高等桥梁结构理论考试试题及答案.doc

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合肥工业大学土木工程学院研究生考试试题
考试科目: 高等桥梁结构理论

回答以下问题（任选五题，每题10分）

1．何谓剪力滞效应？

2．曲线梁按结构力学方法作为单纯扭转理论分析的基本假定有哪些？

3．论述混凝土徐变和收缩对桥梁变形、内力分布、应力分布的影响。

4．阐述斜梁桥的受力特点。

5．就悬索桥、斜拉桥，论述国内外大跨径桥梁建设现状。

6．论述桥梁建筑的发展趋势。

7．换算一跨七片梯形断面梁为一块正交各各异性板梁。

1．何谓剪力滞效应？
剪力滞效应的研究是对宽翼缘的T梁或箱梁探讨翼缘有效分布宽度问题。梁受弯曲时，在翼缘的纵向边缘上(在梁肋切开处)存在着板平面内的横向力和剪力流；翼缘在横向力与偏心的边缘剪力流作用下，将产生剪切扭转变形，再也不可能与梁肋一样服从平面理论的假定。剪切扭转变形随翼缘在平面内的形状与沿纵向边缘剪力流的分布有关。一般情况，狭窄翼缘的剪切扭转变形不大，其受力性能接近于简单梁理论的假定，而宽翼缘因这部分变形的存在，而使远离梁肋的翼缘不参予承弯工作，也即受压翼缘上的压应力随着离梁肋的距离增加而减小，这个现象就称为“剪力滞后”，简称剪力滞效应。由于剪力滞效应，梁横截面上的拉压应力不再是沿宽度平均分布，而是梁肋附近增大，远离梁肋的翼缘逐渐减小。

2．曲线梁按结构力学方法作为单纯扭转理论分析的基本假定有哪些？
曲线梁按结构力学方法作为单纯扭转理论分析的基本假定有以下四点：
1）横截面各项尺寸与跨长相比很小，将实际结构作为集中在梁轴线上的曲线形弹性杆件来处理。通常只要跨长达到横截面尺寸的3～4倍以上时，就能满足。
2）曲线梁的横截面在变形后仍保持为平面。
3）曲线梁变形后横截面的周边形状保持不变，即无畸变。
4）截面的剪切中心轴线与曲线梁截面形心轴线相重合。

3．论述混凝土徐变和收缩对桥梁变形、内力分布、应力分布的影响。
混凝土徐变和收缩对桥梁结构的变形、内力分布和应力分布会产生影响，概括可归纳为：
1．桥梁结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度。
2．徐变会增大偏压柱的弯曲，由此增大初始偏心，降低柱的承载能力。
3．预应力混凝土构件中，徐变和收缩会导致预应力的损失。桥梁结构构件截面，如为组合截面（不同材料组合的截面如钢筋混凝土组合截面），徐变会使截面上应力重分布。
4．对于超静定结构，混凝土徐变将导致结构内力重分布，亦即徐变将引起结构的次内力。
5．混凝土收缩会使较厚构件（或在结构构件截面形状突变处）的表面开裂。这种表面裂缝因为收缩总在构件表面开始，但受到内部的阻碍引起收缩拉应力而产生的。

4．阐述斜梁桥的受力特点。
斜交角约60°的斜梁桥，可以精确地进行计算和配筋。在钝角点处，其支座反力应用来计算。车道板的配筋在端部成扇形散开，在钝角区上部应加密，钢筋应盖过端横梁。
在斜交角α较大的斜梁桥中，主梁的挠度变化情况不同于正交梁。这是由车道板和主梁腹板固结之后在腹板中产生的扭矩引起的。主梁的抗扭刚度和抗弯刚度的比值越大，则挠度变化的差别就越大。据Bechert研究，假定扭矩值已达到容许剪应力的极限，对于边主梁，在很斜的端横梁中，这种约束所产生的扭矩还要提高。这种扭矩是一种有害的约束力矩，当过渡到承载力的极限状态时，会因产生裂缝而有所减少。在使用阶段，首先在附加力矩较大的车道板处产生裂缝。因此，要通过合理地选择承载构件的刚度以避免约束扭转力矩和不必要的材料和预应力消耗。

5．就悬索桥、斜拉桥，论述国内外大跨径桥梁建设现状。
悬索桥在目前所有桥型中跨越能力最大，随着预应力混凝土技术的发展，预应力混凝土悬索桥随之出现。世界悬索桥技术水平代表是美国、英国、日本和我国。如美国在30年代就建造了跨径1280m的金门桥，现在跨径500m以上的悬索桥有15座，1000m以上的有4座。我国悬索桥技术自90年代发展起来，如主跨452m的预应力混凝土加劲梁的汕头海湾大桥，跨径888m虎门大桥；跨径900m的西陵长江大桥；跨径1385m的江阴长江大桥；跨径1377m的香港青马大桥。我国提出采用跨径为768m自锚体系的多跨公、铁两用桥，可能是21世纪悬索桥发展的开端；国外悬索桥技术向更大跨度发展，如日本正在计划三座跨径在2500—3000m之间的纪淡、丰予、津轻海峡桥等。
斜拉桥的跨越能力仅次于悬索桥，当跨径小于800m时，因用钢量少，刚度大、造价低，所以比悬索桥更有竞争优势，其极限跨径可以达到3700m。世界斜拉桥技术水平代表是德国、法国、日本和我国。斜拉桥的发展经历了三个阶段：第一阶段是50年代，为稀索体系；第二阶段是60至70年代，为密索体系，并出现独塔、单索面；第三阶段从80年代代表20世纪斜拉桥世界水平的是日本的多多罗大桥，主跨径为890m。我国近年来建造了许多预应力混凝土公路斜拉桥，总数居世界第一，如主跨径432m的铜陵长江大桥；主跨径432m的南浦大桥；主跨径602m的杨浦大桥等。铁路斜拉桥在我国也有了发展，芜湖长江大桥就是一座公铁两用的斜拉桥。瑞士工程师厄斯梅尔提出，在直布罗陀海峡建斜拉桥，采用碳纤维来修建塔高1300m，主跨8400m，这可能是21世纪斜拉桥发展的规划。

6．论述桥梁建筑的发展趋势。
1）从建桥材料方面分析
建造桥梁的建筑材料主要有混凝土和钢材两类，目前其发展方向主要为提高强度、减轻重量、增加新功能。其它建桥材料也改变了桥梁的构造，提高了部件的质量。如碳纤维强化复合材料，具有刚度大、重量轻、热膨胀系数低、耐疲劳、抗腐蚀、弹模与模度之间比最高，为建造特大跨度桥梁提供新优点。各种添加剂用于改善混凝土性能及强度，钢、碳及其它如玻璃丝纤维用于增进混凝土耐磨性能及强度，增强的纤维塑料做预应力筋及梁体等。
高强混凝土：具有抗压强度高，抗冲击性能好，耐久性强等优点，可减小梁高、减轻自重、跨度增大。我国将大于C60级混凝土定义为高强混凝土，大于C100的混凝土定义为超高混凝土。
轻质混凝土：由轻质骨料组成，如工业废渣，在中小跨径桥中可减轻自重，提高抗震效果。
絮凝混凝土：可在水平方向缓慢地自行流平、密实，能进行钢筋密集区、狭窄断面、水下大体积薄板及小体积结构等过去无法施工的水下混凝土工程施工。
高强钢：强度高、有韧性、耐腐蚀性、耐疲劳性、可焊性都要优。
高强钢筋：是预应力混凝土的发展趋势，向高强度（高抗拉强度、高屈服强度、高疲劳强度）、低松弛、耐腐蚀、与混凝土粘结力高、拼接便利方向发展。
2）从设计理论方面分析
目前世界各国桥梁设计理论，都在由容许应力状态理论向极限状态理论过渡。极限状态概念由原苏联在50年代提出，现已被世界公认。极限状态法与容许应力法相比，将笼统的单一安全系数分解为抗力和荷载两方面，并且对不同的抗力和不同的荷载原始数据进行统计分析，将最能取得经济效益。如多系数极限状态设计法和基于可靠性理论的极限状态设计法。多系数极限状态设计法的特点是：（1）构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且包括了挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态。（2）对于承载力的极限状态，不再采用单一的安全系数，而是采用了多系数法，可以反映施工质量及使用环境对安全度的影响。（3）对于材料强度，则由统计后按一定的保证率确定，这比单纯采用平均值要合理多了，它除了平均值外，还反应了强度变异性的影响，对混凝土强度也作类似的处理。
国际标准化组织及我国《统一标准》把极限状态分为两类：承载力极限状态和正常使用极限状态。前者对应于结构或构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形。后者对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。极限状态的概念，目前还在发展。有些学者提出了“破坏—安全极限状态”或“条件根限状态”的概念，指在偶然事件作用下，造成结构局部破坏后，其余部分不致于发生连续例塌，而仍然保持结构整体稳定的状态。总之，极限状态理论是符合今后桥梁建筑发展趋势的设计理论。
3）从施工方法方面分析
在钢桥制造方面，应用电脑放样、划线和管理；精密切割刨铣机械加工；光电跟踪焊接的应用；组装成型工艺精密先进。各种桥型可以采用预制安装法，构件预制可以工厂化、吊装架设可以机械化、就地支架现浇法、平衡悬臂浇筑法、逐节逐跨现浇、预制拼装法、顶推法、转体法。我国混凝土桥多采用悬臂浇筑、顶推、转体等施工，采用运输、起吊能力较大的机具设备，作逐跨逐段预制拼装，这可能是我国今后大跨预应力混凝土桥施工架设技术的发展方向。
在基础结构施工方面：采用地下连续墙、设置沉井、无人沉箱等。施工中采用遥控自动挖掘机、自动装渣排渣机、现代化程度很高的测试系统，使深水基础施工作列高度机械化、自动化。发展施工机械和大体积水下混凝土施工技术。以上均是施工方法方面桥梁建筑的发展趋向。