桥面为何要设计成拱形向上的?

发布网友发布时间：2022-10-04 21:04

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热心网友时间：2023-10-15 20:35

桥梁的主要受力是桥面的荷载重量及自身重量，都是垂直向下的，采用拱形可以将垂直受力转移到横向的桥墩或岸边的地面，这样可以加宽桥梁下面的通道宽度，减少桥墩数量，因此，桥梁大多设计成拱形。

桥梁是指架设在江河湖海上，供车辆、人们顺利通行的建筑物，在日常生活中，经常可以见到。而且，他们的种类多种多样，按用途分，有铁路桥、公路桥、公铁两用桥、人行桥，按跨越障碍分，有跨河桥、跨谷桥、跨线桥。总之，它们就是一种非常普遍的存在。那么，大家有没有发现其中大多数桥都有一个共同的特征，那就是他们都为拱形的，知道这是为什么吗？

生活中，我们见过许许多多的桥。这些桥大多设计成拱形的，这是为什么呢？为什么不设计成凹形的呢？况且设计成拱形的桥，还会给交通造成不便。因为如果是跨度比较小的桥梁还无所谓，如果是跨度较大的桥梁，就会拱顶很高，进而使得坡度比较大，这样一来，无论是行人还是车辆通过时，都非常不便。如果设计成凹形的桥，汽车还会省油，因为汽车在向下行驶时，会有一个向前冲的力，具有一定的势能，这个势能便可以帮助它顺利地到达桥的那一端。难道我们的桥梁专家不明白这一点吗？

实际上，我们的桥梁专家怎么会不明白呢，设计成拱形不仅仅是美观好看，这里面还蕴含一定的力学原理的。

桥设计成拱形，是因为当汽车经过时，桥所承受的压力比较小，桥体所需要的支撑力便小。而相比之下，凹形桥承受的压力较大，桥体所需要的支撑力便大。这是为什么呢？因为无论是拱形桥还是凹形桥，当汽车通过大桥时，由于汽车方向的改变产生的向心加速度，需要向心力F。拱形桥的圆心在桥下方，因而向心力方向向下，这样就使得自身重力mg与支撑力N1的合力向下，即支撑力小于重力，也就是拱形桥耐重。F=Mg-N1，所以 N1=Mg-F。凹形桥的圆心在桥上方，因而向心力F就向上，这就使重力Mg与支持撑力N2的合力向上，即支撑力大于重力。也就是凹形桥不耐重。F=N2-Mg，所以 N2=F+Mg。由此看来，如果仅仅是为了汽车省那么一点点油而改变桥的设计，那么岂不是抓不住重点了。

此外，我们还可以这么理解。众所周知，球形比任何形状都坚固。因为球形的任何一个地方受力，力都可以向四周均匀地分散开来。这也就是为什么我们生活中常见的巨大的贮油罐要做成球形的。还有我们生活中常见的灯泡，虽然是比较易碎的玻璃制成的，但做成了球形也就比较坚固了。

我们都有过类似的经历，把蛋壳放在两手的掌心之间，挤压它的两端，并不会像我们想的那样因为鸡蛋壳薄而易碎，而是需要使出很大的力气。这也是因为球形比较坚固的原因。球形也是若干个拱形的组合，因此拱形也具有此特点。这也是为什么桥要设计成拱形的原因了，因为它更坚固，可以使受力分散，进而桥体的承重力加大。

我国拱形桥的代表便是坐落在河北省赵县洨河上的赵州桥。这座桥建于隋代，距今已有约1400年的历史，由著名匠师李春设计和建造，是当今世界上现存最早、保存最完善的古代石拱桥。