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桥梁设计原理(一)

(2012-04-21 10:20:44)
标签:

杂谈

分类: 特色活动路桥行动--路文化

 

 

毫无疑问您见过桥,而且几乎肯定您也曾经过某座桥。如果您曾在河流上架上厚板或圆木以免湿脚,那么您甚至还造过桥。桥可以说是无处不在,它已经成为我们日常生活的一部分。桥能够让人穿越某些障碍:河流、峡谷、道路、各种铁轨等等。

本文将会介绍三种主要桥梁类型,让您了解每种桥的工作原理。所要使用的桥梁类型取决于障碍的各种特征,其中关键特征在于所要跨越的障碍有多大。它的两侧距离有多远?这是决定桥梁类型的主要因素,当您读完这篇文章后,您就会知道其中的原因所在。
桥梁主要有三种类型:

              梁桥

              拱桥

              吊桥

这三种类型最大的不同之处在于其单跨距的长度。跨距是两个桥梁支柱之间的距离,不管它们是桥柱、桥塔还是峡谷的峭壁。例如现代梁桥的跨距可以达到60米,而现代拱桥的跨距可以轻松达到240到300米。吊桥是桥梁技术的金字塔尖,它的跨距能够达到2,100米。

为什么拱桥的跨距能够比梁桥长得多?为什么吊桥的跨距能够达到拱桥的7倍?答案就在于各种桥梁如何处理两种力——压力和拉力:

              压力是物体所作用的挤压或收缩力。

              拉力是物体所作用的扩张或拉伸力。

弹簧是我们每天常见的有关压力和拉力的例子。下压弹簧或将弹簧的两端挤向一起的时候,即将其压缩。压力会让弹簧变短。上拉弹簧或者将其两端向外拉时,即将其拉伸。拉力会让弹簧伸长。

所有的桥梁都会受到压力和拉力,桥梁设计的任务就是妥善处理这些力而不会出现弯曲或拉断。当压力超过物体的承受能力时就会发生弯曲,当拉力超过物体的承受能力时就会造成拉断。处理这些力的最佳方式就是将其分散或转移。分散就是将其散布到更大的面积,避免出现某个点集中受力。转移就是将其从强度较弱的区域移到专门设计的受力区域。拱桥就是将力分散的很好的例子,而吊桥则是将力转移的范例。
梁桥基本上是一种坚固的水平结构,并支撑在两端的两个桥墩上。桥梁以及其上的所有承载物的重量直接由桥墩支撑。重量直接向下方传递。

压力

压力显然是桥面(或路面)上承受的最大的力。这导致桥面的上面部分收缩。

拉力

由于桥面上面部分受压,导致桥面下面部分要承受拉力。这种拉力导致梁的下面部分拉伸。

示例:拿一条二四木材(宽2英寸长4英寸的标准木材)放在两个空牛奶箱上,即形成了一个简易的梁桥。现在放一个25公斤左右的东西在中间位置。注意二四木材的弯曲程度。上面受压,下面受拉。如果不断增加重量,二四木材最终会折断。实际上也就是,上面将弯曲而下面会拉断。

 

 

 

分散

公路上的很多天桥使用了混凝土或梁来承受载荷。梁的尺寸(特别是梁的高度)决定了梁的最大跨距。增加梁的高度,梁就有更多的材料来分散拉力。为了建造很高的梁,桥梁设计师为桥添加了支撑的栅格结构,又叫桁架。这种支撑桁架为现有的梁增加强度,大大提高了其分散压力和拉力的能力。当梁开始受压时,力量即通过桁架分散。

尽管使用了天才的桁架结构,梁桥的跨距仍然有限。随着跨距的增加,桁架的尺寸也要增大,直到桥的自身重量无法被桁架支撑。
梁桥有多种不同的类型,取决于桁架的设计、位置和材料。在工业革命刚开始时,美国的梁桥建筑发展得非常迅速。设计师提出了很多种不同的桁架设计和材料。木桥被纯铁或木铁混合结构取代。在这个时期里,不同的桁架风格也有重大的进步。早期的设计中有一种十分流行的样式叫做豪氏桁架。这种设计由威廉•豪于1840年获得了专利。

 

 

 

他的创新并不在于桁架的样式。它与已有的主梁型样式有点类似,不过在对角的木柱支撑之外,还使用了垂直的铁柱支撑。当今的很多梁桥仍然在桁架中使用豪氏样式。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

桁架强度

单个梁不管跨距多大,都会同时承受压力和拉力。梁的顶部承受最大压力,而底部承受最大拉力。中部则承受很少的压力或拉力。

如果在梁的设计上顶部和底部使用较多材料,而中部使用较少材料,则可以更好地承受压力和拉力(因此,工字型梁比简单的矩形梁更坚固)。

桁架结构将这种概念向前推进一步。桁架桥的一侧被看作单个梁。梁的中部由桁架的斜构件构成,而桁架的顶部和底部代表梁的顶部和底部。用这样的方式来观察桁架,我们会发现梁的顶部和底部比中部所用的材料更多(瓦楞纸板非常坚硬就是因为这种原因)。

除了上面提到的桁架结构效果以外,桁架比单个梁更坚固的原因还有一个:桁架能将载荷分散到桁架结构各处。桁架通常由各种不同的三角形构成,形成了非常坚固的结构,并且将载荷从一个单点转移到范围很大的区域。

 

 

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