力學(xué)發(fā)展與橋梁發(fā)展的關(guān)系

1、力學(xué)發(fā)展與橋梁發(fā)展的關(guān)系橋梁在人類發(fā)展的歷史過(guò)程中， 可以說(shuō)一直是一種社會(huì)文明的代表， 縱觀 世界橋梁建設(shè)發(fā)展的歷史， 可以發(fā)現(xiàn)橋梁的發(fā)展與當(dāng)時(shí)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展， 工 業(yè)水平的提高，施工技術(shù)的改進(jìn)，數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的發(fā)展，計(jì)算技術(shù)的改革都 有密切的關(guān)系， 其中力學(xué)理論的應(yīng)用在橋梁建設(shè)中起著舉足輕重的作用 特別 是在 19,20 世紀(jì)，隨著力學(xué)理論及應(yīng)用研究的長(zhǎng)足進(jìn)步， 促使橋梁建設(shè)發(fā)生了 前所未有的飛躍本文從力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用這個(gè)角度，作簡(jiǎn)要的評(píng)述。l8 世紀(jì)以前，雖然當(dāng)時(shí)人們對(duì)力學(xué)中的許多機(jī)理尚不了解，但已經(jīng)在實(shí) 踐中摸索出諸如，土、石、磚、木等材料主要適合于受壓的場(chǎng)合，因此所采用 的橋梁

2、建筑結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(diǎn)，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(shí)也代表了古代中華文明， 在今天看來(lái)， 它應(yīng)是力學(xué)在當(dāng)時(shí)材料條件下的最佳 發(fā)揮。18 世紀(jì)前后，人們開始使用生鐵，盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(duì)其力 學(xué)機(jī)理、物理性質(zhì)尚不清楚，其應(yīng)用仍然受到了很大的限制. 19 世紀(jì)中葉， 由于歐洲率先進(jìn)入了工業(yè)社會(huì)， 從根本上改變了西方社會(huì)近千年的文明， 特別 是在這一時(shí)期伴隨牛

3、頓力學(xué)的形成、微積分學(xué)的發(fā)展及歐洲工業(yè)化格局的形 成，使得力學(xué)的理論與實(shí)踐得到了很大的發(fā)展。1857 年由圣沃南在前人對(duì)拱的理論、靜力學(xué)和材料力學(xué)研究的基礎(chǔ)上， 提出了較完整的梁理論和扭轉(zhuǎn)理論。 這個(gè)時(shí)期連續(xù)梁和懸臂梁的理論也建立起 來(lái)。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(jì) 70年代后經(jīng)德國(guó)人K庫(kù)爾曼、英國(guó)人WJM蘭金和JC麥克斯韋等人的努力，結(jié) 構(gòu)力學(xué)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(yīng)力進(jìn)行分 析。這些理論的發(fā)展，推動(dòng)了桁架、連續(xù)梁和懸臂梁的發(fā)展。 19 世紀(jì)末，彈 性拱理論已較完善，促進(jìn)了拱橋發(fā)展。20 世紀(jì) 20 年代土力學(xué)的興起

4、，推動(dòng)了橋梁基礎(chǔ)的理論研究。 20 世紀(jì)初 期，由于西方工業(yè)社會(huì)的空前發(fā)展， 力學(xué)研究的進(jìn)步及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展導(dǎo)致高 強(qiáng)度鋼材、 鋼筋混凝土乃至預(yù)應(yīng)力混凝土等材料的出現(xiàn)， 實(shí)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(xué)的結(jié)論， 混凝土抗拉強(qiáng)度很低， 但其價(jià)格 卻遠(yuǎn)低于鋼材， 人們?yōu)榱嗽黾悠淇估芰Γ?設(shè)計(jì)了鋼筋混凝土這類復(fù)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(xué) 性能， 將其作為粱式橋結(jié)構(gòu)用材， 跨度仍遠(yuǎn)遜色于傳統(tǒng)的拱橋結(jié)構(gòu) 在進(jìn)一步 實(shí)踐過(guò)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(huì)出現(xiàn)一些裂縫， 若對(duì)鋼筋施加一定張力

5、作用， 可以克服此弊端即通過(guò)張拉預(yù) 應(yīng)力筋， 使得受拉區(qū)事先儲(chǔ)備一定數(shù)值的壓應(yīng)力當(dāng)外荷載作用時(shí)， 混凝土可不 出現(xiàn)拉應(yīng)力或不超過(guò)某個(gè)臨界值的拉應(yīng)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(jìn)而導(dǎo)致了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)， 擴(kuò)展了 其應(yīng)用的范圍，使之成為了 20 世紀(jì)橋梁工程中的一類主要結(jié)構(gòu)。隨著橋梁工程建設(shè)的不斷進(jìn)步， 出現(xiàn)了諸多困擾人們的力學(xué)難題， 橋梁空 間結(jié)構(gòu)的受力分析，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的次應(yīng)力計(jì)算，主梁、橫隔粱、橋面板、支座、 墩臺(tái)及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、 計(jì)算分析等都是和力學(xué)密切相關(guān)的問(wèn)題， 數(shù)學(xué)、力學(xué)理論 及計(jì)算工具的進(jìn)步推動(dòng)了這些問(wèn)題的懈決， 并促進(jìn)了橋梁工程進(jìn)一步的發(fā)

6、展和 飛躍，同時(shí)使得橋梁工程作為獨(dú)立的科學(xué)技術(shù)被確認(rèn)， 不再是憑橋梁設(shè)計(jì)者們 的智慧和經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)造過(guò)程， 而是一門融理論分析、 設(shè)計(jì)、施工控制與管理于一 體的系統(tǒng)性學(xué)科， 力學(xué)在這其中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用， 并且和其它學(xué)科進(jìn)一步交 叉滲透，派生出若干新的學(xué)科。橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究也是在橋梁發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的一個(gè)新的力學(xué)應(yīng)用 研究分支， 它與橋梁所承受的某些動(dòng)荷載有關(guān)， 如風(fēng)載、地震等是力學(xué)在橋梁 工程中應(yīng)用的一大進(jìn)步， 也是關(guān)系到其經(jīng)濟(jì)與安全的主要問(wèn)題之一， 它與強(qiáng)度 問(wèn)題的研究有著同等重要的意義。 近年來(lái)，由于大跨度橋梁建設(shè)日益廣泛地采 用高強(qiáng)度材料和薄壁結(jié)構(gòu)，使得此類問(wèn)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(shí)也 提出了更多的力學(xué)問(wèn)題 由于鋼筋棍凝土的推廣使用， 墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式趨于多 樣化，除傳統(tǒng)的重力墩臺(tái)外。在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上發(fā)展了空墩、樁柱式墩臺(tái)、 構(gòu)架式墩臺(tái)、框架式墩臺(tái)、雙柱式墩、拼裝墩臺(tái)、預(yù)應(yīng)力鋼筋薄壁墩等新型墩 臺(tái)，并且日趨輕型化、柔性化，同時(shí)高墩技術(shù)也有較大的發(fā)展。20 世紀(jì)后期，計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為人們解決在橋梁建設(shè)中若干復(fù)雜力學(xué) 計(jì)算創(chuàng)造了條件， 使得一些計(jì)算工作量大得驚人的模型分析， 得以通過(guò)計(jì)算機(jī) 獲得解答， 在力學(xué)計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上， 人們進(jìn)一步能夠利用計(jì)算機(jī)方便地進(jìn) 行與橋梁有關(guān)的輔助設(shè)計(jì)(CAD)，提高了工作效率。如前所述，橋梁工程在 20 世紀(jì)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，原因雖然是多方面的， 但力學(xué)理論的完善及進(jìn)步卻起到了舉足輕重的關(guān)鍵作用， 這主要體現(xiàn)在以下幾 個(gè)方面：(1) 材料力學(xué)的進(jìn)步改進(jìn)了橋梁建設(shè)中材料的使用，并使得人們?cè)诤筒牧峡茖W(xué) 交叉滲透的過(guò)程中發(fā)展了許多高性能的復(fù)合材料。(2) 預(yù)應(yīng)力思想的出現(xiàn)促進(jìn)了橋梁的發(fā)展，導(dǎo)致橋梁恒載在不斷地降