李怡恒

（湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡中學(xué)）

力學(xué)原理在橋梁工程施工中的運(yùn)用

李怡恒

（湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡中學(xué)）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，促使人們對(duì)橋梁力學(xué)的研究逐步深入。高中生作為祖國(guó)的未來(lái)和希望，加大力學(xué)原理在橋梁施工中的應(yīng)用研究，對(duì)提升自己所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力、增長(zhǎng)自身知識(shí)面都產(chǎn)生重要的影響。研究以各類橋梁工程中所用力學(xué)原理為研究視角，深入分析混凝土施工、模板與支架安裝中所用的力學(xué)知識(shí)，以期為類似研究提供一定借鑒和指導(dǎo)。

力學(xué)原理；橋梁工程；施工

橋梁建設(shè)所用的力學(xué)知識(shí)非常廣泛，其主要涉及力學(xué)中的理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等知識(shí)，只有準(zhǔn)確掌握這些知識(shí)，方可有效解決橋梁建設(shè)中遇到的力學(xué)問(wèn)題。為提升橋梁工程施工的質(zhì)量和水平，促使橋梁設(shè)計(jì)向著更好的方向發(fā)展，力學(xué)原理的應(yīng)用受到相關(guān)工作人員的重視和關(guān)注。此時(shí)，我們高中生加強(qiáng)力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，將所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐相互融合，能有效提升自身力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力。

一、各種橋梁工程中力學(xué)原理的應(yīng)用

1.拱橋中涉及力學(xué)原理

拱橋是我國(guó)傳統(tǒng)三大基本橋梁形式之一，它已成為世界最廣泛的橋梁。我國(guó)拱橋始建于東漢中后期，距今已有一千八百余年的發(fā)展史。由于拱橋的主要承重構(gòu)件外形均是曲的，拱橋的設(shè)計(jì)為半圓形結(jié)構(gòu)，兩端設(shè)置相應(yīng)的橋墩，設(shè)計(jì)過(guò)程中把橋面重量轉(zhuǎn)移至橋墩上，見(jiàn)圖1。如果有物體經(jīng)過(guò)橋頂時(shí)，物理做的運(yùn)動(dòng)為四周運(yùn)動(dòng)，所需的向心力由物體的重力及橋?qū)ξ矬w支持力的合力提供。當(dāng)物體處在失重狀態(tài)，物體運(yùn)動(dòng)速度明顯加大，失重的情況更加明顯，物體對(duì)橋的壓力越來(lái)越小。正常狀況下，拱橋一直處在受壓狀態(tài)，物體的壓力沿著拱形互勉向外傳遞至橋墩上。此時(shí)，拱橋拉力可以忽略不計(jì)，拱橋自然弧線及力向外擴(kuò)散能力能有效降低拱橋下側(cè)受到拉力的影響。必須注意，拱橋的半圓越大，下側(cè)遭受拉力的影響更大。

圖1 拱橋力學(xué)原理簡(jiǎn)圖

2.懸索橋涉及力學(xué)原理

懸索橋是指利用索塔懸掛并通過(guò)錨固結(jié)與兩岸纜索為結(jié)構(gòu)的稱重構(gòu)件，這種橋梁中最大的力為懸索中的張力及塔架壓力。因塔架基本上不受到側(cè)向力的影響，其結(jié)構(gòu)可做得非常纖細(xì)，加之，懸索對(duì)塔架還有發(fā)揮一定的穩(wěn)定作用。懸索橋主要包括懸索、吊桿、鎖踏塔、橋面系等部分組成，主要承重構(gòu)件為懸索，通常采用抗拉強(qiáng)度較高的鋼材制作而成。由于懸索橋可充分運(yùn)用材料的強(qiáng)度，并具有自重量輕、用料少等特點(diǎn)，因此，懸索橋在各類橋梁中的跨越能力最大。懸索橋的力學(xué)原理為：鉚釘利用橋塔將主纜拉起來(lái)，橋梁借助吊桿懸掛至主纜上，見(jiàn)圖2。根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的橋梁，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，除要使用物理知識(shí)解決橋梁承受力以外，還要考慮自然因素產(chǎn)生的影響，這些研究都為我們?nèi)蘸髮W(xué)習(xí)橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通常情況下，索橋主要承重構(gòu)件處在錨固的鎖定上，少數(shù)設(shè)計(jì)者為滿足特殊的需要，會(huì)把主纜直接錨固在加勁梁上，去除龐大的錨碇，形成自錨式懸索橋。因懸索橋水平力大小與主纜的矢跨比存在密切聯(lián)系，可通過(guò)調(diào)整矢跨比調(diào)節(jié)主梁內(nèi)的水平力。通常來(lái)說(shuō)，跨度較大，可適當(dāng)加大矢跨比，從而減小主梁的壓力，反之，合理減小其矢跨比，促使混凝土主梁的壓力適當(dāng)提升。

圖2 懸索橋力學(xué)原理效果圖

二、橋梁施工中運(yùn)用的力學(xué)原理

1.混凝土施工

從受力角度分析，探討預(yù)應(yīng)力與混凝土施工相互結(jié)合，本應(yīng)使用強(qiáng)度相等的預(yù)應(yīng)力鋼材。為實(shí)施恰當(dāng)?shù)木幨?，先要把預(yù)應(yīng)力筋梳理順直，方可預(yù)防預(yù)應(yīng)力筋在張拉或穿孔操作中出現(xiàn)互相纏繞引發(fā)不均勻受力。入股鋼絲受力不均勻，非常容易被拉斷，從而產(chǎn)生不必要的損失。從力學(xué)角度分析，努力使合力作用線處在核心截面構(gòu)件之內(nèi)，避免邊緣拉力與偏心受壓力過(guò)大的情況。張拉操作時(shí)，實(shí)施有條理的對(duì)稱張拉，進(jìn)一步減少偏心受壓。在力學(xué)原理的結(jié)合下，分階段對(duì)稱張拉能獲得良好的張拉效果，降低出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、建設(shè)是工程預(yù)應(yīng)力施工必須考慮的因素，需要對(duì)其受力原理展開(kāi)分析，運(yùn)用力學(xué)原理恰當(dāng)控制設(shè)計(jì)內(nèi)容，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

2.模板與支架安裝

從設(shè)計(jì)學(xué)角度分析，橋梁的安全性、可靠性是整個(gè)施工重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，模板安裝設(shè)計(jì)應(yīng)在進(jìn)行受力分析基礎(chǔ)上，保障支架構(gòu)造的安全性。由于現(xiàn)場(chǎng)施工中，荷載處于不斷變化的狀態(tài)，因此，對(duì)橋梁支架和模板進(jìn)行安裝時(shí)，要給予有力的組合，考慮多種因素的影響，認(rèn)真計(jì)算并落實(shí)支架驗(yàn)收、模板驗(yàn)收等內(nèi)容。由力學(xué)原理可知，如果受力不均勻，極易導(dǎo)致支架基礎(chǔ)不牢固，從而發(fā)生變形。對(duì)其受力進(jìn)行分析可知，若受力過(guò)大，模板與支架可能發(fā)生位移、下沉等情況，需要及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行處理。同時(shí)，模板與支架拆除也應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)的要求，根據(jù)設(shè)計(jì)順序完成查處操作，防止不利受力引起嚴(yán)重的破壞。

總之，橋梁是我們?nèi)粘Ｉ钪匾囊徊糠?，它能夠幫助人們穿越河流、鐵軌、峽谷等障礙。本次研究以力學(xué)原理為視角，探究其在拱形、懸索橋及其施工環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，以期為橋梁工程施工提供一定的指導(dǎo)。

［1］鄧子含.橋梁的類型與設(shè)計(jì)中的受力研究［J］.綠色科技，2016.

［2］張惠明.力學(xué)原理在橋梁施工規(guī)范中的應(yīng)用探討［J］.黑龍江交通科技，2013.

·編輯 孫玲娟