第2讲-曲线梁桥结构受力特点及构造

1湖南大学土木工程学院桥梁工程系第二讲曲线梁桥结构受力特点与构造教学目的：了解曲线梁桥的基本受力特点与构造。教学任务：（1）曲线梁桥基本受力特点；（2）曲线梁桥结构力学特性影响因素；（3）曲线梁桥结构变形特点；（4）曲线梁桥布置与构造；（5）曲线梁桥支座设计。课后作业：21.1曲线梁桥基本受力特点湖南大学土木工程学院桥梁工程系由于曲线梁桥的“弯扭耦合”作用，曲线梁在承受竖向弯曲的同时，由于曲率的影响（即曲线梁桥重心经常位于两端连线之外，从而产生扭矩），必然产生扭转，而这种扭转又将导致挠曲变形，这种弯曲与扭转的相互作用称为“弯扭耦合”作用。（1）在同样荷载作用下，曲线梁桥的竖向挠度比同等跨径直线桥要大；（2）弯梁桥外边缘挠度大于内边缘挠度，而且曲率半径愈小，则这种影响愈严重；（3）对于多主梁曲线梁桥，外侧主梁所承受的内力比内侧主梁的内力要大，从而导致内外主梁应力产生差别；（4）曲线梁桥的横梁是防止扭转，保持全桥稳定的重要构件，因而与一般的直线桥相比，其刚度要较大；3湖南大学土木工程学院桥梁工程系（5）曲线梁桥的支反力与直线桥相比，有外侧增大，内侧减小的趋势，并有可能产生负反力，在设计中应注意；（6）为了减小曲线梁桥桥墩的内力，在设计中可采用柔性桥墩以允许主梁沿径向和切向变形，从而降低桥墩内力，达到防止桥墩开裂的效果。4（1）圆心角0当圆心角0较小时（30~5.220），由于扭转作用所引起的挠度影响较小，可以作为直线梁桥来处理。另外，F.Leonhard指出，圆心角500时，纵向弯矩可以按0RL的直线梁桥来计算。加拿大规范（OHBDC）将0.12BRL作为判别曲线梁桥是否可以按直线梁桥计算的条件。（2）弯扭刚度比dGIEIkEIdGI在满足竖向变形的前提下，宜尽可能减小值，增大值，以提高弯扭刚度比，从而减小曲线梁桥的弯扭耦合作用效应。2.2曲线梁桥结构力学特性影响因素湖南大学土木工程学院桥梁工程系5B（3）曲线半径的影响曲线梁桥的曲率半径是影响曲线梁桥受力性能的主要因素之一。在曲线梁桥的设计中，曲率半径的选择往往是由桥位地形确定的。（４）桥梁宽度的影响R曲线梁桥的桥宽也是影响曲线梁桥力学特性的主要因素之一，对于曲率半径、跨径一定的曲线梁桥，桥宽越小，则曲线梁桥的力学特点表现的越明显。（５）曲线梁桥支承方式的影响曲线梁桥支承方式是影响曲线梁桥内力分布的主要因素之一，不同的支承形式将改变主梁的内力分布。这一点在曲线梁桥的设计中应该注意。湖南大学土木工程学院桥梁工程系62.3曲线梁桥的变形特点引起曲线梁桥在水平面内产生位移的因素有两大类，且两类位移的方向有很大的差别。（1）由于温度变化和混凝土收缩引起的水平位移这类位移属于弧线膨胀或收缩性质的位移，它只涉及到曲率半径的变化，而圆心角不发生改变。如梁的左端为固定支座，其余为多向活动支座，当降温（或混凝土收缩）时，位于1#、2#、3#支座处的桥面将分别产生沿01,02,03方向的位移，均指向固定支座（0#）。值得注意的是，此时支座均发生了沿径向和切向的位移。湖南大学土木工程学院桥梁工程系7cstrr),1(02sin)(2003rr321曲线梁在温度变化和收缩作用下的变形图设计注意：可见，由于温度变化和混凝土收缩将引起各支点处的弦向位移，故在桥梁活动端将引起和桥轴线垂直的位移分量，它会使伸缩缝的活动在构造上发生困难，并产生一个平面扭矩，使整个桥面产生旋转，应在设计构造上予以重视。湖南大学土木工程学院桥梁工程系8湖南大学土木工程学院桥梁工程系方案一：容许活动端在平面内旋转姚玲森建议：在容许活动端可采用在构造上容许梁端发生切向位移和平面内旋转的变形，但限制其径向位移。计算表明：在容许活动端发生转角位移的情况下，可显著减小垂直轴线方向的约束力，而且端部的转角位移极小（-0.0133~0.0176度），对于橡胶型伸缩缝不会带来困难，是比较经济和合理的方案。（引自《混凝土弯梁桥》邵容光）方案二：设置横向限位装置德国一座曲线梁桥（总跨径525米），由各种不同曲线半径组成，该桥即通过在桥墩上设置横向限位装置迫使该弯梁桥的纵向变形沿着桥轴线变化。值得注意的是：需要验算桥墩横桥方向的抗弯强度。当桥宽较大时，该弯矩会较大，从而导致桥墩受力较大，此时建议改为两幅并列的桥。9（2）由于预加力和混凝土徐变引起的水平位移——与荷载有关的变形这类位移属于切线方向的位移，截面形心处施加预应力时由弹性压缩或徐变变形所引起的水平位移。此时，曲率半径不发生改变，而圆心角却发生改变。连续曲线梁桥在预应力和混凝土徐变作用下的平面内变形321)(),1(0p)(003r湖南大学土木工程学院桥梁工程系102.3曲线梁桥的布置与构造（1）曲线梁桥平、纵、横布置每一座桥梁的设计总会涉及到诸多因素与制约条件，在综合考虑这些因素之后，拟订总体布置方案。桥服从路线要求。主要内容包括：结构体系的选择：弯梁桥、弯拱桥、弯刚构桥、弯斜拉桥等。桥梁分孔：连续弯梁桥的跨度大多是集中在50~60米以下的中等跨径梁高选择：多采用等高度截面梁，当跨度较大时采用变高度截面。主梁截面选择：板结构、T梁、I型梁及箱形截面墩台形式选择：与连续梁差别不大；基础选择：与连续梁差别不大。湖南大学土木工程学院桥梁工程系11（2）曲线梁桥主梁截面形式曲线梁桥的主梁截面形式很多，应根据桥梁的跨径、宽度、建筑高度的要求、支撑形式、施工方法、桥面超高方案和总体布置的情况，合理地选定主梁的横截面形式，以便减轻结构自重、增大跨越能力、节省材料用量、简化施工方法、改善主梁受力性能。板式截面特点：构造简单、施工方便，适合跨度不是很大的桥梁；构造：见右图。湖南大学土木工程学院桥梁工程系12板式梁示例：湖南大学土木工程学院桥梁工程系13肋板式截面为了减轻结构自重，节省材料用量，可以在受拉区捎加挖空，做成肋板式截面，相当于加厚腹板的T梁。特点：截面建筑高度小，有利于桥下净空的增大，有利于弯剪作用较大的曲线梁桥；构造：肋宽2~4米，桥宽为10~15米。示例：美国旧金山机场桥（林同炎设计）桥宽13.2m。湖南大学土木工程学院桥梁工程系14湖南大学土木工程学院风工程试验研究中心、桥梁工程系肋式截面（T形或I形）直线桥：钢筋混凝土简支T形梁标准跨径10、13、16、20米；预应力混凝土简支梁桥标准跨径25、30、35、40米。构造：类似与直线桥的T形、I形梁截面特点：适合跨度不大，建筑高度允许的情况。示例：徐州市史小桥采用13和16米的装配式T形梁，曲线半径为R=260m，设计荷载等级为：汽车—20级，挂车—100。（相当于公路II级）需要说明的是，这类截面属于开口截面，不利于截面的抗扭变形，但当建筑高度允许的时候，且跨度也不太大时，可以考虑采用肋式截面，但要注意各主梁的内力横向分配关系，特别要注意的是内梁的支点负反力出现的可能性。15箱形截面中小跨径的曲线梁桥大多采用箱形截面。特点：截面挖空率大，材料用量少，结构自重小，抗扭刚度大，截面应力分配合理。“扁平箱截面”：适合曲线梁桥。（弯扭刚度比K）进行曲线梁桥的横截面设计时，有关的细部尺寸可参考已有图纸，也可参考如下建议进行拟订。箱梁底板厚度在承受负弯矩时，能够提供足够的抗压承载力；根据负弯矩区段的负弯矩大小可作成变厚度底板；满足底板内钢筋构造的要求；建议跨中取20~25cm；支点处：取为墩顶梁高的1/10~1/12（T构）；湖南大学土木工程学院桥梁工程系16箱梁顶板厚度顶板是箱梁结构的一部分，也是行车道板直接受车辆轮载的结构部分，受力比较复杂。在正弯矩区段满足受压承载能力要求；在负弯矩区段满足钢筋布置要求（包括预应力钢束布置要求）；顶板厚度的设计与腹板间距有关，可参考表1来拟定；对于中小跨径曲线梁桥而言，采用腹板中距为2~3米的多室箱梁是比较经济合理的；但对于大跨度曲线连续刚构桥，多采用单箱单室截面，增大腹板间距，增大顶板厚度的构造形式。同时采用大悬臂构造（Lcan=2~3m），从而使梁梗部的腹板内外侧的顶板所受弯矩比较接近，以利布筋合理，同时增加美观。湖南大学土木工程学院桥梁工程系17腹板间距（m）3.0=4.5=7.5=10.0顶板厚度（cm）17.520.025.030.0表1箱梁顶板厚度随腹板间距的变化关系箱梁腹板厚度箱梁腹板的主要功能是抵抗扭—剪内力，在预应力混凝土梁中，采用弯起预应力钢束可以有效地减小腹板中的竖向剪力。满足抗剪、扭的承载能力要求；满足钢筋布置要求；斜腹板的设计：优点是可以减小底板的宽度，从而减小墩台尺寸，也可减小迎阳光的面积，有利于降低温度应力；缺点是截面的抗扭刚度有所降低，为了适应支点负弯矩区承压的需要，须局部加厚底板尺寸。湖南大学土木工程学院桥梁工程系18梗腋设计梗腋设计十分重要，可提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，主要功能是增加角隅处的联结刚度，减小截面的畸变应力。增大顶板的支点刚度，减小顶板跨中的弯矩；梗腋可使剪力流过渡比较平顺，缓和该处的应力集中；梗腋形式：1：1，1：2，1：3，1：4等几种梗腋形式湖南大学土木工程学院桥梁工程系19（3）曲线梁桥桥墩形式曲线梁桥的桥台与直线桥并无多大差别，主要区别在桥墩。当桥梁上部结构采用箱形截面时，可选用如下图所示的桥墩形式。曲线梁桥桥墩形式湖南大学土木工程学院桥梁工程系20独柱墩当曲线连续梁桥的曲率半径比较小，宜采用这种形式，它有利于立交桥的桥墩布置，占地范围小；建在河中，其阻水面积小，并且有利于整个桥型的美观。Y型墩适合桥宽较大，且桥下有行车要求的情况；造型比较美观；双柱墩适合桥宽比较大，这样布置可以满足桥下行车要求的情况；受力简单；湖南大学土木工程学院桥梁工程系212.5曲线梁桥支座布置曲线梁桥的支座布置是一个比较复杂的问题，支座布置是否合理，不但会影响结构的受力，而且会影响车辆的正常行驶，其核心是如何通过支座布置来有效承受由自重和活载偏载等因素所产生的组合扭矩作用。我国近年来一些城市所设计的连续弯梁桥中，常因支座的布置不当而出现故障。桥台支座不具备抗扭能力，致使运营过程中出现内侧支座脱空，端部向外侧偏移，而内侧则超上其翘，伸缩缝装置破坏，被迫中断交通；中间桥墩均布置单点活动支座，且不具备限制桥面径向位移的功能，在升温作用下，桥梁向径向起拱，桥面中轴线向外弧侧偏移，从而加大了恒载产生的扭矩，最后使整个桥面向外弧册产生不同程度的倾斜；桥墩刚度设计不合理。湖南大学土木工程学院桥梁工程系22支座布置建议：桥台处设置具有切向位移功能的抗扭支座；中间桥墩设置一固定的抗扭支座，见下图；将中间一桥墩设计成墩梁固结形式，其余设计为点铰支承；为了达到人为调整扭矩分布的目的，分别给中间各点铰支承以一定的预偏心；当上部结构太宽时，由于温度作用会使主梁梁端产生水平面的内力，因此当上部结构太宽时，可设计成分离而并列的两座窄桥。湖南大学土木工程学院桥梁工程系23独柱支承曲线连续梁桥偏心距设计1．工程简介为了研究独柱支承曲线梁桥中支点合理偏心距的设置问题，设计了一座五跨预应力混凝土独柱支承曲线连续梁桥，其跨径布置为：m1503030303030，平面布置见图1，中间三个支承为独柱式点支承，两端支座为抗扭正交线性支承，端部两抗扭支座之间的中心距为ma0.3。假定该曲线连续梁桥以三种不同曲率半径布置，曲率半径分别为mR100、mR50、mR30。主梁为预应力混凝土箱梁，混凝土弹性模量为PaEh101045.3，混凝土泊松比为20.0，混凝土容重取为31/25mkN，其标准断面见图2，相应的几何参数见表1。设桥面铺装为cm8厚的沥青混凝土，沥青混凝土容重取为32/21mkN。主梁每侧防撞护栏荷载集度为mkNm/75.92。湖南大学土木工程学院桥梁工程系24图1连续曲线梁桥平面布置图（单位：m）图2连续曲线梁桥标准断面（单位：cm）湖南大学土木工程学院桥梁工程系252．曲线连续