高中研究性学习结题报告.docx
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高中研究性学习结题报告
研究性学习结题报告
一、课题意义
我们小组在最近的新闻当中经常看到有桥梁出现质量问题,有很多是“豆腐渣”工程,这种现象引起了我们小组同学的注意。
为了更好的了解和分析桥梁的质量问题,更进一步的认识不同结构的桥梁的受力特点和适用范围。
我们小组决定制作几种类型的桥梁模型,并进行试验,最后综合实际得出分析。
二、研究方式
研究方法:
信息收集法,模拟试验法
具体内容:
收集桥梁资料、制作桥梁模型、模拟实际情况进行实验,
三、研究过程设计
第一阶段:
确定选题,收集桥梁种类及承重信息;
第二阶段:
选择合适材料,制作桥梁模型;
第三阶段:
选择试验所用重物,对桥梁模型进行加载实验,记录试验数据;
第四阶段:
将所得试验数据进行数据分析;
第五阶段:
将分析得出的数据与实际的桥梁相对比,分析现有桥梁的优缺点
四、实验结果(实验数据)
斜拉桥 弓形拱桥
梁架桥 悬索桥
桥梁名称
1
2
3
4
5
6
7
8
9
斜拉桥
587+587
584+586
590+592
581+595
575+574
584+584
576
319+314
276+271
弓形拱桥
584+584
576+575
584+586
587+587
(严重弯曲)
590+592(有声音)
574+581(有声音)
595
319+314
271+276
梁架桥
587+587
590+595
584+586
319+314
271+276
512
576+584
574
575+581
悬索桥
584+584
587+587
584+581
574+575
595+592
586+576
590
271+276
319+314
注:
以上为进行的9次实验,每一座桥承受的总质量相同。
单位均为g。
其中斜拉桥和梁架桥在实验时没有明显的现象,弓形拱桥和悬索桥的桥板弯曲形变较大。
五、实验分析
在制作桥的过程中,我们小组选用的是木条和乳胶、502胶水、线绳,根据网上提供的桥梁模型图片制作桥梁模型。
(如下图)
实验数据分析:
1、斜拉桥(斜拉桥斜拉所采用的材料是棉线):
在加载试验过程中,斜拉桥表现稳定,各构件没有出现响声或剧烈的形变,构件的连接处也没有出现明显的裂缝。
证明斜拉桥的承载能力很好。
2、弓形拱桥:
在整个加载过程中非常不稳定,形变量是最大的,承载的木板发出了“嘎吱”的声音,但是试验过程中弓形拱桥并没有倒塌或者断裂。
3、梁架桥:
同斜拉桥一样表现良好,没有出现响声或剧烈的形变。
4、悬索桥:
由于选材的问题,在制作的时候就被认为是不太结实的桥;在承载试验的时候,悬索桥的承重桥板本身出现了很剧烈的形变,也有些声音发出。
六、联系实际分析
1、斜拉桥:
(1)定义:
斜拉桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
(2)构造原理:
桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车,而是其自重,主要是主梁。
以一个索塔为例,索塔的两侧是对称的斜拉索,通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。
现在假设索塔两侧只有两根斜拉索,左右对称各一条,这两根斜拉索受到主梁的重力作用,对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力,根据受力分析,左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力;同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力;由于这两个力是对称的,所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了,最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力,这样,力又传给索塔下面的桥墩了。
斜拉索数量再多,道理也是一样的。
之所以要很多条,那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。
(3)成功案例:
诺曼底大桥(如图)
856米,法国,1995年
诺曼底大桥守卫着法国北部塞纳河上的泥滩,看上去像一个从混凝土桥塔上伸出的钢索所编成的巨大蜘蛛网。
这座斜拉桥的落成后(1995年)堪称世界上同类桥梁中极为壮观的一座。
这是一座1995年1月才开始启用的新桥,连接着翁弗勒尔和勒阿弗尔两上城镇。
它是钢索承重桥,很像金门大桥之类的悬索桥,但支撑桥身的钢索直接从桥塔连到桥身。
这座桥由33个部分组成。
中间一部分是最后嵌进桥中,由下往上提升而成。
桥的重量由2000千米长的钢绳支撑。
两座混凝土桥塔高215米,耸立在相当于20层高楼的基座上。
诺曼底桥的中央跨度为856,但这不包括靠近桥两端的引桥。
桥的总长是2200米。
诺曼底大桥计划缩短驾车横越法国北部的时间。
据估计,每天已有6000辆汽车通过大桥。
(4)失败案例:
广东九江大桥
事故原因:
船只撞击
广东九江大桥为2×160米的独塔双索面预应力混凝土斜拉桥,1988年6月正式建成通车。
2007年6月15日凌晨5时10分,一艘佛山籍运沙船偏离主航道航行撞击九江大桥,导致桥面坍塌约200米,导致9人死亡。
这就是闻名中外的“九江大桥6·15船撞桥断事故”,也称为“九江大桥事件”。
2、拱桥:
(1)定义:
拱桥(archbridge)指的是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁。
arch在容器内的粉料层中如果形成能承受上方粉料的压力而不将此压力传递给下方的面,此面即称为拱桥。
拱桥是向上凸起的曲面,其最大主应力沿拱桥曲面作用,沿拱桥垂直方向的最小主应力为零。
在重力作用下进行的粉料流出过程中可能反复出现拱桥的形成和崩解过程,此种拱桥称为动拱桥。
(2)结构原理:
以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。
拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造;大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造,以承受发生的力矩。
按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱。
前二者为超静定结构,后者为静定结构。
无铰拱的拱圈两端固结于桥台,结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济,结构简单,施工方便,是普遍采用的形式,但修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。
双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响,在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用双铰拱桥。
三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,拱顶铰的构造和维护也较复杂,一般不宜作主拱圈。
(3)成功案例:
卢沟桥(如图)
212.2米,中国,1188年
北京宛平卢沟桥在北京广安门外30里,跨永定河。
桥始建于金.大定二十八年(公元1188年),完工于金.明昌三年(公元1192年)。
桥全长212.2米,共11孔,净跨不等,自11.4米至13.45米,桥宽9.3米。
墩宽自6.5米至7.9米。
拱券接近半圆形。
桥墩迎水面有尖端镶有三角铁柱的分水尖,背水面为削角方形。
桥面上石栏杆共269间,各望柱头上,雕刻有石狮。
(4)失败案例:
宜宾小南门桥
事故原因:
吊杆断裂
宜宾小南门桥主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥,矢跨比1/5,是建桥当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥,中部180m范围为钢筋混凝土连续桥面。
2001年11月7日凌晨4点,从四川南部宜宾进入云南的咽喉要道宜宾南门大桥发生悬索及桥面断裂事故,桥两端同时塌陷,造成交通及市外通讯中断。
事故是连接拱体和桥面预制板的4对8根钢缆吊杆断裂,北端长约10米、南端长20余米的桥面预制板发生坍塌。
两边的断裂处都是在主桥与引桥的结合点,恰恰也是吊桥动态与静态的结合点。
因受力不均,一边垮塌后,使桥面的支撑力发生波浪形摆动,造成另一边也垮塌。
3、梁架桥:
失败案例:
I-35W桥
事故原因:
桥梁养护不足
I-35W密西西比河大桥是由明尼苏达州运输部于1967年建成的。
1990年,美国联邦政府以I-35W密西西比河大桥支座有严重腐蚀,将该桥评为有“结构缺陷”(structurallydeficient),当时全美总共有超过七万座桥梁被评为此一等级。
2001年,明尼苏达大学土木系的一份报告指出
I-35W大桥纵梁已扭曲变形,还发现该桥桁架疲劳的证据;该报告同时指出:
一旦桁架承受不了庞大车流,I-35W大桥恐将崩塌。
但桥梁养护不足这一问题并未被政府所重视。
当地时间2007年8月1日下午6:
01,正值交通高峰时段,该桥突然坍塌,造成至少8人死亡,79人受伤。
据估计事故发生时桥上有50-100辆机动车辆,是美国自1983年以来最严重的非天灾或外力因素所造成的桥梁崩塌事件。
4、悬索桥:
(1)定义:
悬索桥,又名吊桥(suspensionbridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。
其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线。
从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。
(2)结构原理:
悬索桥的构造方式是19世纪初被发明的,现在许多桥梁使用这种结构方式。
现代悬索桥,是由索桥演变而来。
适用范围以大跨度及特大跨度公路桥为主,当今大跨度桥梁全采用此结构。
是大跨径桥梁的主要形式。
悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁,由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。
悬索桥的主要承重构件是悬索,它主要承受拉力,一般用抗拉强度高的钢材(钢丝、钢绞线、钢缆等)制作。
由于悬索桥可以充分利用材料的强度,并具有用料省、自重轻的特点,因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大,跨径可以达到1000米以上。
1998年建成的日本明石海峡桥的跨径为1991米,是目前世界上跨径最大的桥梁。
悬索桥的主要缺点是刚度小,在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动,需注意采取相应的措施。
(3)成功案例:
美国旧金山——奥克兰海湾新桥(如图)
20世纪30年代中期修建的旧金山——奥克兰海湾桥,全长6243m,是当时世界上最长的、技术水平很高的桥梁,至今人仍为旧金山半岛至东海湾的主干线,车辆繁忙,每天通行近28万车次。
设计的地震力很小,其东桥(钢桁架桥)于1989年在里氏7.1度地震烈度时局部坍塌,因此决定修建新海湾桥来代替现有东桥,全长3.6km.新桥每方向有宽25m的桥面,各包括5个车道和一条轻轨铁路。
南侧还有宽4.8m的人行道,考虑1500年回归的地震。
主航道桥为自锚式悬索桥,单塔,跨径为385+180m.两主缆直径0.78m,东侧(385m侧)锚固在东墩处的梁上,其素鞍由箱梁支承,并设计成可移动的,以平衡两主缆索力差。
西侧(180m侧)主缆通过两分离的索鞍环绕在西墩上,这两个分离索鞍固定在西墩上在施工期间两主缆索力差异采用一项进的座板来平衡。
西墩上设计一个预应力帽梁,其重量可以平衡桥梁跨径不对称而在西墩产生的恒载拨力,也用以承受西墩两主缆在运营荷载和地震荷载作用时其素鞍产生的不同应力。
塔高160m.主缆不跨越而是固定在单一的索鞍上。
塔由4柱组成,沿高度用剪力杆连接。
塔柱为钢箱。
柱间有间距3m的横隔梁连接。
承台高6.5m,支承在13根直径2.5m的钢管桩上,桩内填灌混凝土,桩净长20m,嵌入岩石。
上部结构为两个空心的各向异性版,并将吊杆荷载分布在箱梁上,箱梁间用宽10m、高2.5m、间距30m的横梁连接。
该横梁承受吊杆横向72m跨的荷载,保证两箱在荷载、特别是风和地震荷载时的整体作用。
吊杆设在两箱的外侧,形成两空间索面,很美观。
(4)失败案例:
TacomaNarrowsBridge
事故原因:
理论认知有限,风毁
塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州的塔科马海峡。
第一座塔科马海峡大桥于建于1938年11月到1940年7月,中跨853m。
在建造最后阶段,人们就发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动甚至扭曲变形的情况,司机在桥上驾车时可以见到另一端的汽车随着桥面的扭动一会儿消失一会儿又出现的奇观。
1940年11月7日,大桥在远低于设计风速的19m/s(相当于八级大风)风速下发生强烈的风致振动,桥面经历了70min振幅不断增大的反对称扭转振动,最终导致桥面折断坠落到峡谷中。
七、桥梁发展史
桥梁,是道路的组成部分。
从工程技术的角度来看,桥梁发展可分为古代、近代和现代三个时期。
古代桥梁 人类在原始时代,跨越水道和峡谷,是利用自然倒下来的树木,自然形成的石梁或石拱,溪涧突出的石块,谷岸生长的藤萝等。
人类有目的地伐木为桥或堆石、架石为桥始于何时,已难以考证。
据史料记载,中国在周代(公元前11世纪~前256年)已建有梁桥和浮桥,如公元前1134年左右,西周在渭水架有浮桥。
古巴比伦王国在公元前1800年建造了多跨的木桥,桥长达183米。
古罗马在公元前621年建造了跨越台伯河的木桥,在公元前481年架起了跨越赫勒斯旁海峡的浮船桥。
古代美索不达米亚地区,在公元前4世纪时建起挑出石拱桥(拱腹为台阶式)。
近代桥梁 18世纪铁的生产和铸造,为桥梁提供了新的建造材料。
但铸铁抗冲击性能差,抗拉性能也低,易断裂,并非良好的造桥材料。
19世纪50年代以后,随着酸性转炉炼钢和平炉炼钢技术的发展,钢材成为重要的造桥材料。
钢的抗拉强度大,抗冲击性能好,尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材,为桥梁的部件在厂内组装创造了条件,使钢材应用日益广泛。
18世纪初,发明了用石灰、粘土、赤铁矿混合煅烧而成的水泥。
19世纪50年代,开始采用在混凝土中放置钢筋以弥补水泥抗拉性能差的缺点。
此后,于19世纪70年代建成了钢筋混凝土桥。
近代桥梁建造,促进了桥梁科学理论的兴起和发展。
1857年由圣沃南在前人对拱的理论、静力学和材料力学研究的基础上,提出了较完整的梁理论和扭转理论。
这个时期连续梁和悬臂梁的理论也建立起来。
桥梁桁架分析(如华伦桁架和豪氏桁架的分析方法)也得到解决。
19世纪70年代后经德国人K.库尔曼、英国人W.J.M.兰金和J.C.麦克斯韦等人的努力,结构力学获得很大的发展,能够对桥梁各构件在荷载作用下发生的应力进行分析。
这些理论的发展,推动了桁架、连续梁和悬臂梁的发展。
19世纪末,弹性拱理论已较完善,促进了拱桥发展。
20世纪20年代土力学的兴起,推动了桥梁基础的理论研究。
现代桥梁 20世纪30年代,预应力混凝土和高强度钢材相继出现,材料塑性理论和极限理论的研究,桥梁振动的研究和空气动力学的研究,以及土力学的研究等获得了重大进展。
从而,为节约桥梁建筑材料,减轻桥重,预计基础下沉深度和确定其承载力提供了科学的依据。
现代桥梁按建桥材料可分为预应力钢筋混凝土桥、钢筋混凝土桥和钢桥。
20世纪60年代以后,钢斜拉桥发展起来。
第一座钢斜拉桥是瑞典建成的斯特伦松德海峡桥,建于1956年,跨径为74.7+182.6+74.7米。
这座桥的斜拉索在塔左右各两根,由钢筋混凝土板和焊接钢板梁组合作为纵梁。
1959年联邦德国建成的科隆钢斜拉桥,主跨为334米;1971年英国建成的厄斯金钢斜拉桥,主跨305米;1975年法国建成的圣纳泽尔桥,主跨404米。
这座桥的拉索采用密束布置,使节间长度减少,梁高减低,梁高仅3.38米。
目前通过对钢斜拉桥抗风抗震性能的改进,其跨径正在逐渐增大。
八、参考资料
《中国桥梁史纲》
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