斜拉橋與懸索橋之比較.doc

斜拉橋與懸索橋之比較斜拉橋與懸索橋作為現(xiàn)代橋梁的主要建筑方式，二者之間又存在著怎樣的區(qū)別與聯(lián)系呢？下面我們通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行受力方面的定性分析，來(lái)解決一些現(xiàn)實(shí)中的現(xiàn)象。首先我們來(lái)了解一下他們的定義：斜拉橋又稱斜張橋，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。其可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。懸索橋，又名吊橋（suspension bridge）指的是以通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。斜拉橋與懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖a，b所示。 下面對(duì)一些現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象進(jìn)行定性分析。 1.為什么斜拉橋和懸索橋可以比其他橋梁的跨度大很多？通過(guò)斜拉橋和懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出，斜拉橋和懸索橋都是通過(guò)鋼索的拉力來(lái)代替了橋墩的支持力。因此可以減少橋墩的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)橋梁的大跨度。2. 為什么懸索橋可以比斜拉橋的跨度更大？通過(guò)斜拉橋和懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出，斜拉橋的鋼索是斜著的，以a圖C點(diǎn)進(jìn)行受力分析，為了在C點(diǎn)提供足夠的豎直拉力Fcy隨著AC距離的增加，F(xiàn)c和Fcx將會(huì)不斷增大，這樣會(huì)不斷增大鋼索的拉力和橋面的軸向壓力，這也是為什么斜拉橋的鋼索大多集中在索塔的上端的原因。因此AC之間的距離不能太大，即斜拉橋的跨度不能太大。而通過(guò)懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出，懸索橋的鋼索受力是豎直方向的，隨著跨度的增加并不會(huì)增加鋼索的受力。因此懸索橋的跨度可以比斜拉橋更大。3. 為什么斜拉橋比懸索橋穩(wěn)定？由斜拉橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出繃緊的鋼索與索塔及橋面根據(jù)三鋼片原則構(gòu)成了不變體系，而有懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖不難看出懸索橋的主索、細(xì)鋼索、索塔及橋面之間構(gòu)成的是可變體系。因此懸索橋的穩(wěn)定性不如斜拉橋的穩(wěn)定性好。4. 既然增加索塔可以加大橋面的豎向拉力，減小橋面軸向應(yīng)力鶴崗索拉力，為什么不把索塔建得很高呢？首先，增加索塔的高度會(huì)增加橋梁的用料，從而增加橋梁的經(jīng)濟(jì)成本高。其次，由于現(xiàn)實(shí)生活中橋面的受力情況特別復(fù)雜，無(wú)法保證索塔兩邊橋面受力情況完全相同，這會(huì)使得索塔兩邊鋼索所受的拉力不同，如果索塔很長(zhǎng)會(huì)使得索塔與橋面連接處以及橋墩與地面連接處彎矩過(guò)大，容易發(fā)生破壞。5.為什么斜拉橋的橋面可以比懸索橋的橋面寬很多？斜拉橋的橋面比懸索橋的橋面寬很多是有橋面的材料為混凝土和橋面的受力特點(diǎn)的決定的。下面截取斜拉橋和懸索橋的橋面的一個(gè)橫截面來(lái)簡(jiǎn)化力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行受力分析。假設(shè)橋面受大小為q的均布力，斜拉橋的受力如圖c,懸索橋的受力如圖d。在斜拉橋的橫截面受力圖中，橋面橫截面受斜向上的鋼索拉力，因?yàn)樾崩瓨虻乃魉锳型或椡Y型；而在懸索橋的受力圖中，橋面橫截面只受到豎直向上的拉力，因?yàn)閼宜鳂虻乃魉镠型。假設(shè)斜拉橋和懸索橋橋面長(zhǎng)度為l，厚度為2h，則斜拉橋受到的最大拉應(yīng)力為：My/Iz-Tt/2lh=0.5ql*lh/Iz-Tt/2lh；懸索橋的最大拉應(yīng)力為：My/Iz=0.5ql*l/Iz。由此可見在受力和橋面橫截面形狀相同的情況下，斜拉橋的最大拉應(yīng)力比懸索橋小Tt/2lh，又因?yàn)闃蛎娌牧蠟榛炷?，抗壓不抗拉，因此斜拉橋的橋面可以比懸索橋的橋面更寬一些。下面，假設(shè)橋面受大小為q的均布力（因?yàn)闃蛎嬷饕艿阶陨淼闹亓?，而橋面自身的重力是均布力），而這也是橋面的，設(shè)有n根鋼索且每根鋼索所受的拉力相等為T=ql/(n+2)，并且假設(shè)橋面只發(fā)生小變形，對(duì)力學(xué)模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化后。對(duì)斜拉橋和懸索橋進(jìn)行分析，做出斜拉橋與懸索橋的受力圖g，剪力圖e，彎矩圖f。從斜拉橋和懸索橋加鋼索和沒加鋼索的剪力圖可以看出：鋼索的增加能有效的減小剪力的不斷的增加，將剪力變成一種周期性的力。同時(shí)可以看出鋼索越多剪力圖像中的峰值在斜率不變，鋼索的只能更加會(huì)使圖像的周期減小，因此能有效地減小剪力圖像中的峰值(FQ=ql/(n+2)，由M(X)=FQ(X)dx得到斜拉橋和懸索橋的彎矩圖。同時(shí)從斜拉橋和懸索橋的彎矩圖中可以看出來(lái)其圖像也為周期函數(shù)圖象。同樣其圖像的峰值與鋼索的數(shù)量加2后的平方成反比（M=ql*l/(n+2)*(n+2)。由此可見增加鋼索的數(shù)量不僅可以減小斜拉橋和懸索橋橋面的剪力和彎矩，同時(shí)也可以減小每根鋼索的拉力。由此可見準(zhǔn)確的估計(jì)每一段的受力情況，以此來(lái)設(shè)置鋼索中的預(yù)應(yīng)力是十分重要的，對(duì)減小橋面中的剪力和彎矩起著決定性的作用。雖然鋼索中的預(yù)應(yīng)力設(shè)置不當(dāng)也可以起到阻止彎矩增大作用，但效果將大打折扣。由此可見對(duì)斜拉橋和懸索橋進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析是十分重要的。以上只是在理想化的條件下進(jìn)行的粗糙的理論分析，現(xiàn)實(shí)中總是有著這樣或那樣的不可控條件。首先，橋面不可能受均布力：其次，大跨度的橋梁并非只發(fā)生小變形，而是會(huì)發(fā)生大變形；最后，斜拉橋的橋面存在著彎矩和軸力混合作用的效應(yīng)。當(dāng)然還有其他的一些因素對(duì)理論分析的影響沒有列舉出來(lái)，我們就先不討論了。下面我們來(lái)分析一下以上三個(gè)方面對(duì)我們的分析造成的影響。1. 由于橋面的受力并非均布力，雖然橋面自身的重力仍是均布力，但兩者相加之后，剪力圖e中的剪力就不是線性變化的，這會(huì)對(duì)鋼索預(yù)應(yīng)力的估計(jì)造成困難。2. 由于大跨度橋梁發(fā)生的并非小變形，而是會(huì)發(fā)生大變形。以上的線彈性的分析方法就不再適用了，應(yīng)該運(yùn)用幾何非線性的分析方法進(jìn)行分析。幾何非線性問(wèn)題是指大位移問(wèn)題，幾何運(yùn)動(dòng)方程為非線性。在絕大多數(shù)大位移問(wèn)題中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變是微小的。因?yàn)閼?yīng)變是微小的，對(duì)線性問(wèn)題一般是根據(jù)變形前的位置來(lái)建立平衡方程。但對(duì)幾何非線性問(wèn)題，由于位移變化產(chǎn)生的二次內(nèi)力不能忽略，荷載一變形關(guān)系為非線性，此時(shí)疊加原理不再適用，整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程應(yīng)按變形以后的位置來(lái)建立。3. 斜拉橋的斜拉索拉力使其它構(gòu)件處于彎矩和軸向力組合作用下，這些構(gòu)件即使在材料滿足虎克定律的情況下也會(huì)呈現(xiàn)非線性特性。構(gòu)件在軸向力作用下的橫向撓度會(huì)引起附加彎矩，而彎矩又影響軸向剛度的大小，此時(shí)疊加原理不再適用。但如果構(gòu)件承受著一系列橫向荷載和位移的作用，而軸向力假定保持不變，那么這些橫向荷載和位移還是可以疊加的。因此，軸向力可以被看作為影響橫向剛度的一個(gè)參數(shù)，一旦該參數(shù)對(duì)橫向的影響確定下來(lái)，就可以采用線性分析的方法進(jìn)行近似計(jì)算。有兩種方法可以處理這種由壓一