拱形桥百年不倒,它的原理是什么?
拱桥是一种像弓形状的桥的建筑结构。在桥的事情中,拱桥是最常见的一种形状。他之所以从古至今被历代的建筑家所钟爱是有一定原因的。
首先在外观方面,拱桥满足了人们对于美观的需求,从远远看上去拱桥以一个弧度和衡量的结构出现,让人有美的享受,搭配上拱桥旁边的建筑和流水。能自然而然的形成一幅美丽的画卷.第二拱桥在修筑的时候能够很大程度上减少建材的耗用,不像住行桥或者木桥。会使用很多的建筑材料,第三时是拱桥有很好的实用性,拱形中间的空洞也能够让底下的轮船或者客船通行自如,加大河水的利用效率。
我国的拱桥历史非常的悠久,其中最著名的就是赵州桥,赵州桥实现成历史上保存最早。保存最完好的石拱桥距今已经有1500年左右的历史。是隋朝时期李春建造的。并且赵州桥经过了十多次的水灾以及数次的地震。都没有。收到,破坏。他之所以这样坚固的原因就在于拱形结构自身就可以承受很大的晃动,再加上其建造的内部结构和材料又十分的坚固,就使得这座桥成为了中国乃至世界建桥史上的一个奇迹。
首先这涉及到一个物理学的原理。拱桥大部分都是由一个桥面加一个主拱圈。主拱圈的两端是两个墩台。在桥面和主拱圈中有若干吊杆儿相连接。拱桥在桥面的作用下,支撑处不仅产生竖着的返利,而且会产生水平的推力。由于这个水平推力的存在,所以拱桥的弯矩就比相同跨度的衡量的桥距要小的很多,所以拱面主要承受的压力就会变小,因此拱桥能够实现千年不倒是因为其受力的原理很巧妙。
受力好,节省建筑材料.具有水平推力的结构。
在竖直荷载作用下,拱的两端不仅有竖直反力,而且有水平反力;由于水平反力的作用,拱的弯距大大减小。如在均布荷载q作用下,简支梁的跨中弯矩为1/8*q*L*L,而拱轴为抛物线的三角拱的任何截面弯矩均为零。设计合理的拱轴,主要承受压力,弯距、剪力都较小,故拱的跨越能力比梁大的多。这也是为什么以前拱桥比较多的原因。
从整个世界范围来看,木制拱桥并不算常见。当今中国也并没有保留下明代以前的大型木制拱桥。木料本就容易腐朽,建于河流之上的桥梁受湿气影响重,显然更加不利于长期存留。
木料本身的材料特性决定木制桥梁建成梁桥远远比建成拱桥方便得多。中国石拱桥发展很早,至迟汉代就有出现,但是同期的木制桥梁则仍然以梁桥为主。其中不乏巨型工程,如秦修建的中渭桥,汉朝修建的东西渭桥都是木梁结构。拱桥通过一个水平推力把原本由荷载产生的弯矩应力变成压应力或者大部分转化为压应力,拱区别于梁的最大之处就是存在水平推力。
拱桥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。
拱桥孔数上有单孔与多孔,多孔以奇数为多,偶数较少,多孔拱桥,如果当某孔主拱受荷时,能通过桥墩的变形或拱上结构的作用将荷载由近及远的传递到其它孔主拱上去,这样的拱桥称为连续拱桥,简称连拱。
江浙水乡的三、五、七、九孔石拱桥,一般是中孔最大,两边孔径依次按比例递减,桥墩狭薄轻巧,具有划一格局,令人钦佩。由于桥孔搭配适宜,全桥协调匀称,自然落坡既便于行人上下,又利于各类船只的航运。杭州市城北的拱辰桥是三孔的一例,建于明崇祯四年(1631年)。
有的桥孔多达数十孔,甚至超过百孔,如1979年发现的徐州景国桥,就有104孔,估计它是明清桥梁。多跨拱桥又有连续拱和固端拱,固端拱采用厚大桥墩,在华北、西南、华中、华东等地都可见到,连续拱只见于江南水乡。按建拱的材料分有石拱、木拱、砖拱、竹拱和砖石混合拱。
拱式桥:
主要材料是圬工、钢筋砼,适用范围视材料而定。跨径从几十米到三百多米都有,目前我国最大跨径钢筋砼拱桥为170米。
优点:跨越能力较大;与钢桥及钢筋砼梁桥相比,可以节省大量钢材和水泥;能耐久,且养护、维修费用少;外型美观;构造较简单,有利于广泛采用。
缺点:由于它是一种推力结构,对地基要求较高;对多孔连续拱桥,为防止一孔破坏而影响全桥,要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力,增加了工程造价;在平原区修拱桥,由于建筑高度较大,使两头的接线工程和桥面纵坡量增大,对行车极为不利。
1从宏观受力的角度分析,拱桥最大的特点是其构件主要是受压,而直桥形式应该是这样几种结构:梁桥、悬锁桥(吊桥)、斜拉桥,斜拉桥,梁桥的受力主要是跨中弯矩,悬锁桥(吊桥)主要是受拉。
通过比较,可以得出拱形桥是最实用的桥。
梁桥是车子到哪哪里就受压,拱桥是周围的都在受力,悬索桥除了自身以外还有绳索的力,所以,拱桥是受力最合理的桥梁,同时加工建筑材料造价低,但只抗压不抗拉,合理的拱桥拱圈结构只受压力不受拉力,加工建筑材料能够发挥最大的力学性能,桥上荷载通过拱圈传递推力给拱座,拱座一般为大体积重力式结构承受拱圈传递的推力
【桥梁从建筑材料角度来看,最主要是石材和木材,木材在强度和耐久性上远不及石材,石材的受压能力大大强于其受拉受弯能力。】
2桥梁从建筑材料角度分析
拱桥:利用石材的受压,可以通过一块一块的小石块挤压形成较大跨径,受力合理,适用广泛。 梁桥:受弯拉,简单说只能用厚重的条石搭在桥墩上实现,所以跨径小,浪费材料,也不便施工,而且桥下过水面积小不便通航和泻洪。 悬锁桥(吊桥)受拉,自重轻,跨径大,稳定性差,一般由铁链、藤锁类等材料建造,受材料地域和耐久性以及地质条件限制应用不是很广泛。
3从微观受力角度分析:
拱形桥是半圆凸弧,顶端F合=G-F压(即向心力),Vmax=根号GR ,到达顶端时,向心力全部由重力充当,根据圆周运动公式可得出以下结论:
车辆行人上桥到下桥过程中
1.线速度V=s/t=2πR/T
始终不变
2向心力F心=mV2/R=mω2R=m(2π/T)2R
始终不变
3对桥的压力比平地时要小
F合=G-N
所以N=G-F合〈G (F合=mg-ma)
综上所述,拱形桥在多方面比其他桥梁更普遍,更实用。
准 备 竹条或竹针、泡沫板、吹塑纸、美工刀、白胶、铅笔
制作过程 拱桥原理 这个拱桥模型是一种演示上承重拱桥的模型,取材简单、制作容易,但它却清楚的演示了拱桥的设计原理。 这种上承重拱桥,它上面的重力直接加在拱形上,由拱形把重力传送至两端的桥端,这就能使桥底下的空间加大,在水道中建桥后不会影响水道上的交通.
方法一、用木料制作。
把拱桥分成好几个面,将木料削成需要的块状再用胶水粘上就ok。
方法二、 用卡纸制作。
通过两个侧面的拱形达到拱形桥的效果,最好是接近拱形桥颜色的卡纸
拱肩上有敞开的(如大拱上加小拱,现称空腹拱)和不敞开的(现称实腹拱)。拱形有半圆、多边形、圆弧、椭圆、抛物线、蛋形、马蹄形和尖拱形,可说应有尽有。
孔数上有单孔与多孔,多孔以奇数为多,偶数较少,多孔拱桥,如果当某孔主拱受荷时,能通过桥墩的变形或拱上结构的作用将荷载由近及远的传递到其它孔主拱上去,这样的拱桥称为连续拱桥,简称连拱。