高等橋梁結(jié)構(gòu)理論課程講義2014-01

高等橋梁結(jié)構(gòu)理論課程講義2014-01第一頁(yè)，共21頁(yè)。第一講橋梁結(jié)構(gòu)理論發(fā)展歷史和現(xiàn)狀第二講薄壁箱梁彎曲理論第三講薄壁箱梁剪力滯效應(yīng)第四講薄壁箱梁自由扭轉(zhuǎn)第五講薄壁箱梁約束扭轉(zhuǎn)第六講薄壁箱梁畸變第七講曲線梁結(jié)構(gòu)理論與分析第八講斜梁橋結(jié)構(gòu)理論和分析第九講混凝土橋梁空間效應(yīng)的適用精細(xì)化分析第十講混凝土橋的徐變、收縮、溫度效應(yīng)*混凝土的強(qiáng)度理論、有限元分析和壓桿拉桿模型（自學(xué)）*混凝土橋梁耐久性分析設(shè)計(jì)（自學(xué)）2023/5/22第二頁(yè)，共21頁(yè)。教材：項(xiàng)海帆等編著，范立礎(chǔ)主審，高等橋梁結(jié)構(gòu)理論（第二版），北京：人民交通出版社，2013年9月。參考書(shū)：項(xiàng)海帆等著.橋梁概念設(shè)計(jì)（ConceptualDesignofBridges），人民交通出版社，2011年3.賀拴海，橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法，北京：人民交通出版社，2003；邵旭東，橋梁設(shè)計(jì)與計(jì)算，北京：人民交通出版社，2007；包世華、周堅(jiān)，薄壁桿件理論，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.2023/5/23第三頁(yè)，共21頁(yè)。第一講橋梁結(jié)構(gòu)理論發(fā)展歷史和現(xiàn)狀中國(guó)古代橋梁的發(fā)展歷史（夏~清，3971年）夏至西周（1230年）木梁木柱、浮橋春秋戰(zhàn)國(guó)（564年）多跨木橋、索橋、黃河上建浮橋西、東漢（487年）石梁石墩橋、拱橋（石、木），在長(zhǎng)江上建浮橋，形成梁、索、浮、拱四種基本橋型晉隋唐（687年）趙州橋（隋—李春）；黃河上建伸臂木梁橋；石拱橋、木橋、浮橋達(dá)到頂峰北、南宋（372年）《木經(jīng)》（喻皓）《營(yíng)造法式》（李誡）早期設(shè)計(jì)圖樣、建造試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥V濟(jì)橋世界領(lǐng)先?。。≡?、明、清（631年）拱橋方面制動(dòng)墩、鐵索橋錨固等有所創(chuàng)新；橋梁文化發(fā)展天然材料（土、木、石，少量鑄鐵）工匠經(jīng)驗(yàn)（缺少科學(xué)理論）木、石梁——浮橋——索橋——拱橋（彎）（拉）（壓）1.1中國(guó)古代橋梁發(fā)展歷史2023/5/24第四頁(yè)，共21頁(yè)。近代橋梁的發(fā)展歷史（1660~1945）康熙時(shí)代1.2世界近代橋梁發(fā)展歷史1660~1765年（奠基時(shí)期）奠定了土木工程的理論基礎(chǔ)：1.伽利略材料力學(xué)性質(zhì)與強(qiáng)度(1638年)；2.虎克定律（1660年）；3.牛頓三大力學(xué)定律（1687）；法國(guó)JeanR.Perronet，石拱橋壓力線英國(guó)工程師AbrahamDarbyIII設(shè)計(jì)建造了世界上第一座跨度為30.65m的鑄鐵拱橋——Coalbrookdale橋（近代第一橋）；1849年，R.Stephenson創(chuàng)造了系桿拱橋。鑄鐵、熟鐵為主要材料建新橋（拱橋、索橋、梁橋），桁架拱橋（德國(guó)工程師H.Gerber）1874年，美國(guó)鋼橋誕生（鋼拱橋）；1875年，法國(guó)工程師建造了ChazeletBridge（L=13.8m，B=4.25m,第一座鋼筋混凝土人行橋）1890年，英國(guó)建成蘇格蘭福斯橋（L=521.2m）；1869~1883年，移居美國(guó)的德國(guó)工程師Roebling建造了布魯克林大橋（第一次采用冷拔鋼絲代替熟鐵眼桿）；1886年，美國(guó)工程師Jackson最早發(fā)明了預(yù)應(yīng)力技術(shù)；1888年，奧地利工程師J.Melan創(chuàng)立了懸索橋撓度理論；1912年，移居美國(guó)的立陶宛工程師L.S.Moisseiff第一次用撓度理論設(shè)計(jì)了曼哈頓橋，橋塔、主梁纖細(xì)！1928~1939年，法國(guó)工程師Freyssinet采用高強(qiáng)鋼絲、高強(qiáng)混凝土、錐形錨，是預(yù)應(yīng)力技術(shù)第一次成功應(yīng)用。1940年，TacamaNarrows橋風(fēng)毀！（一個(gè)嶄新時(shí)代的到來(lái)——大跨度橋梁的建設(shè)）1765~1874年（奠基時(shí)期）工業(yè)革命~第一次世界大戰(zhàn)1874~1945年（鋼橋、鋼筋混凝土橋）美國(guó)英國(guó)2023/5/25第五頁(yè)，共21頁(yè)。1.3近代橋梁結(jié)構(gòu)理論的回顧（一）拱橋和懸索橋的古典計(jì)算理論No.1近代土木工程理論奠基時(shí)期——石材、木材（1660-1765年，約100年），標(biāo)志性的成果：

意大利學(xué)者伽利略（G.Galilei,1564-1642）論述了材料力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度的概念；

英國(guó)學(xué)者胡克（R.Hooke,1635-1703）建立了材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；

英國(guó)學(xué)者牛頓（I.Newton,1642-1727）關(guān)于力學(xué)的三大定律。法國(guó)1715年成立路橋部，1747年建立世界第一所工科大學(xué)——法國(guó)巴黎橋路學(xué)校。J.R.Perronet研究石拱橋壓力線，用力學(xué)和材料強(qiáng)度理論對(duì)拱圈和橋墩尺寸進(jìn)行了研究，建立了許多坦拱。歐洲的拱橋雖然比趙州橋晚一千多年，但是建立在理論基礎(chǔ)上的。2023/5/26第六頁(yè)，共21頁(yè)。No.2近代土木工程進(jìn)步時(shí)期——金屬材料為主（1765-1874年，約100年）。英國(guó)工程師（AbrahamDarby,1750-1790）Coalbrookdale鑄鐵拱橋（L=30.65m）英國(guó)工程師John&WilliamSmith建造了主跨79.25m的蘇格蘭DryburghAbbey橋。Designer:AbrahamDarbyIIILocation:OvertheSevernRiver,nearCoalbrookdale,England.Built:1779Type:CirculararchDimensions:Mainspan:100feetMaterial:CastironBillington,DavidP.TheTowerandtheBridge,PrincetonUniversityPress,Princeton(NJ),1983;pp.29-30,34,38-9,64-6.2023/5/27第七頁(yè)，共21頁(yè)。（二）橋梁穩(wěn)定理論（鑄鐵、熟鐵）1850年，英國(guó)工程師R.Stephenson采用熟鐵板建成了跨度141m的箱梁橋。設(shè)計(jì)時(shí)采用模型試驗(yàn)研究了梁的受力性能、梁高對(duì)剛度的影響。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了上弦受壓翼緣板的屈曲失穩(wěn)和腹板的翹曲失穩(wěn)等現(xiàn)象。L.Euler，1744，建立軸心受壓桿件的屈曲理論；G.H.Bryan，1891,單箱均勻受壓簡(jiǎn)支矩形板的穩(wěn)定性分析；后來(lái)在第一次世界大戰(zhàn)前，壓桿、梁的側(cè)彎和拱的穩(wěn)定等理論基本建立起來(lái)。

BritanniaBridgeBritanniaBridge（改建后）2023/5/28第八頁(yè)，共21頁(yè)。（三）桁架分析理論（鋼材出現(xiàn)，1856年開(kāi)始）1847年美國(guó)工程師S.Whipple撰寫(xiě)了《橋梁建筑研究》，把桁架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)

時(shí)代推進(jìn)到科學(xué)時(shí)代，建議用鑄鐵做壓桿，用鍛鐵做拉桿，形成金屬桁架橋；1857年德國(guó)工程師H.Gerber受木桁架的啟發(fā)，建造了多腹桿格子桁架橋，后

來(lái)這種結(jié)構(gòu)被推廣到帶掛孔的桁架體系；1874年，美國(guó)工程師J.Eads建造了世界上第一座3跨鋼桁拱橋(155.1+158.5+153.1m）。1890年建成了Forth橋（主跨519m，B.Baker和J.Fowler設(shè)計(jì)）。EadsBridge（

OvertheMississippiatSt.Louis,Missouri，1867-1874）2023/5/29第九頁(yè)，共21頁(yè)。福斯橋主跨跨徑519m，鐵路高出水位47.8m，因風(fēng)力過(guò)大，橋梁桁架做成向內(nèi)傾斜，塔頂寬約10m，塔底寬36.6m，全橋共計(jì)3個(gè)橋塔，六個(gè)伸臂，各長(zhǎng)206m，懸跨長(zhǎng)107m。Forth橋（B.Baker和J.Fowler設(shè)計(jì)）2023/5/210第十頁(yè)，共21頁(yè)。（四）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論J.Aspdin，1824，發(fā)明了波特蘭水泥（注：不同于現(xiàn)代水泥）；J.Monier，1867，發(fā)現(xiàn)在水泥砂漿花盆中放置鋼絲網(wǎng)可把花盆做得很薄而

且牢固，申請(qǐng)專利。（混凝土結(jié)構(gòu)的創(chuàng)始人?。?875年建造了世界上第一座跨度為13.8m的鋼筋混凝土人行橋（ChazeletBridge）。TheimportantpointofMonier‘sideawasthatitcombinedsteelandconcreteinsuchawaythatthebestqualitiesofeachmaterialwerebroughtintoplay.2023/5/211第十一頁(yè)，共21頁(yè)。1884，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)研究G.A.Wayss,J.Bauschinger；1900，E.Morsch教授建立按允許應(yīng)力法計(jì)算的經(jīng)典理論；1907，德國(guó)成立鋼筋混凝土委員會(huì)，O.Graf,E.Morsch和F.Dischinger。1929，法國(guó)橋路大學(xué)居易翁（Y.Guyon）教授、瑞士R.Maillart教授、奧地利的FritzvonEmperger、比利時(shí)的A.Vierendeel以及捷克的A.Hawranek等對(duì)早期鋼筋混凝土的研究做出了重要貢獻(xiàn)，并于1929年發(fā)起成立國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)。1958年，建立鋼筋混凝土極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。2023/5/212第十二頁(yè)，共21頁(yè)。（五）懸索橋的撓度理論1869年，依據(jù)美國(guó)的德國(guó)工程師羅布林（J.A.Robling）開(kāi)始建造紐約布魯克林大橋，終于于1883年建成；（基于試驗(yàn)來(lái)探索懸索橋的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法）1888年，奧地利工程師J.Melan創(chuàng)立了懸索橋撓度理論，推導(dǎo)了考慮纜索在荷載作用下變形的平衡方程。1912年，移居美國(guó)的立陶宛工程師L.S.Moisseif第一次用撓度理論設(shè)計(jì)了紐約曼哈頓橋。隨后他與瑞士工程師阿曼(O.H.Ammann)設(shè)計(jì)或咨詢建造了10余座懸索橋。GeorgeWashingtonBridge(1100m,1931)GoldenGateBridge（1280m,1937）2023/5/213第十三頁(yè)，共21頁(yè)。（六）梁排計(jì)算理論（荷載橫向分布計(jì)算問(wèn)題）在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，橋梁結(jié)構(gòu)主要通過(guò)荷載的橫向分布將作用在橋梁的上荷載（三維問(wèn)題）轉(zhuǎn)換為二維平面問(wèn)題。因此，橫向分布問(wèn)題在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。1924年，A.Ostenfeld提出采用梁格法進(jìn)行橋面結(jié)構(gòu)的計(jì)算；1938年，F(xiàn).Leonhardt通過(guò)梁格試驗(yàn)，研究了考慮主梁抗扭的活載橫向分布，編制了計(jì)算表格。主要計(jì)算理論有剛性橫梁法、剛接板梁法、鉸接板梁法、G-M法（正交異性板法）等。（七）鋼結(jié)構(gòu)疲勞理論Woehler,1852-1869年發(fā)現(xiàn)車軸在循環(huán)荷載作用下其強(qiáng)度大大低于靜載強(qiáng)度，開(kāi)始對(duì)疲勞破壞進(jìn)行系統(tǒng)研究，首次用S-N曲線描述疲勞行為。1945年，美國(guó)人M.A.Miner在Palmgren研究的基礎(chǔ)上提出了著名的疲勞線性累積損傷理論。1957年，G.R.Irwin提出用應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)描述裂紋尖端應(yīng)力奇異性的大小。1963年，美國(guó)人P.C.Paris指出，疲勞裂紋在每個(gè)應(yīng)力循環(huán)中的擴(kuò)展量與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值有關(guān)。2023/5/214第十四頁(yè)，共21頁(yè)。（一）有限元分析軟件1.3現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)理論發(fā)展

以IT技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)分析理論的出現(xiàn)。1960年美國(guó)Clough教授提出“有限元法”概念。隨后，一大批數(shù)學(xué)、力學(xué)和工程師對(duì)有限元方法進(jìn)行了研究和推廣，開(kāi)發(fā)了許多計(jì)算軟件，極大得提高橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算效率和精度。如ANSYS、Midas、SAP、TDV等軟件。

盡管有限元軟件功能強(qiáng)大，但近代橋梁工程師所創(chuàng)立的各種古典解析理論和近似方法仍具有定性分析的意義，對(duì)于工程師在橋梁結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行估計(jì)和把握體系力學(xué)性能、理解規(guī)范和分析病害等具有重要的意義。

（二）預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)預(yù)應(yīng)力概念在古代最初的應(yīng)用是以繩索或鐵箍纏繞桶板做水桶。直到1886年，這一概念才應(yīng)用到混凝土中。美國(guó)工程師P.H.Jackson獨(dú)立地獲得了在混凝土拱內(nèi)張緊鋼拉桿做專用樓板的專利。1888年德國(guó)人C.E.W.Doehring獲得了在樓板受荷載前用施加預(yù)應(yīng)力鋼筋來(lái)加強(qiáng)的專利。2023/5/215第十五頁(yè)，共21頁(yè)。1928年法國(guó)E.Freyssinet提出必須采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)度混凝土的主張，并申請(qǐng)了預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)明專利，1939年發(fā)明了錐形錨。1956年，德國(guó)F.Dischinger教授設(shè)計(jì)建成了世界上第一座主跨69m的體外預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。1950年，德國(guó)K.Finsterwalder建造了第一座采用懸臂掛籃施工、主跨為62m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋——Lahn橋，隨后建成了主跨114.2m的Worms橋和208m的Bendorf橋，開(kāi)創(chuàng)了混凝土橋梁無(wú)支架施工的先河。1960年，德國(guó)H.Wittfoht首創(chuàng)移動(dòng)支架施工法，建造了KettigerHang橋和Krahnenberg橋。1964年，德國(guó)F.Leonhardt教授首創(chuàng)頂推法施工，建造了全長(zhǎng)500m的委內(nèi)瑞拉的RioCaroni橋。1964年，法國(guó)J.Muller首創(chuàng)預(yù)制節(jié)段架橋機(jī)拼裝施工法，建造了Oleron橋。2023/5/216第十六頁(yè)，共21頁(yè)。（三）正交異性橋面和結(jié)合梁正交異性橋面（OrthotropicSteelDeck）是二戰(zhàn)后由德國(guó)教授F.Leonhardt將船甲板移植到橋梁中，并加以改造以適應(yīng)橋面車輛荷載而創(chuàng)造的橋面形式。W.Pelikan和M.Esslinger兩人于1957年建立了正交異性橋面的實(shí)用分析方法（P-E法），該方法后來(lái)被廣泛采用。經(jīng)過(guò)多年大發(fā)展，正交異性鋼橋面板存在加勁肋與橋面板焊接處易開(kāi)裂、橋面鋪裝易破損等難題。1930年后德國(guó)工程師們發(fā)明鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁，隨后在20世紀(jì)60年代廣泛應(yīng)用，歐洲規(guī)范則將組合結(jié)構(gòu)與混凝土、鋼結(jié)構(gòu)并列為三大主要材料。2023/5/217第十七頁(yè)，共21頁(yè)。（四）斜拉橋的復(fù)興1784年，意大利木匠C.J.Loscher在威尼斯完全用木材建造了一座斜拉橋。1818年，英國(guó)兩座人行斜拉橋發(fā)生垮塌，法國(guó)著名工程師M.Navier在進(jìn)行事故調(diào)查