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悬索桥的跨越能力为何如此之强

发布:xxwrjx!@#$ 浏览:99次

  悬索桥的上部主体结构主要承受拉力,这几乎是效率最高的结构体系。

  简单说,拿筷子做类比。随便一用力就可以把筷子掰断,这就是筷子在受弯;但几乎很少有人能够把筷子拉断,这就是筷子在受拉。几乎所有的材料,受拉的效能都要远远高于受弯的效能。

  想一下晾衣服。受弯的例子就是晾衣杆(木头、竹子、金属),这些杆子都要有足够的直径,否则很容易就被衣服压断了。受拉的例子则是晾衣绳,很细的一根绳子,所用的材料比木杆子少得多,晾上衣服之后下垂的弧度很大,但一般情况下很难被拉断。

  与受拉相比,受弯是一个效率极低的承载方式。一定程度上,提高结构效能就是尽量的把受弯转化为受拉或者受压。如果同时能够做到尽量减轻结构自重,那就更完美了。拱结构就是转化为受压的例子,而悬索桥则是转化为受拉的例子。

  普通的梁式桥,完全依靠受弯承载。这种形式非常常见,地铁、高架、小型公路桥梁,几乎全部是这样的。右边是它的截面的应力分布,上下边缘受力大,中间位置几乎为零。也就是说,整个截面的应力并不是平均分配的,尽管中间位置几乎没有应力,但是,只要上下边缘达到了极限,整个截面同样可以被破坏。

  既然中间截面几乎为零,那么为什么不把它们省略呢?于是,就有了这种开孔梁。截面中间部位应力很小的那些地方被省去,减轻了自重。拉压应力集中在上下边缘处。

  把这个趋势进一步扩大,也就是把原来的梁式结构进一步格构化,去掉应力小的部位,保留最基本的部位,我们就得到了 这种桁架结构。

悬索桥

  它的大致内力分布,红色受拉,蓝色受压。它的截面分布更加合理,上弦杆件受压,下弦杆件受拉,中间没用的部位全是空的。著名的就是这样的结构型式。

  如果把这个最优化的趋势做到极致,那就达到了这种的悬索结构。整个悬索承受同样大小的拉力,整个悬索的拉力由支座处的锚固平衡。其实这种结构非常好理解,想象成一根晾衣绳,上面晾了11件衣服,而晾衣绳的两端,需要牢固的栓在墙上或者柱子上。很容易理解吧?比较难理解的是如何解决锚固处巨大的力?

  拱桥就是另一个方向的极致,与 e 图上下对称,拱结构只承受压力,也不承受弯矩。但与纯受拉的悬索结构相比,受压的拱结构还牵扯到稳定问题。举个例子,你用脚踩放在地上的空易拉罐,很难把它踩碎,但是很容易就把它踩变形、踩扁了。因此,拱结构的效率还是比不上悬索结构。


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