第2講-曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及構(gòu)造ppt課件

1、1,第二講 曲線梁橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)與構(gòu)造,教學(xué)目的： 了解曲線梁橋的基本受力特點(diǎn)與構(gòu)造。 教學(xué)任務(wù)： （1） 曲線梁橋基本受力特點(diǎn)； （2） 曲線梁橋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性影響因素； （3） 曲線梁橋結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)； （4） 曲線梁橋布置與構(gòu)造； （5） 曲線梁橋支座設(shè)計(jì)。 課后作業(yè),2,1.1 曲線梁橋基本受力特點(diǎn),由于曲線梁橋的“彎扭耦合”作用，曲線梁在承受豎向彎曲的同時(shí)，由于曲率的影響（即曲線梁橋重心經(jīng)常位于兩端連線之外，從而產(chǎn)生扭矩），必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而這種扭轉(zhuǎn)又將導(dǎo)致?lián)锨冃危@種彎曲與扭轉(zhuǎn)的相互作用稱為“彎扭耦合”作用。 （1）在同樣荷載作用下，曲線梁橋的豎向撓度比同等跨徑直線橋要大； （2）彎梁

2、橋外邊緣撓度大于內(nèi)邊緣撓度，而且曲率半徑愈小，則這種影響愈 嚴(yán)重； （3）對于多主梁曲線梁橋，外側(cè)主梁所承受的內(nèi)力比內(nèi)側(cè)主梁的內(nèi)力要大， 從而導(dǎo)致內(nèi)外主梁應(yīng)力產(chǎn)生差別； （4）曲線梁橋的橫梁是防止扭轉(zhuǎn)，保持全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，因而與一般的 直線橋相比，其剛度要較大,3,5）曲線梁橋的支反力與直線橋相比，有外側(cè)增大，內(nèi)側(cè)減小的趨勢，并有 可能產(chǎn)生負(fù)反力，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意； （6）為了減小曲線梁橋橋墩的內(nèi)力，在設(shè)計(jì)中可采用柔性橋墩以允許主梁沿 徑向和切向變形，從而降低橋墩內(nèi)力，達(dá)到防止橋墩開裂的效果,4,1）圓心角,2）彎扭剛度比,在滿足豎向變形的前提下，宜盡可能減小 值，增大 值，以提高彎扭剛度比

3、，從而減小曲線梁橋的彎扭耦合作用效應(yīng),2.2 曲線梁橋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性影響因素,5,6,2.3 曲線梁橋的變形特點(diǎn),引起曲線梁橋在水平面內(nèi)產(chǎn)生位移的因素有兩大類，且兩類位移的方向有很大的差別,1）由于溫度變化和混凝土收縮引起的水平位移,這類位移屬于弧線膨脹或收縮性質(zhì)的位移，它只涉及到曲率半徑的變化，而圓心角不發(fā)生改變。 如梁的左端為固定支座，其余為多向活動(dòng)支座，當(dāng)降溫（或混凝土收縮）時(shí)，位于1#、2#、3#支座處的橋面將分別產(chǎn)生沿01,02,03方向的位移，均指向固定支座（0#）。值得注意的是，此時(shí)支座均發(fā)生了沿徑向和切向的位移,7,曲線梁在溫度變化和收縮作用下的變形圖,設(shè)計(jì)注意： 可見，由于溫度

4、變化和混凝土收縮將引起各支點(diǎn)處的弦向位移，故在橋梁活動(dòng)端將引起和橋軸線垂直的位移分量，它會使伸縮縫的活動(dòng)在構(gòu)造上發(fā)生困難，并產(chǎn)生一個(gè)平面扭矩，使整個(gè)橋面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，應(yīng)在設(shè)計(jì)構(gòu)造上予以重視,8,方案一：容許活動(dòng)端在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn) 姚玲森建議：在容許活動(dòng)端可采用在構(gòu)造上容許梁端發(fā)生切向位移和平面內(nèi)旋 轉(zhuǎn)的變形，但限制其徑向位移。計(jì)算表明：在容許活動(dòng)端發(fā)生轉(zhuǎn) 角位移的情況下，可顯著減小垂直軸線方向的約束力，而且端部 的轉(zhuǎn)角位移極小（-0.01330.0176度），對于橡膠型伸縮縫不會 帶來困難，是比較經(jīng)濟(jì)和合理的方案。（引自混凝土彎梁橋 邵容光） 方案二：設(shè)置橫向限位裝置 德國一座曲線梁橋（總跨徑525米

5、），由各種不同曲線半徑組成，該橋即通過在橋墩上設(shè)置橫向限位裝置迫使該彎梁橋的縱向變形沿著橋軸線變化。值得注意的是：需要驗(yàn)算橋墩橫橋方向的抗彎強(qiáng)度。當(dāng)橋?qū)捿^大時(shí)，該彎矩會較大，從而導(dǎo)致橋墩受力較大，此時(shí)建議改為兩幅并列的橋,9,2）由于預(yù)加力和混凝土徐變引起的水平位移與荷載有關(guān)的變形,這類位移屬于切線方向的位移，截面形心處施加預(yù)應(yīng)力時(shí)由彈性壓縮或徐變變形所引起的水平位移。此時(shí)，曲率半徑不發(fā)生改變，而圓心角卻發(fā)生改變,連續(xù)曲線梁橋在預(yù)應(yīng)力和混凝土徐變作用下的平面內(nèi)變形,10,2.3 曲線梁橋的布置與構(gòu)造 （1）曲線梁橋平、縱、橫布置,每一座橋梁的設(shè)計(jì)總會涉及到諸多因素與制約條件，在綜合考慮這些因素

6、之后，擬訂總體布置方案。橋服從路線要求,主要內(nèi)容包括： 結(jié)構(gòu)體系的選擇：彎梁橋、彎拱橋、彎剛構(gòu)橋、彎斜拉橋等。 橋梁分孔：連續(xù)彎梁橋的跨度大多是集中在5060米以下的中等跨徑 梁高選擇：多采用等高度截面梁，當(dāng)跨度較大時(shí)采用變高度截面。 主梁截面選擇：板結(jié)構(gòu)、T梁、I型梁及箱形截面 墩臺形式選擇：與連續(xù)梁差別不大； 基礎(chǔ)選擇：與連續(xù)梁差別不大,11,2）曲線梁橋主梁截面形式,曲線梁橋的主梁截面形式很多，應(yīng)根據(jù)橋梁的跨徑、寬度、建筑高度的要求、支撐形式、施工方法、橋面超高方案和總體布置的情況，合理地選定主梁的橫截面形式，以便減輕結(jié)構(gòu)自重、增大跨越能力、節(jié)省材料用量、簡化施工方法、改善主梁受力性能,

7、板式截面,特點(diǎn)：構(gòu)造簡單、施工方便， 適合跨度不是很大的 橋梁； 構(gòu)造：見右圖,12,板式梁示例,13,肋板式截面,為了減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省材料用量，可以在受拉區(qū)捎加挖空，做成肋板式截面，相當(dāng)于加厚腹板的T梁。 特點(diǎn)：截面建筑高度小，有利于橋下凈空的增大，有利于彎剪作用較大的 曲線梁橋； 構(gòu)造：肋寬24米，橋?qū)挒?015米。 示例：美國舊金山機(jī)場橋（林同炎設(shè)計(jì)）橋?qū)?3.2m,14,肋式截面（T形或I形,直線橋：鋼筋混凝土簡支T形梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑10、13、16、20米； 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑25、30、35、40米。 構(gòu)造：類似與直線橋的T形、I形梁截面 特點(diǎn)：適合跨度不大，建筑高度允許的情

8、況。 示例：徐州市史小橋 采用13和16米的裝配式T形梁，曲線半徑為R=260m，設(shè)計(jì)荷載等級為：汽車20級，掛車100。（相當(dāng)于公路II級） 需要說明的是，這類截面屬于開口截面，不利于截面的抗扭變形，但當(dāng)建筑高度允許的時(shí)候，且跨度也不太大時(shí)，可以考慮采用肋式截面，但要注意各主梁的內(nèi)力橫向分配關(guān)系，特別要注意的是內(nèi)梁的支點(diǎn)負(fù)反力出現(xiàn)的可能性,15,箱形截面,中小跨徑的曲線梁橋大多采用箱形截面。 特點(diǎn)：截面挖空率大，材料用量少，結(jié)構(gòu)自重小，抗扭剛度大，截面應(yīng)力分配 合理。 “扁平箱截面”：適合曲線梁橋。（彎扭剛度比K,進(jìn)行曲線梁橋的橫截面設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)的細(xì)部尺寸可參考已有圖紙，也可參考如下建議進(jìn)行

9、擬訂,箱梁底板厚度,在承受負(fù)彎矩時(shí)，能夠提供足夠的抗壓承載力；根據(jù)負(fù)彎矩區(qū)段的負(fù) 彎矩大小可作成變厚度底板； 滿足底板內(nèi)鋼筋構(gòu)造的要求； 建議跨中取2025cm；支點(diǎn)處：取為墩頂梁高的1/101/12（T構(gòu),16,箱梁頂板厚度,頂板是箱梁結(jié)構(gòu)的一部分，也是行車道板直接受車輛輪載的結(jié)構(gòu)部分，受力比較復(fù)雜,在正彎矩區(qū)段滿足受壓承載能力要求； 在負(fù)彎矩區(qū)段滿足鋼筋布置要求（包括預(yù)應(yīng)力鋼束布置要求）； 頂板厚度的設(shè)計(jì)與腹板間距有關(guān)，可參考表1來擬定； 對于中小跨徑曲線梁橋而言，采用腹板中距為23米的多室箱梁是比 較經(jīng)濟(jì)合理的；但對于大跨度曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，多采用單箱單室截 面，增大腹板間距，增大頂板厚度

10、的構(gòu)造形式。同時(shí)采用大懸臂構(gòu) 造（Lcan=23m），從而使梁梗部的腹板內(nèi)外側(cè)的頂板所受彎矩比較 接近，以利布筋合理，同時(shí)增加美觀,17,表1 箱梁頂板厚度隨腹板間距的變化關(guān)系,箱梁腹板厚度,箱梁腹板的主要功能是抵抗扭剪內(nèi)力，在預(yù)應(yīng)力混凝土梁中，采用彎起預(yù)應(yīng)力鋼束可以有效地減小腹板中的豎向剪力。 滿足抗剪、扭的承載能力要求； 滿足鋼筋布置要求； 斜腹板的設(shè)計(jì)：優(yōu)點(diǎn)是可以減小底板的寬度，從而減小墩臺尺寸，也 可減小迎陽光的面積，有利于降低溫度應(yīng)力；缺點(diǎn)是截面的抗扭剛度 有所降低，為了適應(yīng)支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)承壓的需要，須局部加厚底板尺寸,18,梗腋設(shè)計(jì),梗腋設(shè)計(jì)十分重要，可提高截面的抗扭剛度和抗彎剛度，

11、主要功能是增加角隅處的聯(lián)結(jié)剛度，減小截面的畸變應(yīng)力,增大頂板的支點(diǎn)剛度，減小頂板跨 中的彎矩； 梗腋可使剪力流過渡比較平順，緩 和該處的應(yīng)力集中； 梗腋形式：1：1，1：2，1：3， 1：4等,幾種梗腋形式,19,3） 曲線梁橋橋墩形式,曲線梁橋的橋臺與直線橋并無多大差別，主要區(qū)別在橋墩。當(dāng)橋梁上部結(jié)構(gòu)采用箱形截面時(shí)，可選用如下圖所示的橋墩形式,曲線梁橋橋墩形式,20,獨(dú)柱墩 當(dāng)曲線連續(xù)梁橋的曲率半徑比較小，宜采用這種形式，它有利于 立交橋的橋墩布置，占地范圍小； 建在河中，其阻水面積小，并且有利于整個(gè)橋型的美觀。 Y型墩 適合橋?qū)捿^大，且橋下有行車要求的情況； 造型比較美觀； 雙柱墩 適合橋

12、寬比較大，這樣布置可以滿足橋下行車要求的情況； 受力簡單,21,2.5 曲線梁橋支座布置,曲線梁橋的支座布置是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，支座布置是否合理，不但會影響結(jié)構(gòu)的受力，而且會影響車輛的正常行駛，其核心是如何通過支座布置來有效承受由自重和活載偏載等因素所產(chǎn)生的組合扭矩作用。我國近年來一些城市所設(shè)計(jì)的連續(xù)彎梁橋中，常因支座的布置不當(dāng)而出現(xiàn)故障,橋臺支座不具備抗扭能力，致使運(yùn)營過程中出現(xiàn)內(nèi)側(cè)支座脫空，端部向 外側(cè)偏移，而內(nèi)側(cè)則超上其翹，伸縮縫裝置破壞，被迫中斷交通； 中間橋墩均布置單點(diǎn)活動(dòng)支座，且不具備限制橋面徑向位移的功能，在 升溫作用下，橋梁向徑向起拱，橋面中軸線向外弧側(cè)偏移，從而加大了恒 載

13、產(chǎn)生的扭矩，最后使整個(gè)橋面向外弧冊產(chǎn)生不同程度的傾斜； 橋墩剛度設(shè)計(jì)不合理,22,支座布置建議： 橋臺處設(shè)置具有切向位移功能的抗扭支座； 中間橋墩設(shè)置一固定的抗扭支座，見下圖； 將中間一橋墩設(shè)計(jì)成墩梁固結(jié)形式，其余設(shè)計(jì)為點(diǎn)鉸支承； 為了達(dá)到人為調(diào)整扭矩分布的目的，分別給中間各點(diǎn)鉸支承以一定的預(yù)偏心； 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)太寬時(shí)，由于溫度作用會使主梁梁端產(chǎn)生水平面的內(nèi)力，因此當(dāng)上 部結(jié)構(gòu)太寬時(shí)，可設(shè)計(jì)成分離而并列的兩座窄橋,23,獨(dú)柱支承曲線連續(xù)梁橋偏心距設(shè)計(jì),24,圖1 連續(xù)曲線梁橋平面布置圖（單位：m） 圖2 連續(xù)曲線梁橋標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：cm,25,26,2.2 曲線連續(xù)梁橋有限元模型建立 采用ANS

14、YS有限元分析軟件建立有限元模型，曲線梁橋單元采用BEAM188單元來模擬。該單元可以考慮截面的剪切變形，并且該單元每一節(jié)點(diǎn)具有7個(gè)自由度，可以考慮截面的翹曲效應(yīng)，對于分析具有“彎扭耦合”效應(yīng)的曲線梁橋而言十分合適。在中支點(diǎn)處通過剛臂單元來模擬中支點(diǎn)的偏心5,6,9,13。針對不同的曲率半徑分別建立如圖3所示的有限元模型，單元局部示意圖見圖3-b）。邊界條件設(shè)置為：端部通過兩個(gè)點(diǎn)鉸支承來實(shí)現(xiàn)抗扭正交線性約束，橫橋向距離為，中間支承為獨(dú)柱點(diǎn)鉸支承（即僅設(shè)豎向約束,圖3 曲線梁橋結(jié)構(gòu)有限元模型,27,3.1 對主梁豎向彎矩的影響,28,3.2 對主梁扭矩的影響,29,3.4 對主梁撓度的影響,從圖中可以看出，對于曲線連續(xù)梁橋，調(diào)整中支點(diǎn)的預(yù)偏心距會引起主梁跨中撓度有所增加，但增加幅度不大。因此，調(diào)整曲線連續(xù)梁橋的中支點(diǎn)預(yù)偏心距對主梁的豎向撓度影響不大,30,3.5 對主梁沿軸線轉(zhuǎn)角的影響,從圖中可以看出，對于曲線連續(xù)梁橋中支點(diǎn)若不設(shè)偏心距，主梁在結(jié)構(gòu)自重作用下會發(fā)生向外側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形。通過設(shè)置中支點(diǎn)預(yù)偏心距，可以明顯改善主梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中顯得尤為重要,31,3.6 對支承反力的影響,從圖中可以看出，對于曲線連續(xù)梁橋，調(diào)整中支點(diǎn)的預(yù)偏心距會引起主梁端部支承反力的變化，中支承豎向反力變化很小。因此，可以通過設(shè)置中支點(diǎn)的合理預(yù)偏心距來調(diào)整曲線連續(xù)梁橋