力学在桥梁工程中的应用及发展趋势

力学在桥梁工程中的应用及发展趋势桥梁在人类发展的历史过程中，可以说一直是一种社会文明的代表，纵观世界桥梁建设发展的历史，可以发现桥梁的发展与当时社会生产力的发展，工业水平的提高，施工技术的改进，数学、力学理论的发展，计算技术的改革都有密切的关系，其中力学理论的应用在桥梁建设中起着举足轻重的作用．特别是在l9，20世纪，随着力学理论及应用研究的长足进步，促使桥梁建设发生了前所未有的飞跃．本文从力学在桥梁工程中的应用这个角度，作简要的回顾、分析、评述和展望．1力学在桥梁工程中的应用及主要成就l8世纪以前，虽然当时人们对力学中的许多机理尚不了解，但已经在实践中摸索出诸如，土、石、砖、木等材料主要适合于受压的场合，因此所采用的桥梁建筑结构较为简单，如举世闻名的赵州桥(跨度为37．02m，公元605年)，它既发挥了土、石等圬工材料的优点，又减轻了桥身的自重，节约了用材，且便于排洪，还增加了美观，它集中体现了世界古代桥梁的伟大成就，同时也代表了古代中华文明，在今天看来，它应是力学在当时材料条件下的最佳发挥．18世纪前后，人们开始使用生铁，尽管人们已经认识到了这类材料是优于土、石等圬工材料的一类新材料，但是由于材料本身的缺昭以及人们对其力学机理、物理性质尚不清楚，其应用仍然受到了很大的限制．19世纪中叶，由于欧洲率先进入了工业社会，从根本上改变了西方社会近千年的文明，特别是在这一时期伴随Newton力学的形成、微积分学的发展及欧洲工业化格局的形成，使得力学的理论与实践得到了很大的发展，如与土木工程建筑有关的材料力学、结构力学的形成，造就了桥梁工程建设的第1次飞跃．英国的不列颠尼亚箱粱桥(跨度为141．00m，1850年)，美国的布鲁克林悬索桥(跨度为486.00m，1883年)及英国的福斯悬臂桁架桥(跨度为520.00m，1890年)等桥梁是这一时期的杰出代表．20世纪初期，由于西方工业社会的空前发展，力学研究的进步及相关学科的发展导致高强度钢材、钢筋混凝土乃至预应力混凝土等材料的出现，实现r桥梁工程发展史上的第2次飞跃．根据初等材料力学的结论，混凝土抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，人们为了增加其抗拉能力，设计了钢筋混凝土这类复合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受压力，但限于混凝土材料本身所具有的力学性能，将其作为粱式桥结构用材，跨度仍远逊色于传统的拱桥结构．在进一步实践过程中，人们又发现尽管有受力钢筋在承载，但在受拉区仍然不可避免地会出现一些裂缝，若对钢筋施加一定张力作用，可以克服此弊端即通过张拉预应力筋，使得受拉区事先储备一定数值的压应力当外荷载作用时，混凝土可不出现拉应力或不超过某个临界值的拉应力，从而极大地提高丁混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，进而导致了预应力混凝土桥梁结构的出现，扩展了其应用的范围，使之成为了2O世纪桥梁工程中的一类主要结构．我国自70年代末期起，预应力混凝土桥梁的建设得到了很快的发展，特别在近几十年的城市道路桥梁、高速公路桥梁建设中占据着主导地位，这其中诸如预应力混凝土T构、连续梁桥、桁架粱桥、大跨度简支梁桥等桥型都是在这一结构基础上的派生．由于初等材料力学及结构力学的发展，导致了跨越能力较强的悬索桥、斜拉桥的出现．在30年代美国就掀起过大跨度悬索桥的高峰，如美国纽约华盛顿桥(跨度为1067.00m，1931年)，旧金山金门大桥(跨度为1280.00m，1937年)等都是这一时期的典型代表．第2次世界大战以后，德国、日本曾一度赶上了美国；50年代起，斜拉桥结构在德国初见光芒，并很快波及世界各地；60年代，在日本、丹麦等地出现了兴建跨海工程的先例．随着桥梁工程建设的不断进步，出现了诸多困扰人们的力学难题，桥梁空间结构的受力分析，结构复杂的次应力计算，主梁、横隔粱、桥面板、支座、墩台及基础的设计、计算分析等都是和力学密切相关的问题，数学、力学理论及计算工具的进步推动了这些问题的懈决，并促进了桥梁工程进一步的发展和飞跃，同时使得桥梁工程作为独立的科学技术被确认，不再是凭桥梁设计者们的智慧和经验的创造过程，而是一门融理论分析、设计、施工控制与管理于一体的系统性学科，力学在这其中发挥了关键的作用，并且和其它学科进一步交叉渗透，派生出若干新的学科．如J．Muller公司提出的双锚索构思方案的应用，使得传统的斜拉桥在跨径上有了很大的突破，同时在力学上又对这类工程所需要的材料，提出了更高、更广的要求．事实上，采用这种新材科的大跨径桥梁结构设计本身，就无形地在引导着土术工程师们去探索新的知识领域，如某些复台材料的力学机理与混凝土或钢结构相比较，承载强度极大地增加了，自重降低了，在广泛地应用过程中，却由于其恒载的大幅减轻，于是风载引起的颤振问题又成为了一个亟待解决的课题，这个问题是属于非线性动力学分析领域的一个前措问题．因此，可以说桥梁工程在不断地给力学的应用提出新的挑战，正是由于人们在不断地迎接挑战，才使得力学在桥梁工程中的应用前景十分光明．世界上曾有过不少桥梁因失稳而丧失承载能力的事故，加拿大的魁北克(Quebec)桥曾在1907年架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹板翘曲而导致失稳，最后全部坍塌；澳大利亚墨尔本附近的西门(WestGate)桥，于1970年在架设拼拢整孔左右两半(截面)钢箱梁时。由于上翼板在跨中央失稳，导致l12m的整跨全部倒塌．风的颤振引起的强烈的非线性动力学作用也是导致桥梁破坏的一类原因，1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的Tacoma悬索桥在不到20m/s的8级大风作用下发生了强烈的风振而严重破坏。曾一度引起了桥梁工程界的震惊，促使人们认识到风对桥梁的作用，是一种不可忽视的力学作用．地震一类与地球构造运动密切相关的自然现象，同样也是造成桥梁失稳的一类重要荷载，1971年2月9日发生在美国圣费南多，震级为M6.7级的地震，就曾导致了城市高层建筑、桥梁倒塌及生命线工程的破坏，1976年7月28日发生在中国唐山，震级为M7．8级的地震，造成了大面积公路、铁路桥梁普遍倒塌或严重破坏，据有关部门专家对这次地震的分析，桥梁破坏主要集中在新近建造的桥梁，主要原因有岸坡滑移、地基失效、桥墩断裂、桥墩损伤积累、支座破坏、梁题相撞、相邻墩发生过太相对位移或错位，与之相比较，位于震中的许多单孔石拱桥、双曲拱桥，却具有良好的抗震能力，大多基本完好或仅有轻微的损伤，从而暴露出了近代桥梁设计中的薄弱环节．上述事实及工程实践推动了力学在桥梁工程中的应用，并导致了如桥梁抗震学、结构风工程学、桥梁振动等有关交叉学科的诞生和发展．随着桥梁上部结构的迅速发展，必然给下部结构提出更高的要求，同时也提出了更多的力学问题．由于钢筋棍凝土的推广使用，墩台的结构形式趋于多样化，除传统的重力墩台外。在力学分析的基础上发展了空心墩、桩柱式墩台、构架式墩台、框架式墩台、双柱式墩、拼装墩台、预应力钢筋薄壁墩等新型墩台，并且日趋轻型化、柔性化，同时高墩技术也有较大的发展。20世纪50年代以后，跨江、跨海湾、海峡大桥开始兴建，并以中国、日本为首大力发展了深水基础技术，如50年代在武汉长江大桥建设中首创的管柱基础，60年代在南京长江大桥建设中发展的重型沉井、深水钢筋棍凝土沉井和钢沉井，70年代在九江长江大桥建设中创造的双壁钢围堰钻孔柱基础，80年代进一步发展的复合基础．在日本，由于本四联络线工程的建设，近20年来，其次深水技术发展很快，以底下连续墙、设置沉井和无人沉箱技术最为突出．20世纪后期，计算机技术的出现为人们解决在桥梁建设中若干复杂力学计算创造了条件，使得一些计算工作量大得惊人的模型分析，得以通过计算机获得解答，在力学计算与分析的基础上，人们进一步能够利用计算机方便地进行与桥梁有关的辅助设计(CAD)，提高了工作效率．如前所述，桥梁工程在20世纪得到了长足发展，原因虽然是多方面的，但力学理论的完善及进步却起到了举足轻重的关键作用，这主要体现在以下几个方面。(1)材料力学的进步改进了桥梁建设中材料的使用，并使得人们在和材料科学交叉渗透的过程中发展了许多高性能的复合材料．(2)预应力思想的出现促进了桥梁的发展，导致桥梁恒载在不断地降低，跨度却在不断地增加，外形更加优美，更加与自然和谐．(3)高速计算机的出现使得复杂的力学分析、计算及辅助设计成为可能，特别随着一类功能不一的桥梁结构分析程序的出现，极大地加快了桥梁设计速度，提高了设计质量，缩短了桥梁建设的周期．(4)力学和多学科的交叉渗透成为现代桥梁发展的重要支柱．桥梁在不断的发展过程中，也在不断地提出若干带有挑战性的工程力学问题，这些问题的解决绝不是在单一力学领域内就能解决的，而是必须以力学为龙头，借助于多学科的交叉渗透，所以说力学的这种交叉渗透不但是现代桥梁发展的重要基础，也是学科乃至学科群交叉发展的一个重要源泉．2力学在桥梁工程中应用的发展趋势纵观桥梁的发展历程，可以发现桥梁工程的飞速进步主要集中在力学飞速发展的近代，并且在外形上逐步走向轻巧化、纤细化，但桥梁的载重、跨长却在不断增长．为了适应当今时代的要求，仍然需要建造大量承受更大载荷、甚至跨越海湾或大江等跨径和总长更太的桥梁，因此还需要桥梁向结构高强度、轻型、大跨度方向发展．展望2l世纪，力学在桥梁工程中的应用主要集中在以下几个方面。(1)从力学机理的角度以及多学科的交叉，进一步探索新型的、高强、超高强工程材料，建立其可靠的力学本构关系，并在结构理论研究上发展更符台实际状态的力学分析方法与新的设计理论，以充分发挥材料潜在的承载力，扶容许应力法推广到极限状态设计法，并向可靠度理论方向进行探索，以充分利用材料的强度，力求工程结构的安全度更为科学和可靠．(2)在大跨度桥梁设计中，深人探索桥梁风致振动的物理及几何非线性动力学机理，在以风洞试验模拟为依托的基础上，综合空气动力学、振动、稳定、疲劳、物理及几何非线性应用研究的普及，以及结构的受力分析将从简化的平面分析发展到更为精确的三维空间状态分析，更高教地解决超静定次数很高的桥梁结构及复杂结构的优化设计．2l世纪，随着力学理论和计算机的发展，桥梁工程结构的数值模拟分析及虚拟现实技术可望有重大的突破．(3)随着计算机技术的迅速发展，桥梁CAD将成为集力学结构分析、工程制图、工程概预算数据库为一体的专家系统．由于现成Internet技术在硬件和软件上的飞速进步，将从根本上改变传统的桥梁设计方式，并促使桥梁设计以极快的速度迈人桥梁设计的网络时代，实现贤源的共享。(4)桥梁施工控制技术将进一步发展，GINS和GIS技术的应用将成为热点，进一步综合利用固体力学的基础理论和数据资料，通过研究计算方法和数值仿真技术探索无损检测的理论及使用技术，对老龄的桥梁结构工程的安全性提供评估、监测方法及规范．这里所设计到的主要是结构稳定性研究，既要考虑结构的静力平衡稳定性，又要考虑其动力稳定性，需要借助非线性动力系统研究中关于Hopf分叉现象及奇异性理论、突变理论方面的进展，并且发展相应的数值方法．从这个意义上来讲，对太量旧桥的关键非线性动力学机理分析、模拟及检测将是一个热点问题，并有可能成为2l世纪桥梁工程领域内一道靓丽的风景线．(5)进一步探索超级跨海太桥结构中可能存在的力学难点及对策，为超太跨结构的设计、施工提供可靠的理论基础．(6)加强基础工程中疑难力学问题的研究，应用现代科学技术手段进行工程勘察，结合力学理论与分析方法，正确判断工程地质结构及地基的构造，使得桥梁工程结构具有更安全、更可靠和更合理的基础结构．可以预见，在现代力学理论强有力的支持下，大量的、更现代化、更轻巧、更优美，同时承载能力更强、跨度更长、功能更丰富的新型桥梁将在新世纪展现在人们眼前．