力學(xué)知識在橋梁中的運用

1、力學(xué)知識在橋梁中的運用現(xiàn)代橋梁通常分為梁式橋、拱式橋、斜拉橋&懸索橋四類。近年來，中學(xué)教材和 教輔資料中出現(xiàn)了一些相關(guān)內(nèi)容和習(xí)題，從技術(shù)應(yīng)用的角度展示了物理學(xué)與社會 生活的聯(lián)系，體現(xiàn)了物理與技術(shù)的結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生觀察、探究身邊物理現(xiàn)象的 興趣和能力。本文擇取幾例，加以解析與點評，僅供參考。一、梁式橋梁式橋是以受彎為主的主梁作為主要承重構(gòu)件的橋梁。按主梁的靜力圖示，梁式橋又可分為簡支梁橋、連續(xù)梁橋和伸臂梁橋三類。前兩類梁橋從古到今，屢見不鮮。目前世界最大的鋼桁梁橋主跨已達(dá)549 rm人 們不太熟悉的伸臂梁橋，在山東科學(xué)技術(shù)岀版社發(fā)行的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗 教科書物理1（必修）第92面有圖文介紹，

2、使人一目了然，筆者不再贅述（該課本 為課標(biāo)諸多新教材之一，以下簡稱為“山科本”）。例1不同勁度的材料各有用處?；炷翀杂玻狈椥?，容易在拉伸時斷裂，而鋼筋耐拉伸，所以在混凝土預(yù)制橋梁血的承受張力的部位用鋼筋來加固。正確地放置鋼筋的位置，可以使橋梁更加牢固。如圖1所示，橋梁加固鋼筋位置正確的是（） 解析當(dāng)物體壓在該橋梁上時，橋墩內(nèi)側(cè)橋板的上表面受的是壓力，下表面受的 是拉力。橋墩外側(cè)橋板上表面受的是拉力，下表面受的是壓力。為了使鋼筋受到 的都是拉力，所以應(yīng)當(dāng)按圖所示的方式放置鋼筋。點評題的關(guān)鍵是體會橋梁各部分承受的是壓力還是拉力。類似問題在山科本第68面也有圖文介紹。二、拱式橋拱式橋是以承受

3、軸向壓力為主的拱（稱為主拱圈）作為主要承重構(gòu)件的橋梁。我國 古代能工巧匠建造出許多結(jié)構(gòu)精美的拱橋，如趙州橋等,堪稱早期拱形橋的經(jīng)典。 山科本第87面有圖文介紹，并簡述了力學(xué)原理。目前世界最大的鋼拱橋為上海 盧浦大橋,主跨為550 mo已建成的較大跨度的拱橋還有重慶萬州長江大橋（混凝 土拱橋，主跨達(dá)420 m）尺湖南鳳凰烏巢河石拱橋（主跨達(dá)120m）o例2輕軌“明珠線”的建成，緩解了徐家匯地區(qū)的交通擁擠狀況，請在圖2中13出拱形梁在A點的受力示意圖。這種拱形橋的優(yōu)點是 解析根據(jù)力的分解原理,拱形梁在A處的受力方向應(yīng)為切向（如圖2所示中補國 的箭頭所示）。其優(yōu)點是：梁身所受的力通過切向傳遞，最終將

4、受力傳遞給橋墩, 同時形成較大的跨度空間。點評本題為上海2002年春季招生試題之一。在技術(shù)上，這種橋面在拱肋下方的 拱形橋?qū)儆谙鲁惺焦皹颉Ｓ捎谠诠澳_處用一被稱為誣的縱向水平拉桿將兩拱腳 連接起來（圖2中未畫出，其作用是減小拱肋對橋墩的水平推力），故下承式拱橋 又稱系桿拱橋。三、斜拉橋典型示意圖如圖3所示，它由主梁、斜拉緊主梁的鋼索以尺支承鋼索的輕等部 分組成。斜拉橋的鋼索拉成直線，與索塔、橋面（主梁）構(gòu)成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)； 與具有多個橋墩的連續(xù)梁橋?qū)φ?一根（對）斜拉索就是代替一個橋墩的（彈性）支 點，故主梁同彈性支承上的連續(xù)梁性能相似，其剛度比懸索橋大，而主梁跨徑一 般介于梁式橋與懸索橋之間

5、。目前世界上最大的斜拉橋主跨達(dá)890 mo我國已位居世界前列的鋼結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)的斜拉橋有南京長江二橋（主跨628m）.上海楊浦大橋（主跨602m）、上海徐浦大 撿（主跨590m）;預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)斜拉橋有重慶長江二橋（主跨444m）、銅陵長 江二橋（主跨432m）、郎陽漢江橋住跨414m）、武漢長江二橋（主跨400m）o斜拉橋 是近年來應(yīng)用最廣的橋梁。例3如圖4所示，重力為G的均勻吊橋處于水平位置時，三根平行鋼索與橋面均成30 ,點間距ab=bc=Cd = d（）,若每根鋼索受力相同，則每根鋼索受力大小為（ ）解析 若以（）點為轉(zhuǎn)軸（設(shè)每根鋼索拉力均為巧，由力矩平衡關(guān)系可有解得F=2/3G,故

6、選擇選項D。點評：與圖3相對照，圖4相當(dāng)于斜拉橋索塔某一側(cè)的一部分。實際的斜拉橋十分復(fù)雜，僅鋼索分布就有單面布索或雙面布索、密索或少索、平行狀或放射狀等多種形式，故設(shè)計時斜拉索的受力計算要在綜合諸多因素后由左 型計算機(jī)處理,施工中索力的控制與調(diào)整也扱為精密。本題僅為最簡化的模型（本 題為全國中學(xué)生力學(xué)競賽試題）。四、懸索橋是以承受拉力的鋼索或鏈索（均稱為主索）作為主要承重構(gòu)件的橋梁。它由主索、 索塔、錨碇、吊索（或吊桿）、橋面等部分組成，基本示意圖如圖5所示。主索主 要承受拉力，一般用抗拉強度髙的鋼材制作,可以充分利用材料的強度，且具有 用料省、自重輕等特點，因而在各類橋梁中跨越能力最大（跨徑

7、可達(dá)到1000 m以 上）。懸索橋的主要缺點是剛度小。例4 1999年1（）月，我國第一座跨度超千米的特大懸索橋在江陰正式通車。該橋 主跨為1385 m,橋全長3071 m,橋下通航高度為50m,兩岸的橋塔髙196 m。橫 跨長江南北兩岸的兩根主纜繞過橋塔頂鞍座，由南北錨碇固定，整個橋面和主纜 的4.8萬噸重量都懸在這兩根主纜上。為計算方便起見，其整體結(jié)構(gòu)可簡化為如 圖6所示，每根主纜的張力約為（）A. 2. 4萬噸 B. 6萬噸C12萬噸D24萬噸解析圖6中大橋受整個橋面和主纜的總重力以&四段鋼索的拉力，這些力的合 力為零，大橋處于靜止的平衡狀態(tài)。這些力可等效為平面共點力系，設(shè)其延長線 相交于()點，其受