許明瀚

（北京 100000）

橋梁是跨越江河湖海、深溝峽谷等障礙的人工構(gòu)筑物，是交通設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點和樞紐工程，在眾多種類的橋梁中，倍力橋（Bailey Bridge）是人們利用較多的一種便利橋。雖然現(xiàn)在橋梁技術(shù)十分成熟，世界各地都有溝通著山川溝壑的橋梁，甚至是跨海的超級大橋，但是倍力橋依然存在極大的用途，比如科考隊員勘察地質(zhì)、田野實習(xí)時的小跨度跨越，地質(zhì)災(zāi)害后搶險救災(zāi)時的道路連接等等，因此對倍力橋進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化依然具有實際意義。本文首先對倍力橋的力學(xué)特性進行詳細(xì)的分析，然后基于此對倍力橋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其能夠更加高效地為人們的生產(chǎn)生活服務(wù)。

1 倍力橋的力學(xué)特性分析

倍力橋模型如圖1（a）所示，取其中代表性桿件進行受力分析，整個倍力橋承受的荷載通過中間起連接作用的圓截面橫木傳遞到方形截面桿單元上，我們假設(shè)在橫木對梁單元支撐的節(jié)點上受力均為鉛垂方向，以中間節(jié)點為例，節(jié)點上受向下的作用力N，該梁單元與水平方向的角度為θ，于是N可以分解為垂直于梁單元的力和平行于梁單元的力，由于平行于桿方向的力相對較小，且梁在較小軸向力的作用下抗壓性能較好，故可以忽略不計，因此我們重點考慮垂直于桿方向力的影響。

基于上述假設(shè)，我們建立了圖1（b）所示的三點彎模型，假設(shè)簡支梁的長度為2L，在梁的中點受向下的力P，通過平衡方程可知，支座反力均為0.5P。由此可以得到三點彎梁模型的剪力圖和彎矩圖，分別如圖1（c）、（d）所示。簡支梁的彎矩為：

2 倍力橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從第二部分的結(jié)果可以看出梁截面高度隨位置x滿足關(guān)系式（4）時，梁所需材料是最節(jié)省的，但考慮到實際的生產(chǎn)加工，拋物線形截面加工比較困難，從圖2中可以看出，在較小的x范圍內(nèi)拋物線與一次函數(shù)之間相差較小，因此可以用一次函數(shù)關(guān)系近似替代關(guān)系式（4），從而達到對倍力橋梁單元的優(yōu)化效果。

圖1 倍力橋的力學(xué)建模示意圖及其受力分析

圖2 和函數(shù)曲線圖

由公式（2）可知梁截面的應(yīng)力隨y是線性分布，即梁截面承受彎矩主要是靠近邊緣的部分，因此在梁中間部位可以適當(dāng)?shù)臏p去部分材料，這樣在很小的承重?fù)p失下可以極大地減少耗材，也可以極大地減輕倍力橋的自重，綜合提高倍力橋的應(yīng)用性能。如圖3所示，假設(shè)在截面尺寸為的梁截面中切去尺寸為的長方形，假設(shè)，其中k為比例因子，由此可得：

由圖3的應(yīng)力變化曲線可知隨著梁質(zhì)量的減小，截面內(nèi)的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)梁內(nèi)最大應(yīng)力達到許用應(yīng)力時，將會得到最大的截面尺寸因子，此時也將會是最節(jié)省材料的截面尺寸臨界點?？紤]到實際加工的方便可行性，可從橫向（垂直于受彎方向與梁長度方向）打孔，這與上述優(yōu)化理論分析是等效的。綜合上述兩種優(yōu)化方案，最終可以得到倍力橋梁單元的優(yōu)化結(jié)果如圖3中優(yōu)化結(jié)果所示。再將倍力橋每個梁單元都使用本文所提出的優(yōu)化模型替換，就能整體提高倍力橋的力學(xué)性能。

圖3 梁單元優(yōu)化理論分析

3 結(jié)語

本文先通過材料力學(xué)知識對倍力橋的力學(xué)特性進行了分析，即根據(jù)倍力橋的受力特點將其簡化為三點彎梁模型，得到其剪力圖和彎矩圖，進而可以求出梁內(nèi)的最大彎曲應(yīng)力分布，根據(jù)強度條件得到梁截面高度隨位置的變化關(guān)系，基于此對梁單元進行優(yōu)化。同時根據(jù)梁截面上應(yīng)力大小的分布特點可以對梁繼續(xù)進行優(yōu)化，即在梁上適當(dāng)?shù)亟爻鲆恍┛锥?，可以在犧牲很小的強度性能下?jié)省更多的材料，同時極大地減輕了梁的自重。綜上，通過本文的優(yōu)化設(shè)計可以使倍力橋更加高效地服務(wù)于生產(chǎn)生活。