有關(guān)“曲線梁橋受力特性”讀書報告

1、有關(guān)“曲線梁橋受力特性”讀書報告有關(guān)“曲線梁橋受力特性”讀書報告 作業(yè)要求：就本章的學(xué)習(xí)些一份讀書報告?？梢詮难芯楷F(xiàn)狀綜述、對計算理論的認(rèn)識、對解決問題的方法的認(rèn)識、對曲線梁橋受力特性的認(rèn)識。自己的新想法、或者對某些公式的新的推導(dǎo)思路等方面寫，字?jǐn)?shù)不少于5000（帶公式、圖、文不少于正常排版A4紙的5頁）目錄第1章 曲線梁橋現(xiàn)狀綜述21.1曲線梁橋發(fā)展現(xiàn)狀21.2曲線梁橋研究現(xiàn)狀21.2.1曲線梁橋結(jié)構(gòu)特點21.2.2曲線梁橋理論計算41.2.3曲線梁橋有限元計算6第2章 曲線梁橋力學(xué)特點及常見病害分析72.1曲線梁橋的力學(xué)特點72.2常見病害分析82.2.1梁內(nèi)側(cè)支座脫空82.2.2梁體向外

2、側(cè)移和翻轉(zhuǎn)82.2.3固接墩墩身開裂92.2.4施工不當(dāng)102.2.4地震災(zāi)害10第3章 曲線梁橋支座布置分析12第4章 曲線梁橋溫度作用分析13第5章總結(jié)14參考文獻(xiàn)15有關(guān)“曲線梁橋受力特性”讀書報告 15第1章 曲線梁橋現(xiàn)狀綜述1.1曲線梁橋發(fā)展現(xiàn)狀隨著公路、鐵路交通的發(fā)展，行車對線路的要求越來越高。為了設(shè)計出線形流暢，行車舒適的線路，設(shè)計中要求中小橋位要適應(yīng)道路線形的變化。因此，曲線梁橋得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在高速公路互通以及城市立交橋中，曲線梁橋是交通線路中的重要的橋型之一。 曲線梁橋不僅能夠適應(yīng)特殊的地形地貌，還具有線條平順、流暢的特點。曲線梁橋能夠使橋梁與環(huán)境協(xié)調(diào)一致，在未來的

3、橋梁建設(shè)中曲線梁橋?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)修建曲線梁橋時，大多采用“以直代曲”的方式，已有的研究表明，該方式既損害了行車的舒適性，又增加了不必要的構(gòu)造，有損橋梁的美觀。根據(jù)文獻(xiàn)1，世界上出現(xiàn)最早的曲線梁橋為年由德國建設(shè)的一座鋼桁架鐵路橋。我國在曲線梁橋的研究各應(yīng)用方面晚于國外，同國外相比還存在一定差距。剛開始建造曲線梁橋時，是用一系列直線當(dāng)作弦做成折線形的。近20多年來，我國的交通事業(yè)有了迅速的發(fā)展，曲線梁橋從無到有的發(fā)展起來。曲線梁橋施工方法也多種多樣，現(xiàn)澆、懸臂澆注、懸臂拼裝、頂推等直線橋的各種施工方法在曲線梁橋的設(shè)計和施工均得到了應(yīng)用。我國自年代以來隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長交通業(yè)也飛速發(fā)展,修建

4、了大量的公路鐵路,尤其是城市立交橋發(fā)展更快,修建了大量的全互通式立交橋,使得我國的曲線梁橋的理論研究和工程實踐取得了很大的成果。北京地鐵五號線“立水西橋”, 為世界上首座預(yù)應(yīng)力混凝土軌道交通曲線斜拉橋。1.2曲線梁橋研究現(xiàn)狀1.2.1曲線梁橋結(jié)構(gòu)特點1) 結(jié)構(gòu)形式彎梁橋的平面形狀，雖然有多種多樣，但一般則為圖1-1所示的形式，計算跨徑采用道路中心線的弧長 L，而寬度則取曲率中心方向的寬度B。圖1-1 彎橋的平面形狀圖1-1(a)為扇形，是彎橋類似于直線正交橋的形式，也是可用一般理論進(jìn)行分析的基本形式。圖1-1(b)、(c)是彎橋類似于直線斜交橋的形式，一般是解析法難以求解的形狀，可采用基本形圖

5、1-1(a)解法加以修正的辦法來計算。此外，雖然可以考慮由圖1-1(a)、(b)、(c)組合而成的連續(xù)彎橋的形式，但即使對此種連續(xù)彎橋也多是以扇狀形式連續(xù)的為基本。2) 支座支承布置特點單跨彎橋：a 單跨靜定曲梁中心布置; b單跨靜定曲梁偏心布置; c單跨超靜定曲梁中心布置; d單跨超靜定曲梁偏心布置。圖1-2 單跨曲梁支座布置形式連續(xù)彎橋：連續(xù)彎橋支座的常見布置方式有圖1-3所示四種形式：a 兩端點均設(shè)抗扭支座，中間跨設(shè)鉸支承;b 兩端點均設(shè)抗扭支座，中間跨設(shè)中心鉸支承和少量抗扭支座;c 為減小扭矩，兩端點均設(shè)抗扭支座，中間設(shè)向外側(cè)有偏心鉸支承;d 為增大全橋抗側(cè)傾穩(wěn)定性，兩端設(shè)置抗扭支承，

6、中間交替布置偏心支承;圖1-3 連續(xù)曲梁支座布置形式設(shè)置支承偏心可以調(diào)整曲梁中的扭矩分布，但不能消除曲梁的扭矩。根據(jù)Campbell38 39研究，設(shè)置橫向預(yù)偏心后，對調(diào)整支點處扭矩峰值效果很明顯，特別是對恒載扭矩的調(diào)整，但對跨間的扭矩調(diào)整就沒有支點處顯著。調(diào)整某一支承的偏心距主要影響相鄰兩跨的扭矩分布，對恒載的扭矩調(diào)整接近平移關(guān)系，而活載和預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的扭矩影響很小23。1.2.2曲線梁橋理論計算彎梁橋的主要計算理論與方法可以歸納為以下幾種：第一，純扭轉(zhuǎn)理論：將實際結(jié)構(gòu)作為曲線彈性桿件，橫截面無翹曲、無畸變，橫截面的剪切中心軸線與彎梁截面形心軸線相重合；第二，翹曲扭轉(zhuǎn)理論：對于薄壁結(jié)構(gòu)翹曲效

7、應(yīng)明顯，考慮翹曲扭轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)分析變得十分復(fù)雜。1) 純扭轉(zhuǎn)理論純扭轉(zhuǎn)理論是根據(jù)下列假設(shè)而建立的：1. 梁的橫截面各項尺寸與跨徑之比很小，這樣就可以把結(jié)構(gòu)當(dāng)作集中在梁軸線中心線處的彈性桿件來處理；2. 有堅固的橫梁或橫隔板，使橫截面不產(chǎn)生畸變（即截面的形狀保持不變）；3. 受載后橫截面保持平面（即不發(fā)生翹曲）；4. 認(rèn)為剪切中心的曲率半徑等于梁軸線的曲率半徑；5. 截面的扭矩主要由純扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生。純扭轉(zhuǎn)理論（圣維南扭轉(zhuǎn)）是最初用于分析彎梁橋的一種理論。純扭轉(zhuǎn)理論概念清楚，計算簡便，為廣大工程技術(shù)人員所樂于接受。這種理論一般能適用于跨徑大于橫截面尺寸四倍以上的所有實體截面及箱壁較厚、兩側(cè)翼板較短的箱形

8、截面混凝土彎梁橋，此時所引起的誤差一般均在工程設(shè)計容許范圍內(nèi)。2) 翹曲扭轉(zhuǎn)理論考慮截面畸變影響的彈性薄壁曲桿理論主要歸功于符拉索夫(Vlasov)4。從符拉索夫理論出發(fā)，可以導(dǎo)出彎梁微分方程。如圖1-4所示，截面形心為G.C.，剪切中心為S.C.，取沿剪切中心軸的切線方向為z軸，曲線向心方向為x軸，垂直曲線平面向下為y 軸所組成的三維流動直角坐標(biāo)系。圖1-4 連流動直角坐標(biāo)系與荷載分量從彎梁上截取一微段dz=Rd作為研究對象。一般情況下，彎梁微段上有六種可能作用的荷載，即沿三個坐標(biāo)軸方向的分布荷載qx、qy、qz和三個繞坐標(biāo)軸作用的分布力mx、my、mz，其正方向（符合右手螺旋法則）如圖2.

9、1(b)所示。在上述荷載作用下，截面上一般會有六種截面內(nèi)力，即軸力N，剪力Qx和Qy，彎矩Mx，My及扭矩T，內(nèi)力的正號規(guī)定如圖1-5(a)、(b)所示。圖1-5 彎梁微段的截面內(nèi)力利用彎梁微段的六個空間平衡條件，可以導(dǎo)出彎梁的六個靜力平衡方程如下：1.2.3曲線梁橋有限元計算有限元法是目前最有效又最通用的方法之一，能很好地分析各種截面梁的空間受力性能，方便地分析翹曲、畸變及剪力滯等現(xiàn)象。該方法的優(yōu)點是適用于各種類型，各種支承情況的彎梁橋，考慮的因素較為全面，只要建模合理，便能夠獲得全面而又滿意的應(yīng)力分布，能夠計算局部應(yīng)力，能夠處理任意形狀的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和任意的荷載類型。因此對于所有型式的彎梁橋，

10、幾乎都可用有限元法進(jìn)行分析。用于分析彎橋的各種單元大致可分為線狀（梁）單元、面（殼）狀單元以及實體單元，分析的精度主要取決于如何選擇合適的單元型式和如何劃分單元，以使離散后的結(jié)構(gòu)與實際彎梁橋的性能達(dá)到最大限度的接近。若將橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)作集中在軸心線處的彈性桿件處理，并認(rèn)為受載后橫斷面仍保持平面即不發(fā)生翹曲，且截面形狀保持不變即不產(chǎn)生畸變，就可以將其離散為有限個空間梁單元。這種模型簡單，易于程序的實現(xiàn)，但采用這種模型要求橋梁寬跨比不應(yīng)太大，一般當(dāng)跨度為邊肋或邊腹板間距離的 34 倍以上時方可滿足精度。對彎梁橋最精確的有限元分析方法應(yīng)該是采用殼單元、塊體單元進(jìn)行全橋仿真建模，它與實際結(jié)構(gòu)最接近，不需要

11、計算橫截面的形心、剪力中心、翼板有效寬度，能自動考慮截面的畸變、翹曲，可以準(zhǔn)確反映自重和活載。因該方法建模復(fù)雜，計算量大，只有問題較復(fù)雜或需要精確了解某一部分的性能時，采用這種方法才是合適的，常進(jìn)行局部受力分析。第2章 曲線梁橋力學(xué)特點及常見病害分析2.1曲線梁橋的力學(xué)特點由于橋梁處于曲線上，所以在力學(xué)性質(zhì)、荷載、構(gòu)造和施工方面有其特點。1.彎扭耦合。彎橋最主要的受力特點是，梁截面在發(fā)生豎向彎曲時，由于曲率的影響，必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而這種扭轉(zhuǎn)作用又將導(dǎo)致?lián)锨冃危@被稱為“彎扭耦合”作用。因此，其變形也為彎曲和扭轉(zhuǎn)兩者的迭加，故其變形值要比一般直線正交橋大。同時，彎橋外邊緣的撓度大于內(nèi)邊緣的撓度，

12、而且曲率半徑愈小愈嚴(yán)重。2.通常寬度與曲率半徑之比越大，則與有相同諸量的直線正交橋的斷面內(nèi)力之差，就顯得越大。3.內(nèi)外梁受力不均勻。在直線正交橋中，只有當(dāng)荷載偏心時才產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，而在彎橋中，無論荷載偏心與否，到處都有彎矩與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生，甚至于支承處也承受較大的扭矩。由于旋轉(zhuǎn)力矩的作用，在彎梁橋中通常會出現(xiàn)“外梁超載，內(nèi)梁卸載”的現(xiàn)象，內(nèi)外梁應(yīng)力產(chǎn)生差別，這種現(xiàn)象在小半徑的寬橋中特別明顯。因此，設(shè)計斷面就比較繁瑣，而且，往往構(gòu)成不經(jīng)濟(jì)的斷面，與直線正交橋相比，結(jié)構(gòu)造價較高。4.內(nèi)外側(cè)支座反力不等。內(nèi)外側(cè)反力差引起較大的扭矩，使梁截面處于“彎扭耦合”作用狀態(tài)，其截面主拉應(yīng)力比相應(yīng)的直梁橋大得多。故在

13、彎梁橋中，以選用抗扭剛度較大的箱型截面形式為好。5.彎橋的橫梁是減小截面畸變，抵抗扭轉(zhuǎn)，保持全橋穩(wěn)定的重要構(gòu)件，因而與一般的直線正交橋相比，必然需要加大橫梁的剛度。由于橫梁的剛度大，所以橋梁斷面的變形可以忽略，其對由橫梁變形引起的主梁荷載分配的影響較小，且一般橫梁的變形在主梁間大多成直線變化。6.內(nèi)側(cè)支座中可能拉力。如前所述，彎梁橋的支座反力與直線梁橋相比，有外側(cè)變大，內(nèi)側(cè)變小的傾向，因此，在內(nèi)側(cè)支座中有產(chǎn)生負(fù)反力的可能。尤其在曲率半徑小，靜荷載比較小或者當(dāng)活載偏置時，容易產(chǎn)生負(fù)反力。如果支座不能承受拉力，就會出現(xiàn)梁體與支座發(fā)生脫離的現(xiàn)象，通常稱為“支座脫空”。另外，在連續(xù)彎橋中，應(yīng)比直線橋中

14、尤要注意跨徑方向的分配問題。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，采用合宜的下部結(jié)構(gòu)或支座結(jié)構(gòu)來抵抗負(fù)反力的方法，比較切合實際。7.連續(xù)曲線橋中，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對于支反力的分配有較大的影響。計算支座反力時，必須考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。2.2常見病害分析城市和山區(qū)公路交通的日益發(fā)展, 使曲線橋梁的需求量大大增加。山高谷深地帶, 需設(shè)置高墩以跨越深谷, 設(shè)置彎橋以繞過高山。這樣集高墩、曲線、大跨徑于一身, 使墩梁結(jié)構(gòu)受力和變形更加復(fù)雜, 所受雙向彎曲和扭矩、溫度變化、預(yù)應(yīng)力、混凝土徐變和收縮的作用使得橋梁變形所產(chǎn)生的病害尤為突出5。常見的病害有：梁內(nèi)側(cè)支座脫空、梁體向外側(cè)移和翻轉(zhuǎn)、固接墩墩身開裂、施工不當(dāng)、地震災(zāi)害6。2.2

15、.1梁內(nèi)側(cè)支座脫空支座脫空是彎橋經(jīng)常碰到的問題。發(fā)現(xiàn)在溫度、活載偏載等最不利因素的綜合作用下，邊墩處內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生負(fù)反力，存在支座脫空現(xiàn)象（如圖2-1）。圖2-1 支座脫空病害圖片2.2.2梁體向外側(cè)移和翻轉(zhuǎn)曲線梁橋梁體的外移和翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致支座、伸縮縫的剪切破壞和平曲線超高的喪失。曲線梁橋整體向外側(cè)平移，使支座和伸縮縫嚴(yán)重剪切破壞，由于翻轉(zhuǎn)，梁的外側(cè)高程降低而內(nèi)側(cè)高程上升，使超高減小或形成反超高，對行車安全構(gòu)成很大威脅圖2-2 大官莊立交橋伸縮縫壓死梁體的外移和翻轉(zhuǎn)進(jìn)一步導(dǎo)致曲線梁橋發(fā)生坍塌事故，曲線梁橋在受到嚴(yán)重超重汽車的的偏載作用，再加上汽車的離心力作用，可能會發(fā)生坍塌事故。 圖2-3 浙江上虞

16、立交橋倒塌 圖2-4 內(nèi)蒙古包頭民族東路高架橋倒塌2.2.3固接墩墩身開裂曲線梁橋中以連續(xù)曲線梁箱梁橋的應(yīng)用最為廣泛，為了美觀和增加橋下透空度，中間墩大多采用獨柱墩，有時還將個別中間墩與梁體固結(jié)。在此類結(jié)構(gòu)當(dāng)中，比較容易出現(xiàn)橋墩開裂的現(xiàn)象。圖2-5 綿竹回瀾立交橋橋墩壓潰2.2.4施工不當(dāng)在施工過程中引起的曲線梁橋事故。曲線梁橋在施工過程中就有可能發(fā)生工程事故。如美國的拉期諾瑪斯橋，在施工階段就有4根預(yù)應(yīng)力束從曲線梁內(nèi)腹板中崩出，布置有普通箍筋的箱梁腹板沿著預(yù)應(yīng)力束管道中心被撕裂，過了兩天后，外腹板也發(fā)生了崩裂現(xiàn)象，我國福建省京福高速福州段匝道橋，在施工階段預(yù)應(yīng)力張拉完成后不久內(nèi)側(cè)支座脫空。圖

17、2-6 昆明小莊立交橋在拆除時坍塌2.2.4地震災(zāi)害由地震作用引起的曲線梁橋事故。國內(nèi)外，由地震作用引起的曲線梁橋破壞事故較多。如 1971 年，在美國圣費爾南多地震中，就有兩座互通式立交橋受到了嚴(yán)重的破壞；1994年，在美國北嶺地震中，仍有立交曲線梁橋受到嚴(yán)重破壞（圖2-7）；2008 年，我國汶川地震中破壞的百花大橋（圖2-8）和回瀾立交匝道橋也是曲線橋圖2-7 美國北嶺地震中倒塌的曲線梁橋 圖2-8 地震中倒塌的百花大橋曲線梁橋處于“彎、剪、扭”的合受力狀態(tài)，故上、下部結(jié)構(gòu)必須構(gòu)成有利于抵抗“彎、剪、”的措施。常用的措施有：1）預(yù)設(shè)支座偏心增強(qiáng)曲線梁橋的抗扭能力；2）合理設(shè)置徑向限位措施

18、和選用支座；3）曲線連續(xù)梁可在中墩設(shè)置抗扭支座；4）適當(dāng)拉大支座之間的間距增強(qiáng)曲線梁橋的抗扭能力；5）設(shè)置防崩鋼筋；6）在主梁的扭轉(zhuǎn)變形過大同時墩柱彎矩也很大(一般墩柱較矮)的情況下，宜采用矩形截面墩柱。因為矩形截面沿主梁縱向抗彎剛度較小，而沿主梁橫向抗彎剛度較大，這樣既減小了墩柱的配筋又降低了主梁的橫向扭轉(zhuǎn)變形，更適合其受力特點。圖2-9 防崩鋼筋第3章 曲線梁橋支座布置分析在支承形式上，曲線梁橋通常采用的有全部為抗扭支承，中間為點鉸支承，以及中間既有點鉸支承、又有抗扭支承的混合式支承3種。采用多柱中墩，或在獨柱上設(shè)置抗扭支承，這種支承對主梁可提供較大的扭轉(zhuǎn)約束作用。不同的支座布置形式，曲線

19、梁橋的受力特性有所不同7。(1)兩端抗扭、中間點鉸支承時, 設(shè)置偏心后自重下的扭矩變化較大, 組合扭矩減小, 曲線梁橋的扭轉(zhuǎn)變形減小。全橋設(shè)置抗扭支承時, 設(shè)置偏心對改善梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用不大。(2)中支點設(shè)置抗扭支承對自重產(chǎn)生的扭矩幾乎無影響, 但大大降低了預(yù)應(yīng)力荷載引起的扭矩, 也降低了活載引起的扭矩。(3)支座預(yù)偏心對自重下的內(nèi)、外支座豎向反力分配有重分布作用, 使組合荷載下的內(nèi)、外側(cè)支座反力趨向均衡。第4章 曲線梁橋溫度作用分析研究表明除了曲線梁橋因為力學(xué)特性比較復(fù)雜外，溫度引起的內(nèi)力和變形也是一個非常重要的原因。在這方面，國、內(nèi)外的學(xué)者都曾做過大量的研究工作，并把相應(yīng)的控制措施寫入各國

20、規(guī)范。他們的研究證實，溫度引起的應(yīng)力有時甚至?xí)^活載應(yīng)力。例如國內(nèi)深圳市的華強(qiáng)北立交橋，是一座三層的互通式立交橋，最高一層為6孔、曲線半徑R=250m的曲線梁橋，在其使用不久，出現(xiàn)了其梁體突然側(cè)移達(dá)到50cm 之多；國外德國Jagst橋厚腹板箱梁的檢查中發(fā)現(xiàn)，通車第五年發(fā)生嚴(yán)重裂縫，經(jīng)估算溫度應(yīng)力高達(dá)26×105Pa。曲線梁橋兩端支座對溫度變化反應(yīng)較為敏感，曲線梁橋中間部分的支座對溫度變化的反應(yīng)不大結(jié)論8。溫度對曲線梁橋的作用主要分成兩大類：（1）溫度梯度：包括豎向溫度梯度和徑向溫度梯度；（2）系統(tǒng)溫差。溫度梯度是指曲線梁體受到太陽照射，由于角度的不同和混凝土材料導(dǎo)熱性比較差，梁體

21、向陽側(cè)溫度較高，背陽側(cè)溫度較低。箱梁不同位置的溫度不同，引起梁體各部位的平面變形也不同，溫度梯度引起曲線梁橋的平面變形包括切向變形和徑向變形910。第5章總結(jié)曲線梁橋不僅可使道路布置更加科學(xué)、合理；而且能夠與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致，給人以美的享受。在橋梁工程中主要應(yīng)用如立交橋、曲線剛構(gòu)、斜拉橋等。曲線橋的主要特點是彎扭耦合，使主梁的撓度增大并發(fā)生趨向于外側(cè)的扭轉(zhuǎn)，可能使支座脫空，嚴(yán)重時可能發(fā)生主梁側(cè)傾，溫度與扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用也會使主梁發(fā)生曲線外側(cè)的水平位移。曲線橋簡化計算仍然可以采用單梁計算與橫向分布系數(shù)結(jié)合的方法進(jìn)行。橫向?qū)ΨQ布置不會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力初扭矩，但是會產(chǎn)生次扭矩，影響支反力分布，此外預(yù)應(yīng)力筋有向曲線內(nèi)側(cè)的徑向力，可能造成腹板崩裂。曲線梁體的受力及變形、位移比直線梁體復(fù)雜得多, 梁體內(nèi)力不均勻, 其內(nèi)力與梁的豎向彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、梁的抗裂強(qiáng)度以及支座性能等許多因素有關(guān),而這些因素的考慮和確定是非常復(fù)雜的, 因此致使所謂精確方法的計算結(jié)果也與實際情況不相符, 甚至相差較大。通過閱讀教材以及相關(guān)論文對于曲線梁橋的受力特點以及常見病害等有了初步的了解，