力學發(fā)展與橋梁發(fā)展的關系

1、力學發(fā)展與橋梁發(fā)展的關系橋梁在人類發(fā)展的歷史過程中， 可以說一直是一種社會文明的代表， 縱觀 世界橋梁建設發(fā)展的歷史， 可以發(fā)現(xiàn)橋梁的發(fā)展與當時社會生產(chǎn)力的發(fā)展， 工 業(yè)水平的提高，施工技術的改進，數(shù)學、力學理論的發(fā)展，計算技術的改革都 有密切的關系， 其中力學理論的應用在橋梁建設中起著舉足輕重的作用 特別 是在 19,20 世紀，隨著力學理論及應用研究的長足進步， 促使橋梁建設發(fā)生了 前所未有的飛躍本文從力學在橋梁工程中的應用這個角度，作簡要的評述。l8 世紀以前，雖然當時人們對力學中的許多機理尚不了解，但已經(jīng)在實 踐中摸索出諸如，土、石、磚、木等材料主要適合于受壓的場合，因此所采用 的橋梁

2、建筑結(jié)構(gòu)較為簡單，如舉世聞名的趙州橋 （跨度為37. 02m公元605 年） ，它既發(fā)揮了土、石等圬工材料的優(yōu)點，又減輕了橋身的自重，節(jié)約了用 材，且便于排洪，還增加了美觀，它集中體現(xiàn)了世界古代橋梁的偉大成就，同 時也代表了古代中華文明， 在今天看來， 它應是力學在當時材料條件下的最佳 發(fā)揮。18 世紀前后，人們開始使用生鐵，盡管人們已經(jīng)認識到了這類材料是優(yōu) 于土、石等圬工材料的一類新材料， 但是由于材料本身的缺昭以及人們對其力 學機理、物理性質(zhì)尚不清楚，其應用仍然受到了很大的限制. 19 世紀中葉， 由于歐洲率先進入了工業(yè)社會， 從根本上改變了西方社會近千年的文明， 特別 是在這一時期伴隨牛

3、頓力學的形成、微積分學的發(fā)展及歐洲工業(yè)化格局的形 成，使得力學的理論與實踐得到了很大的發(fā)展。1857 年由圣沃南在前人對拱的理論、靜力學和材料力學研究的基礎上， 提出了較完整的梁理論和扭轉(zhuǎn)理論。 這個時期連續(xù)梁和懸臂梁的理論也建立起 來。橋梁桁架分析 （如華倫桁架和豪氏桁架的分析方法 ） 也得到解決。 19 世紀 70年代后經(jīng)德國人K庫爾曼、英國人WJM蘭金和JC麥克斯韋等人的努力，結(jié) 構(gòu)力學獲得很大的發(fā)展，能夠?qū)蛄焊鳂?gòu)件在荷載作用下發(fā)生的應力進行分 析。這些理論的發(fā)展，推動了桁架、連續(xù)梁和懸臂梁的發(fā)展。 19 世紀末，彈 性拱理論已較完善，促進了拱橋發(fā)展。20 世紀 20 年代土力學的興起

4、，推動了橋梁基礎的理論研究。 20 世紀初 期，由于西方工業(yè)社會的空前發(fā)展， 力學研究的進步及相關學科的發(fā)展導致高 強度鋼材、 鋼筋混凝土乃至預應力混凝土等材料的出現(xiàn)， 實現(xiàn)橋梁工程發(fā)展史 上的第 2 次飛躍根據(jù)初等材料力學的結(jié)論， 混凝土抗拉強度很低， 但其價格 卻遠低于鋼材， 人們?yōu)榱嗽黾悠淇估芰Γ?設計了鋼筋混凝土這類復合建筑材 料，使其既能承受拉力， 又能承受壓力， 但限于混凝土材料本身所具有的力學 性能， 將其作為粱式橋結(jié)構(gòu)用材， 跨度仍遠遜色于傳統(tǒng)的拱橋結(jié)構(gòu) 在進一步 實踐過程中， 人們又發(fā)現(xiàn)盡管有受力鋼筋在承載， 但在受拉區(qū)仍然不可避免地 會出現(xiàn)一些裂縫， 若對鋼筋施加一定張力

5、作用， 可以克服此弊端即通過張拉預 應力筋， 使得受拉區(qū)事先儲備一定數(shù)值的壓應力當外荷載作用時， 混凝土可不 出現(xiàn)拉應力或不超過某個臨界值的拉應力， 從而極大地提高丁混凝土結(jié)構(gòu)的抗 裂性能、 剛度和承載能力， 進而導致了預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)， 擴展了 其應用的范圍，使之成為了 20 世紀橋梁工程中的一類主要結(jié)構(gòu)。隨著橋梁工程建設的不斷進步， 出現(xiàn)了諸多困擾人們的力學難題， 橋梁空 間結(jié)構(gòu)的受力分析，結(jié)構(gòu)復雜的次應力計算，主梁、橫隔粱、橋面板、支座、 墩臺及基礎的設計、 計算分析等都是和力學密切相關的問題， 數(shù)學、力學理論 及計算工具的進步推動了這些問題的懈決， 并促進了橋梁工程進一步的發(fā)

6、展和 飛躍，同時使得橋梁工程作為獨立的科學技術被確認， 不再是憑橋梁設計者們 的智慧和經(jīng)驗的創(chuàng)造過程， 而是一門融理論分析、 設計、施工控制與管理于一 體的系統(tǒng)性學科， 力學在這其中發(fā)揮了關鍵的作用， 并且和其它學科進一步交 叉滲透，派生出若干新的學科。橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究也是在橋梁發(fā)展過程中產(chǎn)生的一個新的力學應用 研究分支， 它與橋梁所承受的某些動荷載有關， 如風載、地震等是力學在橋梁 工程中應用的一大進步， 也是關系到其經(jīng)濟與安全的主要問題之一， 它與強度 問題的研究有著同等重要的意義。 近年來，由于大跨度橋梁建設日益廣泛地采 用高強度材料和薄壁結(jié)構(gòu)，使得此類問題的研究更具重要的意義。隨著

7、橋梁上部結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展， 必然給下部結(jié)構(gòu)提出更高的要求， 同時也 提出了更多的力學問題 由于鋼筋棍凝土的推廣使用， 墩臺的結(jié)構(gòu)形式趨于多 樣化，除傳統(tǒng)的重力墩臺外。在力學分析的基礎上發(fā)展了空墩、樁柱式墩臺、 構(gòu)架式墩臺、框架式墩臺、雙柱式墩、拼裝墩臺、預應力鋼筋薄壁墩等新型墩 臺，并且日趨輕型化、柔性化，同時高墩技術也有較大的發(fā)展。20 世紀后期，計算機技術的出現(xiàn)為人們解決在橋梁建設中若干復雜力學 計算創(chuàng)造了條件， 使得一些計算工作量大得驚人的模型分析， 得以通過計算機 獲得解答， 在力學計算與分析的基礎上， 人們進一步能夠利用計算機方便地進 行與橋梁有關的輔助設計(CAD)，提高了工作效率。如前所述，橋梁工程在 20 世紀得到了長足發(fā)展，原因雖然是多方面的， 但力學理論的完善及進步卻起到了舉足輕重的關鍵作用， 這主要體現(xiàn)在以下幾 個方面：(1) 材料力學的進步改進了橋梁建設中材料的使用，并使得人們在和材料科學 交叉滲透的過程中發(fā)展了許多高性能的復合材料。(2) 預應力思想的出現(xiàn)促進了橋梁的發(fā)展，導致橋梁恒載在不斷地降