桥梁工程研究生课程(曲线梁桥-斜梁桥20061118)

桥梁工程研究生课程《高等桥梁结构理论》讲义曲线梁桥、斜梁桥结构理论分析与设计刘志文编写湖南大学土木工程学院桥梁系湖南大学风工程试验研究中心湖南长沙二OO六年十一月2曲线梁桥、斜梁桥结构理论分析与设计——知识点简介1．曲线梁桥应用情况、设计、分析及规范现状（2个学时）2．曲线梁桥基本力学特点和微分方程建立（2个学时）3．薄壁杆件扭转理论：自由扭转+约束扭转（4个学时）4．曲线梁桥结构力学分析方法（自学）5．曲线梁桥内力横向分配理论（自学）6.曲线梁桥空间分析梁格法（2个学时）7．预应力混凝土曲线梁桥设计理论（2个学时）8．斜梁桥结构特点及现状介绍（2个学时）9．斜梁桥结构分析与设计（2个学时）共16个学时。思考题：(一)曲线桥与直线桥的比较与分析研究；(二)应用ANSYS对典型薄壁断面进行几何特性计算；(三)采用梁格法对一单箱双室箱形曲线连续梁桥进行有限元分析（给出详细的分析报告）；(四)如何建立有限元模型（梁单元）来计算超静定简支斜梁？大作业：请结合本课程所学知识，列出曲线梁桥结构设计中你认为需要进一步进行研究的课题，并选择其中的一个课题进行简要的文献综述，并给出研究思路和技术路线。（字数不少于3000字）。3第一章曲线梁桥应用情况、设计、分析及规范现状§1-1概述随着高速公路的建设和城市道路的进一步发展，道路网中立交桥日益增多。为了使桥梁设计满足路线平面布置的需要及增添城市景观，一般需要采用曲线桥，并且主要采用曲线梁桥的型式。城市立交中曲线梁桥结构也得到了广泛的应用，尤其在立交的匝道设计中应用最广。由于受地形、地物和占地面积的影响，匝道的设计往往受到多种因素限制。这就决定了匝道桥具有以下特点：首先匝道有别于主干道，所以匝道桥的宽度比较窄，一般匝道多为一或两车道。宽度在6～11m左右。第二，由于匝道用来实现道路的转向功能，在城市中立交往往受到占地面积的限制，所以匝道桥多为小半径的曲线梁桥，平曲线最小半径可在30m左右，曲线匝道桥上多设置较大超高值。第三，在大型立交中匝道的规模有时也在增大，匝道桥往往设置较大纵坡，匝道不仅跨越下面的非机动车道，有时还需跨越主干道，这就增大了匝道桥的长度。曲线梁桥由于结构自身存在着与直线桥最本质的区别——弯扭耦合问题，因此其设计、施工及研究的难度比直线桥大得多，目前规范中关于曲线梁桥涉及的也比较少。虽然在设计实践中积累了大量的宝贵经验，但由于曲线梁桥设计理论和规范的不完善，导致在曲线梁桥的建设和运营中出现了一些问题，如曲线梁桥的平面变形问题、主梁腹板开裂问题以及支座脱空等问题还没有很好地解决。图1-1典型立交图片4图1-2典型立交图片图1-3典型立交图片§1-2曲线梁桥的发展历史1.2.1曲线梁桥的发展原因1）国家经济的发展和社会进步是推动交通建设事业快速发展的原动力；2）高等级公路的发展和城市交通立体化建设对曲线梁桥的发展提供了机遇与需求；3）预应力技术的出现为修建大量预应力混凝土曲线梁桥提供了基础；4）结构分析能力的整体提高为曲线梁桥结构大量应用提供了技术支持；5）曲线梁桥结构造型优美，给人以线条优美、流畅的感觉，特别适合城市立交和山区傍山公路桥梁；6）1979年，美国马里兰大学的C.P.Heins教授来华讲学，介绍了曲线梁桥的设计理论,引起了国内桥梁工程界的重视，为曲线梁桥在国内发展奠定了一定的基础。1.2.2曲线梁桥的发展历史及特点20世纪30年代，人们已对曲线梁桥的有关问题进行了理论分析和研究[1]。这一阶段的研究集中在试验研究和理论分析方面，侧重研究曲线梁桥的荷载横向分配、曲线梁桥支反力分布以及曲线梁桥结构分析实用方法方面。20世纪70~80年代，国内外修建了大量的曲线梁桥。积累了一定曲线梁桥的设计和施工经验，且这个阶段修建的曲线梁桥大部分是钢筋混凝土结构。这些桥梁的特点简述如下：51）大多数采用箱形截面；2）结构体系较多采用连续曲线梁体系；3）跨径一般在50~60米左右；4）曲率半径最小为30~40米；5）曲线梁桥结构建筑高度一般较小；6）桥宽一般为2~4个车道；7）曲线梁桥的施工方法多为现场满堂支架施工，另外有一部分采用顶推和悬臂施工方法。§1-3曲线梁桥的分类曲线梁桥的分类根据其分类的标准的不同而不同，主要的分类标准有：平面形状、曲线形状、材料、横截面形式、结构体系和施工方法等。1.3.1曲线梁桥按平面形状分类曲线梁桥根据其平面形状的不同可以分为正交曲线梁桥（或扇形曲线梁桥）和斜交曲线梁桥。正交曲线梁桥是指在支承处桥梁轴线与支承线正交，如图1-1a）所示；斜交曲线梁桥是指在支承线处桥梁轴线与支承线斜交，如图1-1b）所示。a）正交曲线梁桥b）斜交曲线梁桥图1-1曲线梁桥按平面形状分类1.3.2曲线梁桥按曲线形状分类曲线梁桥根据曲线形状的不同可以分为圆曲线曲线桥、缓和曲线曲线桥、圆曲线与缓和曲线的组合曲线桥，缓和曲线是一种曲率随着曲线长度成比例变化的曲线，其表达式为：2ARL6式中：R——某点的曲线半径；L——缓和曲线原点到某点的曲线长；2A——缓和曲线的参数。1.3.3曲线梁桥按材料种类分类曲线梁桥根据其主梁材料的不同可以分为钢筋混凝土曲线梁、钢曲线梁桥、组合曲线梁桥和预应力混凝土曲线梁桥。1.3.4曲线梁桥按横截面形式分类曲线梁桥根据其横截面的形状不同可以分为板式曲线梁桥、工字型曲线梁桥及T型梁曲线梁桥、箱形曲线梁桥，分别如图1-3a)、b)、c)所示，由于箱型截面具有很好的抗扭性能，因此在曲线梁桥的设计中多采用箱型截面，如图1-4所示。a）板式曲线梁桥b）工字型曲线梁桥c）T型曲线梁桥图1-3曲线梁桥按其横截面形式(c)(b)混凝土箱梁截面混凝土箱梁截面(a)混凝土箱梁截面钢-混凝土组合箱梁截面钢-混凝土组合箱梁截面钢-混凝土组合箱梁截面钢箱梁截面钢箱梁截面钢箱梁截面图1-4曲线梁桥箱型截面形式71.3.5曲线梁桥按结构体系分类曲线梁桥根据其结构体系的不同可以分为简支曲线梁桥（静定简支曲线梁桥、超静定简支曲线梁）、连续曲线梁桥。1.3.6曲线梁桥按施工方法分类曲线梁桥根据其施工方法的不同可以分为满堂支架现浇、现场预制拼装和顶推施工。§1-4曲线梁桥在实际设计中按直线桥处理的简化原则德国F.莱昂哈特指出，当500时，截面的纵向弯矩可足够精确得取跨径为0rL的直线梁进行计算；加拿大安大略省公路桥梁设计规范（简称OHBDC）中规定，采用0.12bRL作为判别是否可以按直线梁桥计算的条件，式中L为桥梁轴线弧长，R为曲线梁的半径，b为桥梁半宽；加拿大安大略省公路桥梁设计规范（简称OHBDC）中规定，如果曲线梁桥的半径mR90，对于纵向弯矩可近似按直线梁桥处理，但纵向扭矩仍应按曲线梁理论来计算。§1-5曲线梁桥设计中的特殊问题尽管曲线梁桥在设计理论和实践中有了很大的进展，并在过去的几十年中成功修建了许多曲线梁桥。但迄今为止，针对曲线梁桥的设计规范还不完整，只有为数不多的国家规范对曲线梁桥的设计进行了部分规定，而国内的桥梁设计规范在这方面几乎是空白。同时，在曲线梁桥的设计、实践中也存在诸多特殊问题，有待于继续深入研究。1.5.1曲线梁桥的预应力损失问题关于直线梁桥的预应力损失问题研究的比较多，目前也有相关的规范；而关于曲线梁桥的预应力损失究竟如何计算，还没有一个明确的结论，只有零星的几篇文献针对这一问题进行过研究。关于这一问题仍需要进行大量的现场实测，来确定曲线梁桥预应力损失计算的摩阻系数和孔道偏差系数。本文作者曾经对一座立交的几座匝道桥进行过预应力损失的实测研究，研究发现曲线梁桥的预应力损失较直线桥大得多，其相应的摩阻系数及孔道偏差系数与直线桥的存在较大的差别。详细的研究可参考以下文献。8910111.5.2曲线梁桥的主梁腹板、桥墩开裂开裂问题1.5.3曲线梁桥的整体扭转、向外偏转或向内偏转问题1.5.4曲线梁桥在张拉预应力钢束时主梁整体变形问题1.5.5曲线梁桥的中间桥墩偏心距设置问题单跨简支曲梁结构单跨简支曲梁分为单跨静定曲梁（图1-8）和单跨超静定曲梁（图1-9）。对于两端设抗扭支承的超静定曲梁，支承的偏心只能改变支承处各支座的反力分布而绝不能改变主梁的扭矩分布。（从结构力学的角度，支承偏心没有对主梁梁体施加任何扭矩荷载，故不能改变主梁的扭矩分布）。另外，对于一般的公路曲线梁桥，偏心距小于2m时，支座偏心距对预加应力和活载引起的扭矩影响不大。连续超静定曲梁结构对于多跨连续曲线梁桥，支座的布置一般有如下三种情况：（A）两端均设抗扭支座，中间跨设铰支座；（B）跨数较多时，两端设抗扭支座，中间也设置一抗扭支座，其余均为中心铰支座；（C）两端设置抗扭支座，中间跨设置向外侧偏心的铰支座。曲线梁桥支座布置的第三种形式不仅造型美观，而且在受力性能上也比前两种支座布置方式有更大的优越性——可以调整曲线梁内部的扭矩分布。事实上，偏心点铰支承可以看成中心支承曲线梁内力与中心支承曲线梁上作用集中扭矩两部分内力的叠加。支承偏心只能调小曲线梁的扭矩，但绝对不能消除扭矩。本文作者针对这一影响进行了专门的研究，详细研究内容请参考文献12。1.5.6曲线梁桥冲击系数如何确定直线梁桥在考虑汽车动力效应时采用冲击系数来描述，在桥梁设计规范中对冲击系数的确定进行了规定，且规定直线桥梁的冲击系数仅与桥梁跨度有关。对于曲线梁桥，则由于受力复杂性，其冲击系数如何确定在《钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JDG061-2004）没有规定。追述曲线梁桥冲击系数的研究可以发现，Schelling(1992)采用有限元方法，针对不同跨径，研究了多室钢箱曲线梁桥的动力响应，他们的研究成果被1993年版的AASHTO（1993）所采用。文献[8]在这方面进行了详细的研究，针对简支曲线梁（单箱、多箱）组合梁桥，12研究结论如下：1）曲线梁桥的跨中弯矩冲击系数：RLIM/03.022.02）曲线梁桥的变形冲击系数：15.0DI3）曲线梁桥的反力冲击系数：RLIR/18.068.0以上近似公式适用的条件：4.1/4.0RL，并且只适用于简支曲线梁桥。对于连续曲线梁桥的冲击系数，Huang(2001)针对不同曲率的连续曲线梁桥（单室箱形截面）进行了冲击系数研究，结果如图9所示。从中可以看出，冲击系数随L/R变化趋势不受桥梁的“连续性”影响。图9~11中也给出了L/R=0的情况（直线梁桥）的冲击系数，从中可以看出，对于（单室、多室箱梁）直线梁桥，可以建议取如下13的冲击系数：15.0MI、15.0DI和60.0RI。尽管Huang(2001)关于曲线连续梁桥的冲击系数进行了一些研究，但关于连续曲线梁的冲击系数的研究还有待于进一步深入。除了系统介绍曲线梁桥的相关理论与设计方法之外，本讲义将针对曲线梁桥设计中存在的七个关键问题进行详细的讨论，以供广大桥梁工程师在曲线梁桥的设计中参考。参考文献1．高岛春生(著),张德礼(译)曲线梁桥中国建筑工业出版社北京19802．邵容光夏淦,混凝土弯梁桥人民交通出版社北京19983．孙广华曲线梁桥计算人民交通出版社北京19984．KhaledM.Sennah,JohnB.Kennedy.State-of-the-artindesignofcurvedbox-girderbridges,JournalofBridgeEngineeringMay/June2001159~1715．A.Zureick,R.NaqibHorizontallycurvedsteelI-girdersstate-of-the-artanalysismethods,JournalofBridgeEngineeringFebruary199938~476．D.Linzell,R.T.Leon,A.H.ZureickExperimentalandanalyticalstudiesofahorizontallycurvedsteelI-girderbridgeduringerection,JournalofBridgeEngineeringNoverber/December2004