大跨度橋梁施工力學理論及其應用

袁 海

（中鐵十八局集團軌道交通工程有限公司,廣西 南寧530000）

一、橋梁的構造

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。 橋的基礎部分稱為墩臺。 橋臺的作用是橋梁與路堤銜接，其兩側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定。 通常習慣稱橋跨為橋梁的上部結構，稱橋墩、橋臺及其基礎為橋梁的下部結構.

二、橋梁上作用的力

(一)作用力的分類

在橋梁力學研究中一般將作用于橋梁結構上的力稱為荷載。 根據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，一般在力學分析與計算時就可以認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，這個載荷應該認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)以及橋梁上的風壓力等。

三、橋梁力學中主要概念及其相關理論的應用

(一)機構與結構

機構是指能組成這機構的各個構件能夠產生相對運動的構架。 從力學理論上講機構屬于幾何可變體系沒有承擔荷載的能力。

(二)靜定結構與超靜定結構

靜定結構是一種沒有多余約束的幾何不變體系。 這是這一結構在其幾何組成方面的主要特征。 因此這種結構在受力狀態方面的主要特征是全部反力和內力均可由靜力平衡方程所求得并且具有唯一性的解。 靜定結構的主要性質有以下幾個方面：首先是，季節交替和晝夜變化造成的環境溫度改變、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構中產生自內力。其次是，靜定結構中的任一約束力或構成其的任一構件遭到破壞， 其根本性質將會發生改變即變成為幾何可變體系。 再次，在外部荷載的作用下，如果這一結構中的某一部分能夠與加載的荷載保持平衡狀態， 那么其余部分的反力和內力必為零。 最后， 對靜定結構進行力學分析與計算過程中如果對部分荷載進行等效變換，那么受影響的僅是變換荷載范圍內的結構內力。

由于靜定結構具有上述四個力學特性， 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構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生了下陷傾斜，便導致了橋梁的斷裂和倒塌。

由于超靜定結構中的支座反力和內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行唯一確定，因此超靜定結構不同于靜定結構，這一結構的力學特征是其存在多余約束和未知力，因此超靜定結構具有和一般靜定結構不同的下列力學特征：首先是，超靜定結構的截面內力的大小、支座反力與組成這一結構的結構材料性質以及這一結構的截面大小有關。 其次是環境變化造成的環境溫度改變、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構內力的變化。 再次，與靜定結構不同，多余約束消失以后，結構的幾何特性不變，仍為幾何不變體系，超靜定結構仍然具有一定的承載能力。 最后超靜定結構比一般的靜定結構具有較大的剛度，并且結構中的內力更為均勻的分布， 因此超靜定結構的穩定性相比靜定結構也有所提高。

鑒于超靜定結構的以上力學特征， 在進行這種結構的設計與施工時，應當采取有效措施，努力做到結構中自內力的不利影響的消除或減輕工作。 而由于這種結構在防護能力和受力特征比一般的靜定結構更可靠、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區或高烈度區的橋梁一般應選用超靜定結構為主。 例如：河南孫口黃河大橋(連續鋼桁梁橋)、武漢二橋(斜拉橋) 、浙江東陽江大橋(連續剛構橋)、香港青馬大橋(懸索橋)等均為超靜定的結構形式。

(三)軸心受壓構件與偏心受壓構件

如果構件受到的縱向壓力通過其重心， 這樣的構件稱為軸心受壓構件。 如橋梁結構中的圓柱墩以及施工工程中的析架的受壓腹桿等。 根據其受力特征的不同軸心受壓構件可分為兩大類， 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度，與其他因素無關。 長柱是指由于構件細長， 所以構件的極限承載能力由于受到柱在受力情況下會發生側向變形，由于變形而產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件我們稱為偏心受壓構件。 偏心受壓構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置數量不足。 受壓破壞的形成條件是偏心距較小而受拉鋼筋的數量過多。

其實軸心受壓構件只是一種理想情況， 在實際的橋梁結構中幾乎是不存在的，在實際設計、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，都會導致受壓構件產生一定的初始偏心距。

(四) 普通結構和預應力結構

普通鋼筋硅結構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性能有很大的不同，因此在普通鋼筋硅結構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壓力載荷，而鋼筋主要承擔拉力載荷，但是在有些特殊情況下也可承擔壓力。

普通鋼筋硅結構的主要優點是： 首先這種結構具有較高的強度和韌度，在很多情況下能夠代替鋼結構，以節約鋼材， 降低橋梁的成本。 其次是這種結構具有良好的耐久性、耐水性和耐火性，可以廣泛應用于各種環境。 再次是由于這種結構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，因此采用這種結構的橋梁具有理想的抗震與抗暴性能。 最后這種結構的兩大材料都是使用廣泛的建筑基礎材料，便于就地取材進行建設。

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

預應力是指加載受荷前， 結構的各構件之間預先施加一定的應力。 預應力硅就是用通過張拉鋼筋， 利用鋼筋被拉伸后產生的回彈力擠壓混凝土等人工的方法在構件受荷前預先對硅結構施加一定的壓應力。 預加壓力的方法可分為先張法與后張法兩大類。 預應力硅結構的優點首先是抗裂性好， 可提高結構的耐久性和抗滲性。其次是可以通過利用高強度預應力鋼筋和高標號混凝土的方式來節省普通用鋼，減小橋梁高度和結構自重。

四、結語

橋梁施工的力學研究對于大跨度梁橋的設計施工和監理具有重要的意義。 本文在對橋梁結構和橋梁的受力類型進行簡要介紹的情況下， 著重對和橋梁施工相關的力學理論進行了分析與介紹，并指出了這些理論在實際中的應用。

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