为什么悬索桥的跨越能力如此强?

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为什么悬索桥的跨越能力如此强?

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知乎用户,西南交通大学桥梁工程系,教授

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桥梁结构形式主要有几种

1、简支梁,2,连续梁(连续刚构)3,拱桥,4,斜拉桥,5,悬索桥

桥梁除了承担车辆荷载外,更重要的是要承担自身的自重。

简支梁的最大跨度是 50m,在跨度增长时,为了能够增强抵抗能力,需要加大梁高,而梁高的增长会增大自重,而且自重产生的效应即弯矩,是与跨径成平方关系,因此当跨度达到一定时,无论怎么提高梁高,都没法增加跨度了,因为桥梁会被自己的自重压垮。

跨度继续提高,就需要采用连续梁与连续刚构形式了,这两种形式会在支座位置产生负弯矩,减小跨中的正弯矩,改善桥梁的受力。

最大跨度,大概做到 250m。

拱桥的跨越能力很好,如 1 楼所述,拱结构承担很大的压力,会改善其受力性能。

但是这是理想情况,即拱桥承受均布荷载的形式。这种形式荷载的来源通常是自重。

所以拱桥的自重对拱桥的受力,经常是有利的,而车辆荷载是集中力,集中力会产生弯矩。

弯矩太大了之后,拱圈就受不了了。

同时混凝土虽然说抗压能力很好,但是受压构件有个很致命的稳定问题,跨度大了之后,稳定问题就会很突出了。

混凝土拱桥,钢筋混凝土拱桥,目前最大跨度是 420 米,万县长江大桥。

而目前正在设计的,北盘江大桥,跨度达到了 445m。

斜拉桥的跨度可以达到 1000m 左右,斜拉桥的主要受力构件是斜拉索,加劲梁,主塔。

在主梁上,每隔一段就设置一个斜拉索,这相当于给加劲梁加了一个弹性支撑,把大跨度的斜拉桥分成若干个小跨度的加劲梁,这样加劲梁的受力就不会随着跨度的增长而成几何级数增长。而斜拉索的强度又很高,这样跨度就做大了。但是因为斜拉索的角度问题,所以斜拉索会给加劲梁有一个轴心压力,这个压力就会引起稳定问题,所以 1 楼说拉压力比弯矩要好,实际上是不准确的。

悬索桥在斜拉桥的基础上有变化,悬索桥的主要受力构件是大缆,锚钉。加劲梁不再是主要受力构件了。

悬索桥的大缆上垂下吊杆,也将加劲梁分成若干段,只是与斜拉桥不一样的是,吊杆与加劲梁垂直。此时,吊杆完全起一个支撑作用,对加劲梁不会产生水平分力,这就避免了加劲梁的稳定问题。

车辆在加劲梁上运行,车辆荷载和加劲梁自重,通过吊杆传递到大缆上,所有荷载由大缆承担,最后传递到两头的锚锭上。加劲梁就类似与小跨度的简支梁,这时候不控制受力了。

斜拉桥和悬索桥跨度很大的原因,就是用斜拉索和吊杆,将大跨度的加劲梁分割成了若干个弹性支撑的小跨度桥。使得跨度的增长不会大幅度的增加自重。

同时 1 楼提出的:轴向拉压是不是一定比受弯更好,恐怕值得商榷

悬索桥之所以要转换为拉力,是与材料有密切关系的

因为我们只能得到抗拉的高强材料,钢绞线的抗拉强度是 1869MPa,而一般形成梁的钢材 Q345,屈服强度是 345MPa,有 5 倍的差距。

如果也有像斜拉索的高强板材,其他桥型的跨度也能做大。

拱桥也是利用类似的原理,混凝土材料与圬工材料抗压性能很好,所以我们转化为压力。

我们转化为什么力,是根据材料性能选择的,而不是因为拉压比弯曲好。

简单来说,如果悬索桥是把弯矩转化为了压力,而不是拉力,那到底哪个好呢?

举一个例子,如果一个能够有非常高强度的中长柱,一个受纯弯,一个受轴压,谁更容易破坏呢?

再取到极限状态,如果强度无穷高,又是什么情况呢?

恐怕轴压的稳定问题会更突出吧。

另外 1 楼举的筷子容易弯断不容易拉断的例子,来说明抗弯比较困难

实际上,不容易拉断的生活经验,是因为无法提供足够的拉力。要想施加足够的拉力,必须要保证手和筷子有足够的摩擦力,这是很难做到的。

如果用拉力机加载,是可以加到筷子纤维的抗拉强度。

无论是受拉还是受压,还是受弯,最后都是反映到应变或者应力上,其本质是剪切应变能达到极限状态。只是因为我们的加载或者试验方式,实施起来可能有的更容易,有的不那么容易而已。

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