斜拉橋與懸索橋之比較

1、斜拉橋與懸索橋之比較之楊若古蘭創(chuàng)作斜拉橋與懸索橋作為古代橋梁的次要建筑方式，二者 之間又存在著如何的區(qū)別與聯(lián)系呢？上面我們通過(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)解決一些理想 中的景象.首先我們來(lái)了解一下他們的定義：斜拉橋又稱斜張橋，是將主梁用很多拉索直接拉在橋 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)分量，節(jié)省了材料.斜拉橋由索塔、主梁、斜拉 索構(gòu)成.懸索橋，別名吊橋（suspension bridga指的是以通過(guò) 索塔吊桂并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索

2、（或鋼鏈）作為上部 結(jié)構(gòu)次要承重構(gòu)件的橋梁.其纜索幾何外形由力的平衡條件 決定，普通接近拋物線.從纜索垂下很多吊桿，把橋面吊 住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索構(gòu)成組合體 系，以減小活載所惹起的撓度變形.斜拉橋與懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖a, b所示.上面對(duì)一些理想景象進(jìn)行定性分析.1 .為何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)圖可以看由，斜拉橋和懸索橋都是通過(guò)鋼索的拉力來(lái)代替了橋墩的撐持力以減少橋墩的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)橋梁的大跨度.是以可2 .為何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)圖可以看由，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

3、C點(diǎn)提 供足夠的豎直拉力 Fcy隨著AC距離的添加，F(xiàn)c和Fcx將會(huì) 不竭增大，如許會(huì)不竭增大鋼索的拉力和橋面的軸向壓 力，這也是為何斜拉橋的鋼索大多集中在索塔的上端的緣 由.是以AC之間的距離不克不及太大，即斜拉橋的跨度不 克不及太大.而通過(guò)懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看由，懸索橋的 鋼索受力是豎直方向的，隨著跨度的添加其實(shí)不會(huì)添加鋼 索的受力.是以懸索橋的跨度可以比斜拉橋更大.3 .為何斜拉橋比懸索橋波動(dòng)？由斜拉橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看由繃緊的鋼索與索塔及橋 面根據(jù)三鋼片準(zhǔn)繩構(gòu)成了不變體系，而有懸索橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 圖不難看由懸索橋的主索、細(xì)鋼索、索塔及橋面之間構(gòu)成 的是可變體系.是以懸索橋的波動(dòng)性不如斜拉橋

4、的波動(dòng)性好.4 .既然添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，為何不把索塔建得很高呢？首先，添加索塔的高度會(huì)添加橋梁的用料，從而添加 橋梁的經(jīng)濟(jì)成本高.其次，因?yàn)槔硐肷钪袠蛎娴氖芰η闆r 特別復(fù)雜，沒(méi)法包管索塔兩邊橋面受力情況完整不異，這會(huì)使得索塔兩邊鋼索所受的拉力分歧，如果索塔很長(zhǎng)會(huì)使 得索塔與橋面連接處和橋墩與地面連接處彎矩過(guò)大，容易 發(fā)生破壞.5 .為何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.上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

5、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锳型或檎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)?懸索橋的索塔為 H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.因而可知在受力和橋面橫截面外形不異的 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粒箟翰豢估且孕崩瓨虻臉蛎婵梢员?懸索橋的橋面更寬一些.上面，假設(shè)

6、橋面受大小為q的均布力（因?yàn)闃蛎娲我艿奖旧淼闹亓?，而橋面本身的重力是均布力），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),而且假設(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，做由斜拉橋與懸索 橋的受力圖g,剪力圖e,彎矢!圖f.從斜拉橋和懸索橋加鋼索和沒(méi)加鋼索的剪力圖可以看 由：鋼索的添加能無(wú)效的減小剪力的不竭的添加，將剪力 釀成一種周期性的力.同時(shí)可以看由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， 是以能無(wú)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

7、的彎矩圖.同時(shí)從斜拉 橋和懸索橋的彎矩圖中可以看由來(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).因而可知添加鋼索的數(shù)量不但可以減 小斜拉橋和懸索橋橋面的剪力和彎矩，同時(shí)也能夠減小每 根鋼索的拉力.因而可知精確的估計(jì)每一段的受力情況，以 此來(lái)設(shè)置鋼索中的預(yù)應(yīng)力是十分次要的，對(duì)減小橋面中的 剪力和彎矩起著決定性的感化.雖然鋼索中的預(yù)應(yīng)力設(shè)置不當(dāng)也能夠起到禁止彎矩增大感化，但后果將大打扣頭.因而可知對(duì)斜拉橋和懸索橋進(jìn)行精確的受力分析是十分次要的.以上只是在理想化的條件下進(jìn)行的粗糙的理論分析， 理想中老是有著如許或那樣的不成控條件.首

8、先，橋面不成 能受均布力：其次，大跨度的橋梁并不是只發(fā)生小變形， 而是會(huì)發(fā)生大變形；最初，斜拉橋的橋面存在著彎矩和軸力混合感化的效應(yīng).當(dāng)然還有其他的一些身分對(duì)理論分析的 影響沒(méi)有列舉由來(lái)，我們就先不討論了 .上面我們來(lái)分析一 下以上三個(gè)方面對(duì)我們的分析形成的影響.1 .因?yàn)闃蛎娴氖芰Σ⒉皇蔷剂Γm然橋面本身的重力 仍是均布力，但兩者相加以后，剪力圖e中的剪力就不是線性變更的，這會(huì)對(duì)鋼索預(yù)應(yīng)力的估計(jì)形成困難.2 .因?yàn)榇罂缍葮蛄喊l(fā)生的并不是小變形，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)當(dāng)應(yīng)用幾 何非線性的分析方法進(jìn)行分析.幾何非線性成績(jī)是指大位移 成績(jī)，幾何活動(dòng)方程為非線性

9、.在絕大多數(shù)大位移成績(jī)中， 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變是巨大的.因?yàn)閼?yīng)變是巨大的，對(duì)線性成績(jī) 普通是根據(jù)變形前的地位來(lái)建立平衡方程 .但對(duì)幾何非線性 成績(jī)，因?yàn)槲灰谱兏l(fā)生的二次內(nèi)力不克不及忽略，荷載 一變形關(guān)系為非線性，此時(shí)疊加道理不再適用，全部結(jié)構(gòu) 的平衡方程應(yīng)按變形當(dāng)前的地位來(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 合感化下，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)件在軸向力感化下的橫向撓度會(huì)惹起 附加彎矩，而彎矩又影響軸向剛度的大小，此時(shí)疊加道理 不再適用.但如果構(gòu)件承受著一系列橫向荷載和位移的感 化，而軸向力假定堅(jiān)持不變，那么這些橫向荷載和位移還 是可以疊加的.是以，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)橫向的影響確定上去，就可以采取線性分析的方法進(jìn)行近似計(jì)算 .有兩種方法可以處理