桥梁结构分析理论与方法—绪论作业解析课件.ppt
高等桥梁结构理论,绪论,参考高等桥梁结构理论第二版,一、近代桥梁结构理论的回顾主要介绍了拱桥和悬索桥的古典计算理论、桥梁稳定理论、桁架分析理论、混凝土结构设计理论、悬索桥的挠度理论和非线性理论、梁排计算理论（荷载横向分析问题）、钢结构疲劳理论等理论。二、现代桥梁结构理论的发展主要介绍了有限元分析软件、预应力混凝土技术、各向异性桥面和结合梁以及斜拉桥等理论。,一、近代桥梁结构理论的回顾,近代桥梁理论发展的三个时期理论奠基时期 16601765 进步时期 17651874成熟时期 18741945 1660年胡克定律1765年工业革命1874年美国工程师J.Eads用钢材建造了世界上第一座三跨钢桁拱桥。1945年二战结束,土木工程的理论基础1638年，伽利略（意大利）提出了材料的力学性质和强度概念；1660年，胡克（英国）提出材料的应力和应变关系即胡克定律；1687年，牛顿（英国）提出了力学三大定律。这三个理论构成了土木工程的理论基础。,一、近代桥梁结构理论的回顾,1、拱桥和悬索桥的古典计算理论理论基础1586年，Stvin（英国）建立了悬索内力的三角形法则；1638年，伽利略（意大利）提出了悬挂的链条形状可能为抛物线的猜想；1675年，胡克（英国）提出拱的形状可以从倒过来悬索中找到；16901691年，伯努利兄弟、Leibnitz、Hugens先后发现悬链线的数学 公式并不是抛物线1695年，De La Hire（法国）发表了关于拱的静力学的最早研究。,一、近代桥梁结构理论的回顾,一、近代桥梁结构理论的回顾,1、拱桥和悬索桥的古典计算理论工程实践17471765年，工程师佩罗内（法国）领导法国巴黎桥路学校建造了许多坦拱桥（研究了石拱桥的压力线，并用力学和材料强度理论对拱圈和桥墩的尺寸进行了计算）。代表作为巴黎协和桥。1779年，工程师Abraham Darby（英国）设计建造了世界上第一座跨度30.65米的铸铁拱桥Coalbrookdale桥（被称为近代第一桥）。19世纪初，工程师John and William Smith兄弟（英国）设计建造了79.25米的苏格兰Dryburgh Abbey桥，该桥使用熟铁眼杆做主缆（1818年被风吹毁）。1825年，工程师塞昆（法国）用锻铁丝建造了一座主跨85米的柔性主缆悬索桥。,一、近代桥梁结构理论的回顾,巴黎协和桥建于17551791年,一、近代桥梁结构理论的回顾,Coalbrookdale桥建于1779年,一、近代桥梁结构理论的回顾,2、桥梁稳定理论理论基础1744年，欧拉（瑞士）提出的中心受压杆的屈曲理论；1889年，恩格塞（德国）给出了塑性稳定的理论解；1891年，布莱恩（英国）首次进行了单行均匀受压简支矩形板的稳定分析；一战前，桥梁稳定理论（包括压杆，薄板，梁的侧倾，拱的稳定）基本建立；1940年前后，李国豪（中国）对前人的工作做了全面的总结。,一、近代桥梁结构理论的回顾,2、桥梁稳定理论工程实践1850年，斯蒂芬逊（英国）用熟铁板建造了跨度达141米的巨型箱梁桥布列坦尼亚（Britannia）桥。他在设计过程中使用了模型试验研究梁的受力性能，梁高对刚度的影响，以及他在试验中发现的现象对稳定理论有重要的推动作用。虽然桥梁稳定理论是在该桥梁之后发展的，但是设计者当时已经采用加劲肋防止失稳。,一、近代桥梁结构理论的回顾,原布列坦尼亚桥建于1850年,1970年毁于火灾,一、近代桥梁结构理论的回顾,新布列坦尼亚桥在原桥基础上改建，于1980年完工,一、近代桥梁结构理论的回顾,3、桁架分析理论理论基础桁架桥梁的理念来源于房屋建筑中。1847年，惠普尔（美国）发表了一部著作桥梁建筑研究，对桁架中各杆件受力进行分析，并根据受力提出材料使用建议。1859年，郎肯（英国）编写了应用力学手册，是19世纪的结构分析方法的经典著作。,一、近代桥梁结构理论的回顾,3、桁架分析理论工程实践1874年，艾兹（美国）首先用钢材代替锻铁建造了世界上第一座三跨（155.1+158.6+153.1）钢桁拱桥。1890年，英国也用钢材建成了跨度达521.2米的福斯桥。,一、近代桥梁结构理论的回顾,Eads Bridge（公铁两用桥）建于1874年,一、近代桥梁结构理论的回顾,Eads Bridge（公铁两用桥）建于1874年,一、近代桥梁结构理论的回顾,Eads Bridge（公铁两用桥）建于1874年,一、近代桥梁结构理论的回顾,Forth Bridge（铁路桥）建于1890年,一、近代桥梁结构理论的回顾,4、混凝土结构设计理论理论基础1900年，E.Mrsch（德国）教授建立了容许应力法计算的经典理论。该理论建立在大量研究、试验基础上。1931年，A.（前苏联）教授提出了按破坏内力法计算理论的建议。1955年，前苏联率先颁布了按极限状态法设计的混凝土与钢筋混凝土设计标准技术规范。,一、近代桥梁结构理论的回顾,4、混凝土结构设计理论工程实践混凝土材料由水泥、骨料、水混合而成。1824年，J.Aspdin（英国）发明了波特兰水泥；1867年，JMonier（法国）申请了钢筋混凝土的专利；1875年，JMonier（法国）建造了世界上第一座跨度13.8m的钢筋混凝土人行桥；1898年，FHennebique（法国）设计建成了跨度达52.46m的钢筋混凝土拱桥。,一、近代桥梁结构理论的回顾,5、悬索桥的挠度理论和非线性理论理论基础1888年，米兰（奥地利）创立了悬索桥的理论，导出了荷载下变形的平衡方程。1938年，李国豪（中国）提出了悬索桥按二阶理论的实用方法。,一、近代桥梁结构理论的回顾,5、悬索桥的挠度理论和非线性理论工程实践18691883年，罗布林（美籍德裔）一家三人建造了主跨达到486米的纽约布鲁克林桥（理论尚未形成，通过模型试验探索悬索桥的力学性能和设计方法）；1912年，莫西夫（美籍立陶宛裔）第一次用挠度理论设计了纽约曼哈顿桥。（后来被风吹毁的塔科马大桥也为莫西夫设计）此后几十年间工程师运用挠度理论建造了十余座悬索桥，包括著名的旧金山金门大桥（长1280米，建于1937年）,一、近代桥梁结构理论的回顾,布鲁克林桥建于1883年,一、近代桥梁结构理论的回顾,曼哈顿桥建于1912年,一、近代桥梁结构理论的回顾,金门大桥建于1937年,一、近代桥梁结构理论的回顾,6、梁排计算理论（荷载横向分析问题）理论基础1924年，AOstenfeld（丹麦）提出用梁格求解桥面结构的方法，忽略抗扭刚度；1938年，FLeonhardt通过梁格试验，研究了考虑主梁抗扭的活载横向分布，在工程中应用节省了材料；1949年，HHomberg编制的影响面数表成为梁格法计算荷载横向分布系数的基础；1950年，CMassonet（比利时）把主梁的抗扭刚度这算到正交异性板中，成为弹性板法计算荷载横向分布的基础；1960年，NKhachaturian（美国）提出了假设铰缝里只传递剪力的铰接板模型，成为铰接板法的基础。,一、近代桥梁结构理论的回顾,6、梁排计算理论（荷载横向分析问题）工程实践通过计算荷载横向分布系数，明确每片梁所承受的最大荷载，能够减少材料用量，有较大的经济效益。同时也有利于对梁的形式及其尺寸进行修改从而得到最佳的梁高。,一、近代桥梁结构理论的回顾,7、钢结构疲劳理论理论基础18521869年,Woehler开始对疲劳破坏进行系统的研究，提出了疲劳“耐久极限”的概念。1945年，MAMiner在J.A.Palmgren工作的基础上提出了著名的疲劳线性累积损伤理论。1963年，PCParis指出了每个应力循环中的扩展量和应力强度应力幅值之间的关系即Paris公式；1968年，JWHutchinson、JRRice和GFRosengren发表了HRR弹塑性静止裂纹尖端奇异解，标志着弹塑性断裂力学理论走向成熟。,一、近代桥梁结构理论的回顾,7、钢结构疲劳理论工程实践世界上的发达国家比如美国、欧洲、日本等都建立了自己的抗疲劳设计规范。,二、现代桥梁结构理论的发展,1、有限元法软件理论基础1956年，MJTurner和RWClough（美国）共同发表了用有限元技术计算机翼的论文，标志着有限元法的开端；1960年，RWClough（美国）在平面弹性理论中第一次采用了有限元法的名称，并扩展应用到土木工程中；1965年，冯康（中国）发表了论文基于变分原理的差分格式；1967年，O C Zienkiewicz出版了有限元领域最早的出版物有限元法,二、现代桥梁结构理论的发展,1、有限元法软件商业应用有限元法主要走向了商业化软件的道路，例如ANSYS、SAP、Midas、TDV等；商用软件主要的功能包括：(1)自动加载和荷载组合方法(2)斜桥、曲线梁和异形空间桥梁分析(3)混凝土徐变、收缩和抗裂性分析(4)体内、体外预应力配索方法,二、现代桥梁结构理论的发展,2、预应力混凝土技术理论基础原理：混凝土虽然抗压能力很强，但抗拉能力很弱，而在混凝土中预拉钢筋就会使混凝土产生压应力，这就可以用来抵消由恒载或活载在混凝土内所产生的拉应力。1886年，PHJackson（美国）获得在混凝土拱内张紧钢拉杆做楼板用的专利；1888年，CEWDoehring（德国）获得在楼板受荷载前用已施加拉力的钢筋来加强的专利；1928年，EFreyssine（法国）提出必须采用高强钢筋和高强混凝土的主张，率先申请了预应力混凝土的发明专利；部分预应力混凝土体外预应力混凝土,二、现代桥梁结构理论的发展,2、预应力混凝土技术工程实践1939年，EFreyssine（法国）发明了端部锚固用的锥形锚具和双作用千斤顶；1940年，GMagnel（比利时）研制出一次张拉两根钢丝并在每端用一钢楔锚固；1956年，FDischinger（德国）设计建成了第一座主跨69米的体外预应力混凝土连续梁桥；1950年，德国首创悬臂挂篮施工；1960年德国首创移动托架法施工；1964年德国首创顶推法施工；1964年法国工程师首创预制节段架桥机拼装工法。,二、现代桥梁结构理论的发展,3、各向异性板面和结合梁理论基础1948年，FLeonhardt（德国）首先创造使用了各向异性钢桥面板1957年，WPelikan 和MEsslinger两人建立了被公认为分析各向异性桥面分析最好的方法P-E法1930年，德国工程师发明了组合梁；1971年，欧洲混凝土委员会CEB、欧洲钢结构大会CECS、国际预应力联盟FIP、国际桥协IABSE组成了组合结构联合委员会，编制了组合结构的模范标准。,二、现代桥梁结构理论的发展,4、斜拉桥的复兴理论基础1784年，CJLoscher在威尼斯用木材建造了世界上第一座斜拉桥。1818年，两座人行斜拉桥的倒塌引起工程师的怀疑导致斜拉桥被否定一个多世纪。1938年，FDischinger（德国）重新分析了斜拉桥，认为之前的事故是由于材料强度不足和非线性原因；1955年，FDischinger用高强钢丝和非线性理论成功建造了主跨183米的瑞典Stmsund桥。（现代第一座）,
