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梁式桥 · 横向分布 · 组合阅读示例

车靠边走,
五根梁怎样分担?

同一辆车,停在桥面中央和靠近一侧时,桥下各根梁承担的力会一样吗?

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先从桥底看一眼:这段桥面由五根并排的主梁支承。车辆压在桥面上,荷载会通过桥面板和横向连接传给主梁。要算其中一根梁,首先得知道它分到了多少。

如果车辆正好居中,五根梁就一定平均分吗?还要看它们的刚度,以及横向连接能否让各根梁共同工作。下面先讨论一个简单模型:五根主梁的刚度相同,用一根足够刚的横梁把它们联系起来。把主梁抵抗竖向位移的作用,暂时想成五个相同的弹簧。

120千牛偏心荷载的平均分量、偏心分量与五梁合成分担
图 F16 · 自制参数化原理图。主梁横向位置为 −4.8、−2.4、0、2.4、4.8 m;120 kN 荷载位于中心右侧 2.4 m。这里计算这份新增荷载带来的分担量。

把“压下去”和“转起来”分开看

车放在中央时,在上述模型内,五个相同的弹簧一起压缩,每根分担 24 kN。把车向右移,总重量没有变,但它还会使横梁产生转动。右边的弹簧多压一些,左边少压一些。因此,可以把这次作用拆成两部分:一份居中的竖向力,加上一份由偏心产生的力矩。

这个拆法与偏心受压截面的应力分析有相通之处:都先求均匀分布的部分,再叠加随位置变化的部分。但这里分配的是各根梁的作用增量,不是直接套用截面应力。

展开公式:图中的 0、12、24、36、48 kN 从哪里来?

Rᵢ = P / n + P e yᵢ / Σyⱼ²

P 是新增竖向荷载,n 是梁的根数,e 是荷载到桥面中心的横向距离,yᵢ 是第 i 根梁到中心的有符号距离。本例向右为正,Σyⱼ² = 57.6 m²。

平均项是 24 kN,偏心项依次为 −24、−12、0、12、24 kN。相加得到图中的五个结果。它们的总和仍是 120 kN,对中心的力矩仍是 288 kN·m。

这要求横梁近似刚性、五根主梁等刚度且响应在线性范围内。横向连接柔度、主梁刚度或支承接触状态改变后,需要重新建立关系。

先讨论,再把车挪到另一边

从“居中是不是就平均分”开始,听两个人怎样追问。然后打开同主题实验,把车移到两侧,观察梁的分担和变形;注意图形放大后的位移,不是桥梁实际下沉的比例。

D01 · 双人讨论 Manim 样片 · 合成配音 · 约 2 分 51 秒。阅读完整对话稿 ↗

在独立窗口操作 ↗
实验后想一想:某根梁的分担量为负,意味着什么?

先分清新增荷载带来的变化,与支座原来已经承担的恒载。某根梁的活载增量为负,表示这次车辆作用减少了它的支承力;是否真的离开支座,还要看叠加恒载后的总反力以及接触条件。

接着读:负增量与支座脱空的区别 ↗

让数字回到可以检查的计算

这组数值不必只靠图形来判断。用下面几行代码,可以检查五根梁分担量的总和,以及它们对中心产生的力矩。完整 Notebook 还保留了参数修改、公式和图形。

查看本例的简短计算代码
P, e = 120.0, 2.4  # kN, m;向右为正
y = [-4.8, -2.4, 0.0, 2.4, 4.8]  # m
sum_y2 = sum(v * v for v in y)
R = [P / len(y) + P * e * v / sum_y2 for v in y]
print(R)                         # [0, 12, 24, 36, 48] kN
assert abs(sum(R) - P) < 1e-9
assert abs(sum(r*v for r, v in zip(R, y)) - P*e) < 1e-9