一下他他們的的定義：：斜拉橋又稱斜張張張橋，是是將主主梁用許許多拉拉索直接接拉在在橋塔上上的一一種橋梁梁，是是由承壓壓的塔塔、受拉拉的索索和承彎彎的梁梁體組合合起來來的一種種結(jié)構(gòu)構(gòu)體系。其其可可看作是是拉索索代替支支墩的的多跨彈彈性支支承連續(xù)續(xù)梁。其其可使梁梁體內(nèi)內(nèi)彎矩減減小，降降低建筑筑高度度，減輕輕了結(jié)結(jié)構(gòu)重量量，節(jié)節(jié)省了材材料。斜斜拉橋由由索塔塔、主梁梁、斜斜拉索組組成。懸索橋，又名吊吊吊橋（susppeensiionnbrriddge）指的是是以以通過索索塔懸懸掛并錨錨固于于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部部結(jié)結(jié)構(gòu)主要要承重重構(gòu)件的的橋梁梁。其纜索索幾幾何形狀狀由力力的平衡衡條件件決定，一一般般接近拋拋物線線。從纜纜索垂垂下許多多吊桿桿，把橋橋面吊吊住，在在橋面面和吊桿桿之間間常設(shè)置置加勁勁梁，同同纜索索形成組組合體體系，以以減小小活載所所引起起的撓度度變形形。斜拉橋與懸索橋橋橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)簡圖圖如圖a，b所示。下面對對對一些現(xiàn)現(xiàn)實現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行行定性性分析。1.為為為什么斜斜拉橋橋和懸索索橋可可以比其其他橋橋梁的跨跨度大大很多？？通過斜拉橋和懸懸懸索橋的的結(jié)構(gòu)構(gòu)簡圖可可以看看出，斜斜拉橋橋和懸索索橋都都是通過過鋼索索的拉力力來代代替了橋橋墩的的支持力力。因因此可以以減少少橋墩的的數(shù)量量，實現(xiàn)現(xiàn)橋梁梁的大跨跨度。為什么懸索橋可可可以比斜斜拉橋橋的跨度度更大大？通過斜拉橋和懸懸懸索橋的的結(jié)構(gòu)構(gòu)簡圖可可以看看出，斜斜拉橋橋的鋼索索是斜斜著的，以以a圖C點進(jìn)行受受力力分析，為為了了在C點提供足足夠夠的豎直直拉力力Fcy隨著AC距離的增增加加，F(xiàn)c和Fcx將會不斷斷增增大，這這樣會會不斷增增大鋼鋼索的拉拉力和和橋面的的軸向向壓力，這這也也是為什什么斜斜拉橋的的鋼索索大多集集中在在索塔的的上端端的原因因。因因此AC之間的距距離離不能太太大，即即斜拉橋橋的跨跨度不能能太大大。而通通過懸懸索橋的的結(jié)構(gòu)構(gòu)簡圖可可以看看出，懸懸索橋橋的鋼索索受力力是豎直直方向向的，隨隨著跨跨度的增增加并并不會增增加鋼鋼索的受受力。因因此懸索索橋的的跨度可可以比比斜拉橋橋更大大。為什么斜拉橋比比比懸索橋橋穩(wěn)定定？由斜拉橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)簡圖可可以看看出繃緊緊的鋼鋼索與索索塔及及橋面根根據(jù)三三鋼片原原則構(gòu)構(gòu)成了不不變體體系，而而有懸懸索橋的的結(jié)構(gòu)構(gòu)簡圖不不難看看出懸索索橋的的主索、細(xì)細(xì)鋼鋼索、索索塔及及橋面之之間構(gòu)構(gòu)成的是是可變變體系。因因此此懸索橋橋的穩(wěn)穩(wěn)定性不不如斜斜拉橋的的穩(wěn)定定性好。既然增加索塔可可可以加大大橋面面的豎向向拉力力，減小小橋面面軸向應(yīng)應(yīng)力鶴鶴崗索拉拉力，為為什么不不把索索塔建得得很高高呢？首先，增加索塔塔塔的高度度會增增加橋梁梁的用用料，從從而增增加橋梁梁的經(jīng)經(jīng)濟成本本高。其其次，由由于現(xiàn)現(xiàn)實生活活中橋橋面的受受力情情況特別別復(fù)雜雜，無法法保證證索塔兩兩邊橋橋面受力力情況況完全相相同，這這會使得得索塔塔兩邊鋼鋼索所所受的拉拉力不不同，如如果索索塔很長長會使使得索塔塔與橋橋面連接接處以以及橋墩墩與地地面連接接處彎彎矩過大大，容容易發(fā)生生破壞壞。5.為什么斜拉拉橋橋的橋面可可可以比懸懸索橋橋的橋面面寬很很多？斜拉橋的橋面比比比懸索橋橋的橋橋面寬很很多是是有橋面面的材材料為混混凝土土和橋面面的受受力特點點的決決定的。下下面面截取斜斜拉橋橋和懸索索橋的的橋面的的一個個橫截面面來簡簡化力學(xué)學(xué)模型型，并對對其進(jìn)進(jìn)行受力力分析析。假設(shè)設(shè)橋面面受大小小為q的均布力力，斜斜拉橋的的受力力如圖c,懸索橋的的受受力如圖d。在斜拉橋的橫截截截面受力力圖中中，橋面面橫截截面受斜斜向上上的鋼索索拉力力，因為為斜拉拉橋的索索塔為為A型或椡Y型；而在在懸懸索橋的的受力力圖中，橋橋面面橫截面面只受受到豎直直向上上的拉力力，因因為懸索索橋的的索塔為H型。假設(shè)設(shè)斜斜拉橋和和懸索索橋橋面面長度度為l，厚度為2h，則斜拉拉橋橋受到的的最大大拉應(yīng)力力為：：My/IIzz-Ttt/22lh==0..5qll*llh/IIz--Tt//2llh；懸索橋橋的的最大拉拉應(yīng)力力為：My/IIzz=0..5qql*ll/IIz。由此可可見見在受力力和橋橋面橫截截面形形狀相同同的情情況下，斜斜拉拉橋的最最大拉拉應(yīng)力比比懸索索橋小Tt/22llh，又因為為橋橋面材料料為混混凝土，抗抗壓壓不抗拉拉，因因此斜拉拉橋的的橋面可可以比比懸索橋橋的橋橋面更寬寬一些些。下面，假設(shè)橋面面面受大小小為q的均布力力（因因為橋面面主要要受到自自身的的重力，而而橋橋面自身身的重重力是均均布力力），而而這也也是橋面面的，設(shè)設(shè)有n根鋼索且且每每根鋼索索所受受的拉力力相等等為T=qll//(n++2))，并且假假設(shè)設(shè)橋面只只發(fā)生生小變形形，對對力學(xué)模模型進(jìn)進(jìn)一步簡簡化后后。對斜斜拉橋橋和懸索索橋進(jìn)進(jìn)行分析析，做做出斜拉拉橋與與懸索橋橋的受受力圖g，剪力圖e，彎矩圖f。從斜拉橋和懸索索索橋加鋼鋼索和和沒加鋼鋼索的的剪力圖圖可以以看出：：鋼索索的增加加能有有效的減減小剪剪力的不不斷的的增加，將將剪剪力變成成一種種周期性性的力力。同時時可以以看出鋼鋼索越越多剪力力圖像像中的峰峰值在在斜率不不變，鋼鋼索的只只能更更加會使使圖像像的周期期減小小，因此此能有有效地減減小剪剪力圖像像中的的峰值(FQ=qql/((n++2))，由M(X))==FQ(XX))dx得到斜拉拉橋橋和懸索索橋的的彎矩圖圖。同同時從斜斜拉橋橋和懸索索橋的的彎矩圖圖中可可以看出出來其其圖像也也為周周期函數(shù)數(shù)圖象象。同樣樣其圖圖像的峰峰值與與鋼索的的數(shù)量量加2后的平方方成成反比（M=qll**l/((n++2)**(nn+2)))。由此可可見見增加鋼鋼索的的數(shù)量不不僅可可以減小小斜拉拉橋和懸懸索橋橋橋面的的剪力力和彎矩矩，同同時也可可以減減小每根根鋼索索的拉力力。由由此可見見準(zhǔn)確確的估計計每一一段的受受力情情況，以以此來來設(shè)置鋼鋼索中中的預(yù)應(yīng)應(yīng)力是是十分重重要的的，對減減小橋橋面中的的剪力力和彎矩矩起著著決定性性的作作用。雖雖然鋼鋼索中的的預(yù)應(yīng)應(yīng)力設(shè)置置不當(dāng)當(dāng)也可以以起到到阻止彎彎矩增增大作用用，但但效果將將大打打折扣。由由此此可見對對斜拉拉橋和懸懸索橋橋進(jìn)行準(zhǔn)準(zhǔn)確的的受力分分析是是十分重重要的的。以上只是在理想想想化的條條件下下進(jìn)行的的粗糙糙的理論論分析析，現(xiàn)實實中總總是有著著這樣樣或那樣樣的不不可控條條件。首首先，橋橋面不不可能受受均布布力：其其次，大大跨度的的橋梁梁并非只只發(fā)生生小變形形，而而是會發(fā)發(fā)生大大變形；；最后后，斜拉拉橋的的橋面存存在著著彎矩和和軸力力混合作作用的的效應(yīng)。當(dāng)當(dāng)然然還有其其他的的一些因因素對對理論分分析的的影響沒沒有列列舉出來來，我我們就先先不討討論了。下下面面我們來來分析析一下以以上三三個方面面對我我們的分分析造造成的影影響。由于橋面的受力力力并非均均布力力，雖然然橋面面自身的的重力力仍是均均布力力，但兩兩者相相加之后后，剪剪力圖e中的剪力力就就不是線線性變變化的，這這會會對鋼索索預(yù)應(yīng)應(yīng)力的估估計造造成困難難。由于大跨度橋梁梁梁發(fā)生的的并非非小變形形，而而是會發(fā)發(fā)生大大變形。以以上上的線彈彈性的的分析方方法就就不再適適用了了，應(yīng)該該運用用幾何非非線性性的分析析方法法進(jìn)行分分析。幾幾何非線線性問問題是指指大位位移問題題，幾幾何運動動方程程為非線線性。在在絕大多多數(shù)大大位移問問題中中，結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)部部的應(yīng)變變是微微小的。因因為為應(yīng)變是是微小小的，對對線性性問題一一般是是根據(jù)變變形前前的位置置來建建立平衡衡方程程。但對對幾何何非線性性問題題，由于于位移移變化產(chǎn)產(chǎn)生的的二次內(nèi)內(nèi)力不不能忽略略，荷荷載一變變形關(guān)關(guān)系為非非線性性，此時時疊加加原理不不再適適用，整整個結(jié)結(jié)構(gòu)的平平衡方方程應(yīng)按按變形形以后的的位置置來建立立。斜拉橋的斜拉拉拉索拉力使使其其它構(gòu)件件處于于彎矩和和軸向向力組合合作用用下，這這些構(gòu)構(gòu)件即使使在材材料滿足足虎克克定律的的情況況下也會會呈現(xiàn)現(xiàn)非線性性特性性。構(gòu)件件在軸軸向力作作用下下的橫向向撓度度會引起起附加加彎矩，而而彎彎矩又影影響軸軸向剛度度的大大小，此此時疊疊加原理理不再再適用。但但如如果構(gòu)件件承受受著一系系列橫橫向荷載載和位位移的作作用，而而軸向力力假定定保持不不變，那那么這些些橫向向荷載和和位移移還是可可以疊疊加的。因因此此，軸向向力可可以被看看作為為影響橫橫向剛剛度的一一個參參數(shù)，一一旦該該參數(shù)對對橫向向的影響響確定定下來，就就可可以采用用線性性分析的的方法法進(jìn)行近近似計計算。有有兩種種方法可可以處處理這種種由壓壓一彎共共同