混凝土梁橋的設(shè)計(jì)與分析原理_ppt

1、混凝土梁橋的設(shè)計(jì)與分析原理內(nèi)容提要2 橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1 混凝土梁橋概述4 預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)5 箱梁橋的空間效應(yīng)6 收縮徐變效應(yīng)7 溫度效應(yīng)3 混凝土梁橋的分析模型與方法8 D區(qū)設(shè)計(jì)問題10 結(jié)束語9 耐久性問題內(nèi)容提要橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）結(jié)構(gòu)分析模型（2）作用（間接）效應(yīng)（3）應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域設(shè)計(jì)（4）耐久性結(jié) 束 語設(shè)計(jì)分析方法（1）概念設(shè)計(jì)（2）裂縫問題（3）技術(shù)發(fā)展前景1 混凝土梁橋概述梁橋特點(diǎn)受力：彎曲 隨跨度加長，梁高加大構(gòu)造：形式簡潔鋼筋混凝土梁橋材料取材廣泛特點(diǎn)共同工作（握裹，線脹系數(shù)），對鋼筋的銹蝕保護(hù)適用范圍小跨度的混凝土梁，混凝土板預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋材料預(yù)應(yīng)力的引入，使兩種材料都能充分利

2、用高強(qiáng)混凝土/高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋 的使用成為可能特點(diǎn)第一個概念：預(yù)應(yīng)力使混凝土在使用狀態(tài)下變成彈性材料；第二個概念：預(yù)應(yīng)力使高強(qiáng)鋼筋和混凝土有效結(jié)合、共同工作；第三個概念：用預(yù)應(yīng)力實(shí)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定了橋梁設(shè)計(jì)的基本理念，影響到橋梁設(shè)計(jì)的總體水平。 2 橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)或其主要構(gòu)件達(dá)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(jié)構(gòu)或其主要構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)限值。經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)施工管養(yǎng)，全壽命的設(shè)

3、計(jì)理念美觀抽象的結(jié)構(gòu)形式效率和諧藝術(shù)造型與環(huán)境的協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)性和美觀性中、美橋規(guī)：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對比中國橋規(guī)第1.0.1條規(guī)定：應(yīng)使公路橋涵的設(shè)計(jì)符合：技術(shù)先進(jìn)安全可靠適用耐久經(jīng)濟(jì)合理AASHTO橋規(guī)第1.3.1條規(guī)定：橋梁應(yīng)該按照規(guī)定的多種極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)：可施工性安全性使用性并恰當(dāng)考慮：可檢修性經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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)（Service Limit State）：在正常使用條件下，對應(yīng)力、變形和裂縫寬度的限制；（2）疲勞和斷裂極限狀態(tài)（F

4、atigue and Fracture Limit State）：對于設(shè)計(jì)車輛和給定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下產(chǎn)生的應(yīng)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(qiáng)度極限狀態(tài)（Strength Limit State）：在設(shè)計(jì)期限內(nèi)，橋梁應(yīng)能承受特定的靜力不利荷載組合，保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性；（4）極端事件極限狀態(tài)（Extreme Event Limit States）：在經(jīng)歷較大的地震、洪水、或船只、車輛或流冰（很可能在受到?jīng)_刷條件下）時，保證結(jié)構(gòu)不致毀壞。3 混凝土梁橋的分析模型與方法3.1 B區(qū)和D區(qū)的概念3.2 結(jié)構(gòu)總體分析模型（B區(qū)）3.2.1 直線梁橋3.2.2 曲

5、線梁橋3.3 結(jié)構(gòu)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3.1 B區(qū)和D區(qū)的概念傳統(tǒng)地，梁橋被認(rèn)為是受彎為主的構(gòu)件。材料力學(xué)中的下述公式成為梁橋設(shè)計(jì)的經(jīng)典依據(jù)： 嚴(yán)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(yīng)變分布基本符合平截面假定的結(jié)構(gòu)區(qū)域；截面應(yīng)力狀態(tài)可以通過從內(nèi)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(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯非線性的結(jié)構(gòu)區(qū)域；截面應(yīng)力狀態(tài)不能通過內(nèi)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，dist

6、urbance或detailing3.1 B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(yù)應(yīng)力作用下箱梁翼板懸臂端，豎向預(yù)應(yīng)力作用下的箱梁腹板；預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)，如梁端截面錨固區(qū)，齒板和凹槽錨固區(qū)；構(gòu)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。3.1 B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(jié)構(gòu)只含D區(qū)的結(jié)構(gòu)B 區(qū)D 區(qū)D 區(qū)結(jié)構(gòu)總體分析截面內(nèi)力邊 界 力截面內(nèi)力支承反力線彈性分析：未開裂狀態(tài)應(yīng)力通過截面特性參數(shù)求解彈性力學(xué)公式或有限元數(shù)值分析拉壓桿模型：開裂狀態(tài)內(nèi)力拉

7、壓桿模型，即普通桁架模型拉壓桿模型（STM）3.2 結(jié)構(gòu)總體分析模型（B區(qū)）梁橋建模的一般準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)模型（單元、邊界、荷載等）分析目的關(guān)心的結(jié)構(gòu)部位、內(nèi)力、應(yīng)力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)跨度、寬度、高度、截面形式、預(yù)應(yīng)力布置精度要求概念設(shè)計(jì)精細(xì)化分析相輔相成精度應(yīng)在同一個層次上（荷載、材料本構(gòu)、邊界條件處理等）3.2 結(jié)構(gòu)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(diǎn)3個自由度，計(jì)算相對簡單跨度較大梁橋，總體內(nèi)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(fù)雜，寬體，空間效應(yīng)顯著 3.2.2 曲線梁橋空間梁單元模型每節(jié)點(diǎn)6個自由度，平截面假定不考慮翹曲、畸變寬度較窄空

8、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(gòu)造剛度矩陣較麻煩。薄壁、寬度大、橫隔板約束不強(qiáng)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。 “比擬”的等效性實(shí)體、板殼元模型 用實(shí)體、板殼單元最大限度地模擬箱梁實(shí)際尺寸?？梢杂?jì)入翹曲、畸變、剪力滯等影響，計(jì)及泊松比的影響 。建模復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力筋難模擬，計(jì)算耗時較長。輸出結(jié)果為應(yīng)力狀態(tài)，與橋規(guī)按內(nèi)力進(jìn)行配筋的方式不匹配，若將應(yīng)力空間積分為內(nèi)力，過于復(fù)雜，可行性不大。3.3 結(jié)構(gòu)局部分析模型(D區(qū))

9、D區(qū)特征 幾何構(gòu)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(yàn) 拉壓桿模型（STM ） 揭示D區(qū)受力特點(diǎn)及破壞機(jī)理 為當(dāng)前研究熱點(diǎn) 已寫入一些國家設(shè)計(jì)規(guī)范 3.3 結(jié)構(gòu)D區(qū)分析模型 拉壓桿模型組成 拉桿(tie) 壓桿(strut) 節(jié)點(diǎn)(node) 主應(yīng)力跡線 拉壓桿模型 拉壓桿模型由壓桿、拉桿和節(jié)點(diǎn)所組成。壓桿是受壓構(gòu)件，代表平行或扇形壓力場的合力；拉桿是受拉構(gòu)件，一般代表普通鋼筋，有時也代表預(yù)應(yīng)力鋼筋或拉應(yīng)力場的合力；節(jié)點(diǎn)位于壓桿、拉桿軸線與集中力的交匯處。拉壓桿模型以塑性下限定理為依據(jù)，滿足內(nèi)力平衡條件，同時，正確的拉壓桿承載構(gòu)架，一定滿足最小應(yīng)變能準(zhǔn)則。拉壓桿

10、模型的建立方法：應(yīng)力跡線法荷載路徑法基于最小應(yīng)變能的拓?fù)鋬?yōu)化方法（c） 承受預(yù)應(yīng)力集中力作用的區(qū)域：箱梁翼板和腹板（d）預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)：梁端截面錨固區(qū)，齒板和凹槽錨固區(qū) 常見D區(qū)及拉壓桿模型常見D區(qū)及拉壓桿模型跨高比較小的深梁：箱形截面的橫隔板 承受預(yù)應(yīng)力集中力作用的區(qū)域：箱梁翼板和腹板常見D區(qū)及拉壓桿模型 構(gòu)造上有幾何突變的區(qū)域：箱梁開孔區(qū)域，掛孔牛腿 體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)4 預(yù)應(yīng)力的作用效應(yīng)內(nèi)力效應(yīng)預(yù)壓預(yù)彎預(yù)剪徑向力效應(yīng)錨下局部承壓效應(yīng)變形效應(yīng)收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失等效荷載 預(yù)應(yīng)力混凝土梁的荷載-撓度曲線 4 預(yù)應(yīng)力的作用效應(yīng)預(yù)應(yīng)力平衡荷載調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)合理成橋狀態(tài)抑制收縮徐變的走向4 預(yù)

11、應(yīng)力的作用效應(yīng)5 箱梁橋的空間效應(yīng)偏心荷載作用的等效力系分解5.1 橫向框架效應(yīng)5.2 剪滯效應(yīng)5.3 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)5.4 畸變效應(yīng)6 收縮徐變效應(yīng)6.1 收縮、徐變的現(xiàn)象和機(jī)理6.2 收縮、徐變的預(yù)測模式6.3 考慮收縮、徐變的結(jié)構(gòu)分析6.4 徐變次內(nèi)力的產(chǎn)生條件6.1 收縮、徐變的現(xiàn)象和機(jī)理收縮 自收縮（水化收縮） 干燥收縮 碳化收縮徐變應(yīng)力作用下： “水泥石”粘稠變形 吸附水滲流 微裂結(jié)晶重組徐變系數(shù)收縮、徐變的隨機(jī)性和時效性混凝土多相材料石子、砂、水泥、水、外加劑水化反應(yīng)以后生成不確定性本構(gòu)關(guān)系不穩(wěn)定、收縮、徐變徐變混凝土在應(yīng)力作用方向隨時間變化的變形收縮是獨(dú)立于外力作用的混凝土體積縮小6

12、.2 收縮、徐變的預(yù)測模式收縮徐變預(yù)測模式必須反映混凝土收縮徐變發(fā)展的規(guī)律是進(jìn)行結(jié)構(gòu)時效定量分析的基礎(chǔ)收縮預(yù)測模式收縮應(yīng)變終極值收縮隨時間變化的函數(shù)徐變預(yù)測模式描述整體發(fā)展規(guī)律的徐變模式：CEB-FIP(MC90)、ACI209R-82、AASHTO(2004)、基于粘彈理論的流變模式等 - 連乘模式 基本徐變+干燥徐變：BP模式、B3模式等 - 連加模式 可恢復(fù)+不可恢復(fù)徐變：CEB-FIP (MC78)徐變模式等 - 連加模式 這些模式的形式很復(fù)雜，但其基本目的是： 反映徐變隨時間的基本變化趨勢； 反映影響徐變變形的主要因素。這些模式的形式很復(fù)雜，但其基本目的是： 反映徐變隨時間的基本變化

13、趨勢； 反映影響徐變變形的主要因素。6.3 考慮收縮、徐變的結(jié)構(gòu)分析按齡期調(diào)整有效模量初應(yīng)變、降溫計(jì)算手段6.4 徐變次內(nèi)力的產(chǎn)生條件 徐變變形是混凝土結(jié)構(gòu)在外力作用下的時變特征，但徐變變形要對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次內(nèi)力是有條件的：結(jié)構(gòu)必須發(fā)生體系轉(zhuǎn)換（指約束條件改變），轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)成為超靜定體系；或，超靜定結(jié)構(gòu)的各部分徐變系數(shù)不相同 在靜定結(jié)構(gòu)中，由于沒有冗余約束，故無論結(jié)構(gòu)發(fā)生多大的徐變均不會產(chǎn)生次內(nèi)力； 對于一次澆筑成形的超靜定混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)有外力在結(jié)構(gòu)形成以后作用在其上時，徐變變形雖然會在外力方向與時俱增，但在線性徐變條件下，因徐變變形與外力引起的彈性變形同比例增長，即徐變變形可由彈性變形乘以一個

14、系數(shù)得到，所以，只要彈性變形平衡，相應(yīng)的徐變變形也必然平衡，故不會有次內(nèi)力發(fā)生。7 溫度效應(yīng)7.1 混凝土梁橋的溫度問題7.2 梯度溫度模式7.3 溫度自應(yīng)力7.4 溫度次應(yīng)力7.1 混凝土梁橋的溫度問題熱源施工水化熱運(yùn)營季節(jié)溫差日照驟然降溫 數(shù)值分析 施工措施、工藝預(yù)防 均勻溫差 梯度溫差7.2 梯度溫度模式7.3 溫度自應(yīng)力7.4 溫度次應(yīng)力8 D區(qū)設(shè)計(jì)：以梁端錨固區(qū)為例8.1 錨固區(qū)劃分錨固區(qū)總體區(qū)局部區(qū)錨下混凝土斜向壓應(yīng)力爆裂力剝裂力壓應(yīng)力驗(yàn)算 抗爆裂和抗剝裂 鋼筋的設(shè)置 間接鋼筋的設(shè)置及錨下承壓能力的驗(yàn)算我國規(guī)范未涉及8 D區(qū)設(shè)計(jì)：以梁端錨固區(qū)為例8.1 錨固區(qū)劃分8.2 拉壓桿模型

15、爆裂力大?。罕蚜ψ饔命c(diǎn)位置：軸心受壓情況 拉壓桿模型小偏心錨固 拉壓桿模型大偏心錨固 8.3 STM模型：斜壓桿應(yīng)力驗(yàn)算已有的試驗(yàn)研究表明，局部區(qū)與壓桿（拉壓桿模型中的壓桿）的交接面為危險截面，應(yīng)驗(yàn)算此處混凝土的壓應(yīng)力值。 該截面一般位于局部側(cè)限鋼筋的端部或錨具前方一倍錨具寬度的地方。（1）根據(jù)拉壓桿模型推導(dǎo)壓應(yīng)力公式取12，則Ab承壓板面積（2）考慮壓應(yīng)力在厚度方向的擴(kuò)散lc驗(yàn)算截面到端部的距離（3）多個錨頭情況引入修正系數(shù)K，則8.4 STM模型：爆裂力的驗(yàn)算爆裂力 錨固區(qū)中錨具前方沿力筋軸線橫向作用的拉力，它是錨固集中力的橫向擴(kuò)展造成的。力筋有傾角時的爆裂力公式 需對前述公式進(jìn)行修正：

16、錨具布置預(yù)應(yīng)力的施加順序總體區(qū)設(shè)計(jì)驗(yàn)算：總體區(qū)配筋局部區(qū)設(shè)計(jì)驗(yàn)算：約束箍筋8.5 后張錨固區(qū)的設(shè)計(jì)內(nèi)容從理念到實(shí)踐：需要各方面的參與設(shè) 計(jì)施 工運(yùn)營管養(yǎng)評估、加固工程實(shí)踐耐久性理念（全壽命理念） 結(jié)構(gòu)性裂縫 構(gòu)造 非結(jié)構(gòu)性裂縫 灌漿理 念實(shí) 踐9 耐久性問題高耐久性橋梁的優(yōu)點(diǎn)減少維修與加固，提高經(jīng)濟(jì)性如何提高耐久性適當(dāng)?shù)牟牧虾侠淼臉?gòu)造設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ńY(jié)構(gòu)構(gòu)件易檢測、可維修好的規(guī)范、規(guī)程施工過程中的質(zhì)量控制專業(yè)的施工人員與監(jiān)理人員設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期我國公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D62-2004）采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南（CCES01 -2004

17、）提出：大型橋梁、高速和一級公路上的橋涵的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)不小于100年二級和二級以下公路以及城市一般道路上的橋涵的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)不小于50年。 混凝土橋梁的耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容全壽命設(shè)計(jì)方法全壽命設(shè)計(jì)方法，要求將橋梁設(shè)計(jì)的目標(biāo)與橋梁結(jié)構(gòu)服役過程中的功能退化、耐久性下降、養(yǎng)護(hù)、維修和加固，直至橋梁結(jié)構(gòu)退出工作全過程內(nèi)的所有問題加以綜合考慮?；炷翗蛄旱哪途眯耘c全壽命設(shè)計(jì)理念橋規(guī)給出了結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求：最大水灰比最小水泥用量最低混凝土強(qiáng)度等級最大氯離子含量最大含堿量。根據(jù)環(huán)境使用條件，給出考慮抗凍性和抗?jié)B性的結(jié)構(gòu)混凝土選擇標(biāo)準(zhǔn)。在構(gòu)造規(guī)定中，給出了不同環(huán)境條件下的混凝土保護(hù)層厚度。 指南提出至

18、少應(yīng)包括以下5個方面：耐久性混凝土的技術(shù)要求與耐久性有關(guān)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造與裂縫控制與耐久性有關(guān)的施工質(zhì)量要求結(jié)構(gòu)使用階段的維修與檢測防腐蝕附加措施基于耐久性的設(shè)計(jì)考慮與單純基于荷載的設(shè)計(jì)考慮，不完全相同。比如，對于混凝土材料，在荷載作用設(shè)計(jì)中，主要關(guān)心的是它的強(qiáng)度和彈性模量。而在耐久性設(shè)計(jì)中，則關(guān)注其耐久性指標(biāo)，如抗?jié)B性抗侵蝕性抗凍性耐磨性抗碳化性抗堿集料反應(yīng)的能力提高耐久性的措施 橋梁設(shè)計(jì)、施工人員可以開展的工作： 控制混凝土的裂縫，包括結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫； 為鋼筋提供足夠厚度的混凝土保護(hù)層；隔絕或減輕環(huán)境因素對混凝土、鋼筋的作用。其他方面的工作：耐久混凝土材料提高耐久性的施工工藝提高耐久性的運(yùn)營維護(hù)措施混凝土橋梁的耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容弗羅里達(dá)州后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)新指南預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝橋梁預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝橋梁裝配式混凝土I梁橋平衡懸臂澆筑橋梁支架現(xiàn)澆橋梁后張預(yù)應(yīng)力混凝土下部結(jié)構(gòu)橫向預(yù)應(yīng)力后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的檢測與養(yǎng)護(hù)提高橋梁耐久性的五種措施措施一：多重防護(hù)的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)措施二：灌漿密實(shí)度保證措施三：多重防護(hù)的錨頭措施四：橋梁的密水性保證措施五：多束少根的預(yù)應(yīng)力筋4.2 合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)1 多重防護(hù)的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)2 灌漿密實(shí)度保證3 多重防護(hù)的錨頭4 橋梁的密水性保證10 結(jié)束語10.1 混凝土梁橋的概念設(shè)計(jì)橋梁設(shè)計(jì)沒有唯一解，但可以更合理；清晰的傳力途徑，可靠的平衡機(jī)制；細(xì)節(jié)決定