大跨度桥梁施工力学理论及其应用

2015-08-15袁海

山东农业工程学院学报 2015年1期

袁海

（中铁十八局集团轨道交通工程有限公司,广西南宁530000）

一、桥梁的构造

一座完整桥梁的主要组成部分包括桥跨、桥墩、桥台及桥头锥体等。桥的基础部分称为墩台。桥台的作用是桥梁与路堤衔接，其两侧做成填土或填石锥体并在表面加以铺砌，用来保证桥台与路堤很好衔接，并保证桥头路堤的稳定。通常习惯称桥跨为桥梁的上部结构，称桥墩、桥台及其基础为桥梁的下部结构.

二、桥梁上作用的力

(一)作用力的分类

在桥梁力学研究中一般将作用于桥梁结构上的力称为荷载。根据荷载作用面积的大小可分为集中荷载与分布荷载。

（1）集中荷载:

桥梁上所受的载荷如果作用面积很小或其作用面积与桥梁整体面积相比可忽略不计的载荷，一般在力学分析与计算时就可以认为其作用于一集中点上，所以称为集中荷载，如汽车对桥梁的作用力、梁支座对梁的反力都可以视为集中荷载(如图1)。

（2）分布力和分布荷载

作用面积较大或作用面积与桥梁整体相比不能忽略不计时，这个载荷应该认为是作用于一个面上，这种载荷就是分布荷载。如梁的自重(如图2)以及桥梁上的风压力等。

三、桥梁力学中主要概念及其相关理论的应用

(一)机构与结构

机构是指能组成这机构的各个构件能够产生相对运动的构架。从力学理论上讲机构属于几何可变体系没有承担荷载的能力。

(二)静定结构与超静定结构

静定结构是一种没有多余约束的几何不变体系。这是这一结构在其几何组成方面的主要特征。因此这种结构在受力状态方面的主要特征是全部反力和内力均可由静力平衡方程所求得并且具有唯一性的解。静定结构的主要性质有以下几个方面：首先是，季节交替和昼夜变化造成的环境温度改变、桥梁支座的位置变化、桥梁施工中的误差以及建筑材料收缩等都不会在静定结构中产生自内力。其次是，静定结构中的任一约束力或构成其的任一构件遭到破坏，其根本性质将会发生改变即变成为几何可变体系。再次，在外部荷载的作用下，如果这一结构中的某一部分能够与加载的荷载保持平衡状态，那么其余部分的反力和内力必为零。最后，对静定结构进行力学分析与计算过程中如果对部分荷载进行等效变换，那么受影响的仅是变换荷载范围内的结构内力。

由于静定结构具有上述四个力学特性，因此在桥梁施工中能够带来很大的便利，不足之处是由于静定结构由于没有多余的约束，因此在施工中很容易造成较大的安全隐患。例如位于广汕路上的燕岗桥由于桥墩产生了下陷倾斜，便导致了桥梁的断裂和倒塌。

由于超静定结构中的支座反力和内力并不适用于静力平衡条件，因此不能以偶这一平衡条件进行唯一确定，因此超静定结构不同于静定结构，这一结构的力学特征是其存在多余约束和未知力，因此超静定结构具有和一般静定结构不同的下列力学特征：首先是，超静定结构的截面内力的大小、支座反力与组成这一结构的结构材料性质以及这一结构的截面大小有关。其次是环境变化造成的环境温度改变、桥梁支座的位置变化、桥梁施工中的误差以及建筑材料收缩等均会引起超静定结构内力的变化。再次，与静定结构不同，多余约束消失以后，结构的几何特性不变，仍为几何不变体系，超静定结构仍然具有一定的承载能力。最后超静定结构比一般的静定结构具有较大的刚度，并且结构中的内力更为均匀的分布，因此超静定结构的稳定性相比静定结构也有所提高。

鉴于超静定结构的以上力学特征，在进行这种结构的设计与施工时，应当采取有效措施，努力做到结构中自内力的不利影响的消除或减轻工作。而由于这种结构在防护能力和受力特征比一般的静定结构更可靠、更理想，因此在重要地域、具有较大跨度以及处于地震的高发区或高烈度区的桥梁一般应选用超静定结构为主。例如：河南孙口黄河大桥(连续钢桁梁桥)、武汉二桥(斜拉桥) 、浙江东阳江大桥(连续刚构桥)、香港青马大桥(悬索桥)等均为超静定的结构形式。

(三)轴心受压构件与偏心受压构件

如果构件受到的纵向压力通过其重心，这样的构件称为轴心受压构件。如桥梁结构中的圆柱墩以及施工工程中的析架的受压腹杆等。根据其受力特征的不同轴心受压构件可分为两大类，即短柱和长柱。短柱是指极限承载能力取决于柱的横载面大小以及材料强度，与其他因素无关。长柱是指由于构件细长，所以构件的极限承载能力由于受到柱在受力情况下会发生侧向变形，由于变形而产生的附加弯矩会使极限承载能力降低。

由于短柱在荷载作用下截面的受压形变量均匀分布，因此具有稳定性，一般不容易遭受破坏。长柱在轴力和附加弯矩的共同作用下，最终失去平衡而遭到破坏。对于同时受轴向压力和弯矩作用的构件我们称为偏心受压构件。偏心受压构件由于遭受破坏而失效，一般可分为受拉破坏和受压破坏两类。受拉破坏的形成条件一般是偏心距较大且钢筋的设置数量不足。受压破坏的形成条件是偏心距较小而受拉钢筋的数量过多。

其实轴心受压构件只是一种理想情况，在实际的桥梁结构中几乎是不存在的，在实际设计、施工和使用中荷载作用位置会有所偏差，浇筑用的混凝土不可能做到绝对均匀，同时施工制造的误差也难以完全避免，以上种种原因，都会导致受压构件产生一定的初始偏心距。

(四) 普通结构和预应力结构

普通钢筋硅结构的主要组成材料是钢筋和混凝土，由于这两种材料的物理力学性能有很大的不同，因此在普通钢筋硅结构中这两种材料的作用也有所不同，一般来说混凝土材料主要承担压力载荷，而钢筋主要承担拉力载荷，但是在有些特殊情况下也可承担压力。

普通钢筋硅结构的主要优点是：首先这种结构具有较高的强度和韧度，在很多情况下能够代替钢结构，以节约钢材，降低桥梁的成本。其次是这种结构具有良好的耐久性、耐水性和耐火性，可以广泛应用于各种环境。再次是由于这种结构一般在施工中属于整体浇注完成，因此具有良好的整体性能，因此采用这种结构的桥梁具有理想的抗震与抗暴性能。最后这种结构的两大材料都是使用广泛的建筑基础材料，便于就地取材进行建设。

这种结构的主要缺点是：首先是这种结构体积很大，由于自重过大对桥梁基础的要求更高。其次是由于混凝土的抗裂性能不高，设计施工中必须予以考虑。最后这种结构的工序复杂、工期较长，且施工过程需要大量耗材。

预应力是指加载受荷前，结构的各构件之间预先施加一定的应力。预应力硅就是用通过张拉钢筋，利用钢筋被拉伸后产生的回弹力挤压混凝土等人工的方法在构件受荷前预先对硅结构施加一定的压应力。预加压力的方法可分为先张法与后张法两大类。预应力硅结构的优点首先是抗裂性好，可提高结构的耐久性和抗渗性。其次是可以通过利用高强度预应力钢筋和高标号混凝土的方式来节省普通用钢，减小桥梁高度和结构自重。