资源简介

(共26张PPT)
一、调研背景与意义
桥梁是交通工程的重要组成部分，其安全与稳定直接关系到行车安全和交通畅通。桥梁在承受车辆荷载、自重、风力等多种力的作用时，必须处于平衡状态才能保证结构稳定。通过调研桥梁建筑中的力平衡现象，不仅能加深对二力平衡及多力平衡原理的理解，还能认识到物理知识在工程实践中的重要应用价值。
二、桥梁的主要受力类型
自重：桥梁自身结构（如梁体、桥墩、桥面等）的重力，是竖直向下的力，作用点在各部分结构的重心。
车辆荷载：行驶在桥梁上的车辆对桥面产生的压力，竖直向下，随车辆的行驶位置而变化。
支座反力：桥墩或桥台对桥梁梁体的支持力，方向竖直向上，与梁体受到的向下的力形成平衡。
风力：水平方向的力，对桥梁尤其是大跨度桥梁影响较大，可能导致桥梁的水平晃动。
浮力：对于跨越水域的桥梁，水下结构会受到水的浮力，方向竖直向上。
三、不同桥梁结构中的力平衡分析
（一）梁式桥的力平衡
结构特点：梁式桥主要由梁体和桥墩组成，梁体跨越桥墩，承受自重和车辆荷载。
力平衡状态：
竖直方向：梁体受到竖直向下的总重力（自身重力 + 车辆荷载）和桥墩提供的竖直向上的支座反力，这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上，形成竖直方向的二力平衡，使梁体在竖直方向保持静止或匀速（车辆行驶时可近似看作动态平衡）。
水平方向：在不考虑风力等水平力时，梁体水平方向不受力或受力平衡，确保梁体不会在水平方向发生移动。
实例：常见的公路简支梁桥，每段梁体两端支撑在桥墩上，通过支座反力与梁体荷载平衡。
（二）拱桥的力平衡
结构特点：拱桥以拱圈为主要承重结构，通过拱脚将力传递给桥台。
力平衡状态：
拱圈受力：拱圈受到自身重力、桥面荷载产生的竖直向下的力，同时拱脚会对拱圈产生斜向上的支持力。这两个力的合力与拱圈受到的其他力平衡，使拱圈处于稳定状态。
拱脚与桥台的平衡：拱圈对拱脚产生向外的推力，桥台通过自身重力和地基的反作用力提供向内的约束力，这两个力大小相等、方向相反，形成水平方向的力平衡，防止拱脚外移。
实例：赵州桥作为经典的石拱桥，其拱圈结构通过力的传递与平衡，实现了千年不倒的奇迹。
（三）悬索桥的力平衡
结构特点：悬索桥由主缆、塔架、加劲梁和锚碇组成，主缆通过塔架悬挂加劲梁。
力平衡状态：
主缆受力：主缆受到加劲梁、桥面及车辆荷载传递的竖直向下的拉力，同时主缆两端的锚碇提供水平向内的拉力，使主缆处于张紧状态，这两个方向的力形成平衡。
塔架受力：塔架受到主缆斜向下的拉力，同时地基对塔架产生竖直向上的支持力和水平反作用力，这些力的合力为零，使塔架保持竖直稳定。
加劲梁受力：加劲梁受到竖直向下的重力和车辆荷载，以及主缆提供的竖直向上的拉力，二者平衡，保证加劲梁不会下垂或掉落。
实例：江阴长江大桥，主缆通过两端的锚碇固定，将桥面荷载传递到地基，实现了大跨度的跨越。
四、桥梁施工中的力平衡控制
基础施工阶段：在桥墩基础施工时，需保证基础所受的地基承载力与桥墩的总重力平衡，防止桥墩沉降或倾斜。例如，桩基础通过桩身与土壤的摩擦力和桩端阻力平衡桥墩的重力。
梁体架设阶段：架设梁体时，需通过吊装设备的拉力与梁体的重力平衡，确保梁体在吊装过程中保持平稳，避免碰撞或掉落。此时吊装拉力与梁体重力是一对平衡力，大小相等、方向相反。
桥面铺装阶段：铺装材料的铺设需均匀，使桥面荷载均匀分布在梁体上，保证梁体各部分受力平衡，避免局部受力过大导致结构损坏。
五、桥梁维护中的力平衡监测
荷载监测：通过安装传感器，实时监测桥梁承受的车辆荷载、风力等，确保实际受力不超过设计荷载，维持力的平衡状态。
结构变形监测：监测桥梁的沉降、位移、挠度等变形情况，若发现异常变形，可能是力平衡被打破的信号，需及时排查原因，如支座损坏导致支座反力变化等。
加固维修：当桥梁结构出现老化或损伤，导致受力不平衡时，需进行加固维修。例如，对裂缝处进行修补增强结构强度，或更换损坏的支座以恢复正常的支座反力，重新建立力的平衡。
六、调研结论与启示
结论：桥梁建筑中，无论是梁式桥、拱桥还是悬索桥，其稳定的核心在于力的平衡。竖直方向的重力与支持力、水平方向的推力与约束力、拉力与反拉力等，共同构成了桥梁的力平衡系统，任何一个力的失衡都可能导致桥梁结构损坏甚至坍塌。
启示：物理中的力平衡原理是桥梁设计、施工和维护的重要理论基础。工程师通过精确计算和优化结构，使桥梁各部分受力达到平衡，确保桥梁的安全与耐用。这让我们深刻认识到，基础物理知识在工程实践中具有不可替代的作用，学好物理知识能为解决实际问题提供有力的支撑。
七、调研拓展建议
实地参观当地的桥梁，观察桥梁的结构特点，结合所学知识分析其受力平衡情况。
查阅桥梁设计图纸或资料，了解不同桥梁的设计荷载和力平衡计算方法。
采访桥梁工程师，了解他们在设计和施工中如何控制桥梁的力平衡，以及遇到的力平衡相关问题及解决措施。
2024沪科版物理八年级全册
实践 调研桥梁建筑中的力平衡
第七章 力与运动
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
问题缘起
我国古代有不少载入史册的桥梁建筑，如有四大古桥之称的赵州桥、洛阳桥、广济桥和卢沟桥。近现代的桥梁建筑也硕果累累，如茅以升先生主持设计建造的我国第一座现代化大型桥梁——钱塘江大桥，还有现代举世闻名的港珠澳大桥等。
钱塘江大桥
这些宏伟壮观的桥梁建筑中，力与平衡知识是如何应用的 下面让我们对我国桥梁建筑进行调查研究。
点击图片观看
活动方案
查阅并整理资料。
1.了解我国著名桥梁的历史、人文背景及结构特点；
2.了解我国不同地区桥梁建筑的结构特点，以及它们和力平衡的关联。
任务一：
桥梁类型
按照其力学结构，可分为：
梁式桥
拱式桥
斜拉桥
悬索桥
洛阳桥坐落于泉州东郊的洛阳江上，始建于北宋，主要由“宋四家”之一的蔡襄主持修建，是中国现存最早的跨海梁式大石桥；在建桥技术上首创了“筏型基础”“种蛎固基”“浮运架梁”等先进技术。
洛阳桥属于梁式桥，即以梁作为主要承重结构，梁架在桥墩上。为使桥墩稳固，设计上首创“筏型基础”的新型桥基，即在江底沿着桥梁中线抛掷石块，并向两侧展开一定宽度，形成一条横跨江底的矮石堤，作为桥墩的基址。
洛阳桥
梁桥
赵州桥
赵州桥坐落在石家庄市赵县的洨河上，始建于隋朝，距今已有 1400 余年历史，是世界上现存年代最久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。
赵州桥属于拱式桥，全桥只有一个大拱，净跨 37.02 米，跨度大，弧形平；大拱由 28 道拱券组成，拱券纵向并列砌筑；大拱的两肩上，各有两个小拱，不但节约了石料减轻了桥身的重量，还可减轻洪水对桥身的冲击。
拱桥
北盘江大桥
北盘江大桥连接云贵两省，主跨388 米，横跨号称“世界大裂缝”的花江大峡谷，桥高 565 米，是世界第一高架桥，车辆行驶其上，仿佛置身云端。
北盘江大桥属于斜拉桥，即将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的桥梁；大桥中间没有桥墩，靠224 根斜拉索就将整个桥面吊在了 500 多米的高空。
点击图片观看
斜拉桥
杨泗港长江大桥
杨泗港长江大桥坐落于武汉境内长江水道之上，截至2024年底是世界上跨度最大的双层悬索桥，跨江 1700 米不设桥墩，体现我国现代高超的建桥水平，桥有上下两层，具有机动车道、非机动车道、人行观光道等，集过江交通与观光旅游于一体。
杨泗港长江大桥
杨泗港长江大桥属于悬索桥，即依靠主缆和吊索支撑桥面的桥梁；该桥的主缆采用的钢缆，每根的直径达到1米，能够承受极大的拉力；桥面则采用轻量化的钢箱梁结构，可有效地减少桥梁的自重；桥面通过吊索与主缆相连，吊索均匀分布在整个桥面，将桥面的重量分散到主缆上。
悬索桥
调研你所在地区的桥梁建筑结构与特点。以你感兴趣的桥梁建筑为例，分析其受力及力平衡的情况，撰写调查报告。
任务二:
武汉境内有众多桥梁，仅长江大桥已建成的就有 11座， 这些桥梁包括梁桥、斜拉桥、悬索桥等，其中最著名的是武汉长江大桥。
武汉长江大桥
鹦鹉洲长江大桥
天兴洲长江大桥
白沙洲大桥
武汉长江二桥
下面以武汉长江大桥为例，分析其受力与平衡情况。
武汉长江大桥
武汉长江大桥属于梁式桥，主桥为三联连续梁，我们可以将其进一步简化为如图所示的简支梁，梁在桥墩的支持力F1、F2以及梁自重G、桥面上物体的压力F压的作用下处于静止状态，根据力的平衡条件可得F1 + F2 =G+F压。
梁在自身重力及物体压力作用下会发生弯曲，这要求梁具有较好的抗弯能力，武汉长江大桥采用钢桁架的设计，这种结构形式具有良好的承载能力和稳定性，能够承受较大的荷载和变形。
交流评价
分享调查报告，交流并评价报告中所用证据及形成结论的合理性。
举办一个关于“桥梁建筑中的平衡之美”的展览。
拓展研究
查阅资料，了解世界知名桥梁建筑的历史、人文内涵及结构特点，了解物理学在建筑中的重要作用。
国外的著名大桥有美国的金门大桥，英国的伦敦塔桥，丹麦的大贝尔特桥、日本的明石海峡大桥等，可以选择一个，查阅资料，了解其历史、人文内涵及结构特点。
金门大桥
伦敦塔桥
大贝尔特桥
明石海峡大桥
跨学科实践
了解桥梁中的力平衡
1.安济桥，是一座位于河北省石家庄市赵县城南洨河之上的
石拱桥，因赵县古称赵州，又称赵州桥。如图1所示，赵州
桥是一座多孔拱桥，主要是由28个拱券构成，每块拱石的侧
面都凿有细密斜纹，加强拱石横向联系。赵州桥在受到外力
作用时，桥墩和拱体会承受来自桥面和桥上物体的压力。拱
形结构属于一种薄壳结构，国家大剧院也是这种结构，如图
2所示，薄壳结构在受到外力作用时，能够把力沿着整个壳
体表面向四周传递，使壳体单位面积上受到的力并不大，更
为重要的是，在壳体上不存在作用力集中于一个地方的情况。
(1)赵州桥每块拱石的侧面都凿有细密斜纹，目的是________
____；
增大摩擦力
(2) 站立在地面上，人的脚能够承载较大的重力，
主要是因为___；
B
A.脚骨骼的数量多 B.脚骨骼组成拱形结构
C.脚部的肌肉发达 D.脚骨骼比钢铁还要坚硬
(3)下列对赵州桥的薄壳结构受力示意图分析正确的是___。
C
A. B. C. D.
2.巢马城际铁路马鞍山长江公铁大桥建
成后将是世界上最大跨度的三塔斜拉
桥。 如图是某个斜拉桥的结构模型简
等于
图，所有钢索对桥面的合力______ (填“大于”“小于”或“等
于”)桥面的重力。
3.从我国第一座现代化大型桥梁到目
前世界上最长的跨海大桥——中国港
珠澳大桥，我国近现代桥梁建筑硕果
累累。如图所示的是港珠澳大桥，客
车、货车均可通过，其中货车最高限载标准为
(车、货总质量)。取 ，通过计算回答：
(1)若货车的总重力为 ，能
否被允许上桥？
解：已知货车的总重力为 ，
则货车的总质量
，
货车能被允许上桥。
(2)当这辆货车在桥面上匀速直线行驶时，
货车所受阻力是其车重的0.1。求货车匀速
行驶时受到的牵引力。
当这辆货车在桥面上匀速直线行驶时，货车所受的牵引力
等于货车所受的阻力，货车所受阻力是其车重的 ，则
。
调查身边的桥梁
请你调研你所在地区的桥梁，并完成调查表。
谢谢观看！

展开更多......

收起↑