混凝土梁橋的設計與原理

混凝土梁橋的設計與分析原理內容提要2橋梁設計準則1混凝土梁橋概述4預應力的效應5箱梁橋的空間效應6收縮徐變效應7溫度效應3混凝土梁橋的分析模型與方法8D區(qū)設計問題10結束語9耐久性問題內容提要橋梁設計準則（1）結構分析模型（2）作用（間接）效應（3）應力復雜區(qū)域設計（4）耐久性結束語設計分析方法（1）概念設計（2）裂縫問題（3）技術發(fā)展前景1混凝土梁橋概述梁橋特點受力：彎曲→隨跨度加長，梁高加大構造：形式簡潔鋼筋混凝土梁橋材料取材廣泛特點共同工作（握裹，線脹系數(shù)），對鋼筋的銹蝕保護適用范圍小跨度的混凝土梁，混凝土板預應力混凝土梁橋材料預應力的引入，使兩種材料都能充分利用高強混凝土/高強預應力鋼筋的使用成為可能特點第一個概念：預應力使混凝土在使用狀態(tài)下變成彈性材料；第二個概念：預應力使高強鋼筋和混凝土有效結合、共同工作；第三個概念：用預應力實現(xiàn)荷載平衡。適用范圍中等跨度、大跨度混凝土橋vs.鋼橋1混凝土梁橋概述設計準則規(guī)定了橋梁設計的基本理念，影響到橋梁設計的總體水平。2橋梁設計準則安全性和適用性：兩種極限狀態(tài)（1）承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)是指橋梁結構或其主要構件達到最大承載能力，或出現(xiàn)不適宜繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)。（2）正常使用極限狀態(tài)指在正常使用條件下，結構或其主要構件達到正常使用或耐久性的某項限值。√經濟性設計－施工－管養(yǎng)，全壽命的設計理念美觀抽象的結構形式效率和諧藝術造型與環(huán)境的協(xié)調經濟性和美觀性中、美橋規(guī)：

設計準則對比中國橋規(guī)第1.0.1條規(guī)定：應使公路橋涵的設計符合：技術先進安全可靠適用耐久經濟合理AASHTO橋規(guī)第1.3.1條規(guī)定：橋梁應該按照規(guī)定的多種極限狀態(tài)進行設計，以實現(xiàn)：可施工性安全性使用性并恰當考慮：可檢修性經濟性美觀性兩種極限狀態(tài)承載能力正常使用四種極限狀態(tài)使用極限狀態(tài)疲勞和斷裂極限狀態(tài)強度極限狀態(tài)極端事件極限狀態(tài)AASHTO橋規(guī)（第1.3.2條）提出的四種極限狀態(tài)：（1）使用極限狀態(tài)（ServiceLimitState）：在正常使用條件下，對應力、變形和裂縫寬度的限制；（2）疲勞和斷裂極限狀態(tài)（FatigueandFractureLimitState）：對于設計車輛和給定應力循環(huán)次數(shù)下產生的應力幅的限制。斷裂極限狀態(tài)是根據(jù)AASHTO材料規(guī)范在對韌性提出的要求；（3）強度極限狀態(tài)（StrengthLimitState）：在設計期限內，橋梁應能承受特定的靜力不利荷載組合，保證強度和穩(wěn)定性；（4）極端事件極限狀態(tài)（ExtremeEventLimitStates）：在經歷較大的地震、洪水、或船只、車輛或流冰（很可能在受到沖刷條件下）時，保證結構不致毀壞。3混凝土梁橋的分析模型與方法3.1B區(qū)和D區(qū)的概念3.2結構總體分析模型（B區(qū)） 3.2.1直線梁橋 3.2.2曲線梁橋3.3結構局部分析模型（D區(qū)） 3.3.1三維有限元模型 3.3.2拉壓桿模型3.1B區(qū)和D區(qū)的概念

傳統(tǒng)地，梁橋被認為是受彎為主的構件。材料力學中的下述公式成為梁橋設計的經典依據(jù)：

嚴格地講，上述公式的適用條件是：純彎、等截面直梁，且梁的跨高比在6以上。

B區(qū)截面應變分布基本符合平截面假定的結構區(qū)域；截面應力狀態(tài)可以通過從內力（彎矩、扭矩、剪力和軸向力）得出；B表示Beam或Bernoulli（伯努利平截面假定）。D區(qū)截面應變分布呈現(xiàn)明顯非線性的結構區(qū)域；截面應力狀態(tài)不能通過內力（彎矩、扭矩、剪力和軸向力）得出，需通過彈性理論或有限元分析得出；D表示discontinuity，disturbance或detailing3.1B區(qū)和D區(qū)的概念混凝土梁橋中的常見D區(qū)有：剪跨比較小的區(qū)域，如支座附近；跨高比L/h較小的深梁，如箱形截面的橫隔板；承受集中力作用的區(qū)域，如橫向預應力作用下箱梁翼板懸臂端，豎向預應力作用下的箱梁腹板；預應力錨固區(qū)，如梁端截面錨固區(qū)，齒板和凹槽錨固區(qū)；構造上有幾何突變的區(qū)域，如箱梁頂板、底板的開孔區(qū)域，掛孔與牛腿附近區(qū)域。3.1B區(qū)和D區(qū)的概念分析方法同時包含B區(qū)和D區(qū)的結構只含D區(qū)的結構B區(qū)D區(qū)D區(qū)結構總體分析截面內力邊界力截面內力支承反力線彈性分析：未開裂狀態(tài)應力通過截面特性參數(shù)求解彈性力學公式或有限元數(shù)值分析拉壓桿模型：開裂狀態(tài)內力拉壓桿模型，即普通桁架模型拉壓桿模型（STM）3.2結構總體分析模型（B區(qū)）梁橋建模的一般準則結構模型（單元、邊界、荷載等）分析目的關心的結構部位、內力、應力結構特點跨度、寬度、高度、截面形式、預應力布置精度要求概念設計－精細化分析相輔相成精度應在同一個層次上（荷載、材料本構、邊界條件處理等）3.2結構總體分析模型（B區(qū)）3.2.1直線梁橋平面桿系模型單元每節(jié)點3個自由度，計算相對簡單跨度較大梁橋，總體內力分析有較好的精度梁格模型縱橫梁格較寬梁橋，多室箱梁空間塊體模型板、殼、塊體復雜，寬體，空間效應顯著3.2.2曲線梁橋空間梁單元模型每節(jié)點6個自由度，平截面假定不考慮翹曲、畸變寬度較窄空間薄壁箱梁元模型在6個自由度的初等梁上，增加3個附加自由度（扭曲率、截面的畸變角和畸變曲率），精確構造剛度矩陣較麻煩。薄壁、寬度大、橫隔板約束不強等情況。3.2.2曲線梁橋空間梁格模型

用縱、橫梁格來比擬箱梁（腹板、頂板和底板）的受力寬跨比B/L較大的彎梁橋，必須考慮整個截面的橫向變形?！氨葦M”的等效性實體、板殼元模型

用實體、板殼單元最大限度地模擬箱梁實際尺寸。可以計入翹曲、畸變、剪力滯等影響，計及泊松比的影響。建模復雜，預應力筋難模擬，計算耗時較長。輸出結果為應力狀態(tài)，與橋規(guī)按內力進行配筋的方式不匹配，若將應力空間積分為內力，過于復雜，可行性不大。3.3結構局部分析模型(D區(qū))D區(qū)特征幾何構造上不連續(xù)力流受到擾動D區(qū)分析模型

彈性理論有限元分析光彈試驗拉壓桿模型（STM）

揭示D區(qū)受力特點及破壞機理為當前研究熱點已寫入一些國家設計規(guī)范3.3烏結構足D區(qū)分替析模型拉壓桿模煩型組成拉桿(ti陶e)壓桿(str卷ut)節(jié)點(no誓de)主應力憶跡線拉壓桿模汽型拉壓桿模敢型由壓桿您、拉桿和遣節(jié)點所組印成。壓桿憲是受壓構漆件，代表剃平行或扇郵形壓力場胸的合力；疲拉桿是受蔑拉構件，推一般代表眉普通鋼筋圈，有時也遮代表預應品力鋼筋或千拉應力場宅的合力；股節(jié)點位于真壓桿、拉油桿軸線與個集中力的濃交匯處。拉壓桿淡模型以關塑性下搜限定理餐為依據(jù)菌，滿足辭內力平撕衡條件嘴，同時支，正確罩的拉壓脹桿承載窗構架，釘一定滿祖足最小達應變能右準則。拉壓桿模雁型的建立投方法：應力跡餃線法荷載路端徑法基于最小扁應變能的戒拓撲優(yōu)化揚方法（c）承受汽預應力集釀中力作用絡的區(qū)域：休箱梁翼板渡和腹板（d）預應織力錨固漲區(qū)：梁盈端截面伴錨固區(qū)撿，齒板獄和凹槽貸錨固區(qū)常見D區(qū)及拉壓蚊桿模型常見D區(qū)及拉壓際桿模型跨高比瘦較小的兔深梁：喬箱形截章面的橫拋隔板承受預層應力集蓄中力作殺用的區(qū)找域：箱側梁翼板似和腹板常見D區(qū)及拉壓渾桿模型構造上有落幾何突變鞏的區(qū)域：竿箱梁開孔厲區(qū)域，掛姥孔牛腿體外預應障力轉向結話構4預熔應力的作澇用效應內力效逮應預壓預彎預剪徑向力鳴效應錨下局盼部承壓件效應變形效應收縮徐囑變引起肆的預應葬力損失等效荷載預應力混穿凝土梁的委荷載-撓騙度曲線4滔預應力宅的作用疼效應預應力平趕衡荷載→屠調整結構宏內力狀態(tài)合理成橋寇狀態(tài)→抑唇制收縮徐獎變的走向4預刺應力的作甜用效應5箱湊梁橋的郵空間效我應偏心荷命載作用蔽的等效擔力系分倍解5.1主橫向華框架效辜應5.2剪滯效應5.3扭轉效應5.4畸變效應6收縮徐盟變效應6.1廳收縮霞、徐變訪的現(xiàn)象割和機理6.2近收縮跌、徐變組的預測靠模式6.3破考慮收縮棚、徐變的膠結構分析6.4氣徐煮變次內含力的產熄生條件6.1睛收縮謊、徐變闖的現(xiàn)象外和機理收縮自收縮達（水化廢收縮）干燥收速縮碳化收蘋縮徐變應力作用會下：“水泥－悄石”粘稠允變形吸附水舉滲流微裂－硬結晶－券重組徐變系宵數(shù)收縮、徐射變的隨機合性和時效跌性混凝土暮多相材忽料石子、跪砂、水高泥、水執(zhí)、外加膠劑——水化反垂應以后督生成不確定液性——本構關厭系不穩(wěn)州定、收孩縮、徐狐變徐變混凝土在菌應力作用述方向隨時堤間變化的找變形收縮是獨立于最外力作用爽的混凝土警體積縮小6.2剪收縮、徐綢變的預測餐模式收縮徐延變預測勿模式必須反棒映混凝誰土收縮晉徐變發(fā)泥展的規(guī)容律是進行結悉構時效定堵量分析的四基礎收縮預能測模式收縮應矛變終極姨值×收縮隨時句間變化的爪函數(shù)徐變預測紡模式描述整少體發(fā)展正規(guī)律的欲徐變模貴式：CEB-真FIP(踢MC90允)、ACI2僵09R-頸82、AAS晶HTO導(20覽04)、基于粘稀彈理論的吩流變模式睡等-連乘模惹式基本徐變+干燥徐會變：BP模式、B3模式等-連加模梅式可恢復+不可恢腹復徐變療：CEB渠-FI酸P(芹MC7枕8)徐變模式忍等-連加模豎式這些模式踩的形式很桐復雜，但怪其基本目本的是：反映徐變萬隨時間的五基本變化郊趨勢；反映影昏響徐變懷變形的痰主要因甘素。這些模式優(yōu)的形式很憑復雜，但錫其基本目宰的是：反映徐變飄隨時間的狡基本變化泄趨勢；反映影貧響徐變匹變形的丙主要因怖素。6.3僅考慮收縮存、徐變的禽結構分析按齡期調余整有效模此量初應變裁、降溫計算手段6.4礎徐捆變次內奶力的產日生條件徐變變形引是混凝土更結構在外纏力作用下亞的時變特拌征，但徐業(yè)變變形要油對結構產恢生次內力棍是有條件帳的：結構必須渴發(fā)生體系廁轉換（指宰約束條件堤改變），仔轉換后的司結構成為柿超靜定體疤系；或，超靜定結夸構的各部聾分徐變系彎數(shù)不相同在靜定結朋構中，由佩于沒有冗賠余約束，悠故無論結晨構發(fā)生多巧大的徐變粥均不會產璃生次內力兼；對于一次傾澆筑成形順的超靜定伙混凝土結疑構，當有湊外力在結預構形成以塘后作用在薄其上時，貌徐變變形脖雖然會在侍外力方向史與時俱增歷，但在線沒性徐變條確件下，因碑徐變變形夠與外力引用起的彈性味變形同比逼例增長，唯即徐變變親形可由彈益性變形乘潤以一個系黎數(shù)得到，委所以，只造要彈性變薦形平衡，拴相應的徐完變變形也蛾必然平衡誼，故不會葵有次內力旱發(fā)生。7溫度右效應7.1共混凝土梁壓橋的溫度耗問題7.2噸梯度溫度菠模式7.3恭溫度自應華力7.4枕溫度次應屢力7.1例混凝土梁類橋的溫度朽問題熱源施工水化熱運營季節(jié)溫差日照驟然降勸溫數(shù)值分乞析施工措施佳、工藝預誰防均勻溫趁差梯度溫礎差7.2斷梯度溫度本模式7.3民溫度自應緞力7.4味溫度沸次應力8D鑄區(qū)設計：肚以梁端錨雅固區(qū)為例8.1樂錨固區(qū)劃詢分錨固區(qū)總體區(qū)局部區(qū)錨下混丙凝土斜唇向壓應障力爆裂力剝裂力壓應力振驗算抗爆裂漂和抗剝初裂洞鋼筋的歡設置間接鋼筋門的設置及租錨下承壓苗能力的驗等算我國規(guī)范干未涉及8D和區(qū)設計：錦以梁端錨梁固區(qū)為例8.1裹錨固區(qū)劃萄分8.2轟拉壓姥桿模型爆裂力大坊?。罕蚜ι底饔命c并位置：軸心受壓用情況拉壓桿模此型—小偏脊心錨固拉壓桿模座型—大偏饅心錨固8.3STM模釣型：斜壓桿應嚇力驗算已有的試過驗研究表逃明，局部訂區(qū)與壓桿飽（拉壓桿歲模型中的挪壓桿）的娛交接面為壓危險截面僵，應驗算喚此處混凝降土的壓應治力值。該截面捧一般位丙于局部木側限鋼林筋的端融部或錨健具前方做一倍錨忠具寬度逮的地方猜。（1）根據(jù)拉道壓桿模型項推導壓應苗力公式取α＝12°，則Ab—承壓欠板面積（2）考慮壓牌應力在厚本度方向的連擴散lc—驗算截憑面到端部膊的距離（3）多個綿錨頭情沃況引入修旬正系數(shù)K，則8.4STM賽模型：爆裂力的坡驗算爆裂力室—夾錨固區(qū)混中錨具醫(yī)前方沿集力筋軸遠線橫向歸作用的浙拉力，蜓它是錨荒固集中古力的橫憂向擴展明造成的歸。力筋有各傾角時訊的爆裂力公臟式需對前獎述公式裹進行修挽正：錨具布金置預應力的谷施加順序總體區(qū)墓設計驗朋算：總恨體區(qū)配遷筋局部區(qū)設盆計驗算：睬約束箍筋8.5后張錨固繡區(qū)的設計編內容從理念到妥實踐：需及要各方面悼的參與設計施工運營管養(yǎng)評估、加固工程實踐耐久性理念（全壽命理念）結構性裂縫構造非結構性裂縫灌漿理念實踐9耐壺久性問題高耐久性哪橋梁的優(yōu)膜點減少維修捏與加固，序提高經濟骨性如何提乏高耐久濱性適當?shù)牟哪崃虾侠淼臉嬦樤煸O計恰當?shù)姆适┕し狡蠓ńY構構蕉件易檢貞測、可傳維修好的規(guī)范球、規(guī)程施工過豈程中的標質量控余制專業(yè)的施三工人員與表監(jiān)理人員設計基予準期我國《公路鋼萄筋混凝釀土及預宏應力混岸凝土橋枯涵設計昂規(guī)范（JTG忌D6帳2-2煩004）》采用的設怎計基準期公為100年。《混凝土結駕構耐久性對設計與施肺工指南（CCE窯S01搖-2蹲004）》提出：大型橋督梁、高鎖速和一改級公路駱上的橋緞涵的設營計使用武年限應蹄不小于100年二級和撫二級以大下公路僵以及城刺市一般制道路上柔的橋涵置的設計薯使用年黨限應不劃小于50年?；炷翗蚪沉旱哪途谜夹栽O計內步容全壽命宿設計方斯法全壽命設辨計方法，己要求將橋陜梁設計的西目標與橋仆梁結構服燃役過程中秀的功能退象化、耐久建性下降、害養(yǎng)護、維寺修和加固守，直至橋重梁結構退未出工作全蛛過程內的顏所有問題緒加以綜合諸考慮?；炷霖晿蛄旱乃槟途眯怨谂c全壽銹命設計壘理念《橋規(guī)》給出了畝結構混職凝土耐嶼久性的笛基本要鐮求：最大水灰括比最小水泥究用量最低混腐凝土強向度等級最大氯封離子含孟量最大含堿陰量。根據(jù)環(huán)境嘆使用條件夕，給出考車慮抗凍性亞和抗?jié)B性息的結構混誰凝土選擇鋪標準。在構造幸規(guī)定中擋，給出發(fā)了不同辦環(huán)境條煙件下的茄混凝土急保護層李厚度?！吨改稀诽岢鲋晾噬賾吕ㄒ韵?個方面己：耐久性斥混凝土演的技術該要求與耐久楚性有關赴的結構壟構造與評裂縫控由制與耐久性旗有關的施貨工質量要草求結構使用火階段的維加修與檢測防腐蝕附委加措施基于耐久腦性的設計爆考慮與單勾純基于荷決載的設計佛考慮，不棍完全相同罪。比如，屢對于混躁凝土材豬料，在婆荷載作勉用設計嗚中，主惡要關心柏的是它唐的強度阿和彈性不模量。而在耐療久性設班計中，虹則關注巡壽其耐久并性指標派，如抗?jié)B性抗侵蝕性抗凍性耐磨性抗碳化漸性抗堿－云集料反欄應的能存力提高耐懇久性的溜措施橋梁設賺計、施費工人員宿可以開飽展的工炭作：控制混衰凝土的裂縫，包括結構性裂從縫和非結構性圖裂縫；為鋼筋提御供足夠厚儉度的混凝魯土保護層烈；隔絕或減壓輕環(huán)境因吹素對混凝銀土、鋼筋干的作用。其他方面萬的工作：耐久混楚凝土材眾料提高耐蜜久性的捎施工工舊藝提高耐銅久性的湊運營維雄護措施混凝土紙橋梁的陸耐久性顆設計內輛容弗羅里況達州后孕張預應嘴力混凝柄土橋梁帳設計新任指南預制節(jié)甘段懸臂捎拼裝橋釘梁預制節(jié)史段逐跨吼拼裝橋孔梁裝配式混島凝土I梁橋平衡懸李臂澆筑厭橋梁支架現(xiàn)澆炊橋梁后張預詠應力混蘇凝土下