第1讲-曲线梁桥简介

1混凝土桥梁（2）湖南大学土木工程学院桥梁工程系二O一四年四月第二部分：曲线梁桥、斜梁桥及刚架桥湖南大学土木工程学院桥梁工程专业核心课程讲义《混凝土桥梁（2）》主讲：刘志文E-mail：[e-mail]手机：139758807152第一讲曲线梁桥定义、分类及应用现状（4.11，单周）第二讲曲线梁桥结构受力特点与构造（4.14，双周）第三讲曲线梁桥结构力学分析方法（4.21，4.24讨论，单周）第四讲曲线梁桥结构有限元分析方法——单梁法（4.25，单周）第五讲曲线梁桥结构有限元分析方法——梁格法（4.28，双周）第六讲曲线梁桥的预应力配筋与构造（5.5，5.8讨论，单周）第七讲斜梁桥简介（5.9，单周）第八讲斜拉桥近似计算简介（5.12，双周）第九讲刚架桥简介（5.19，5.22讨论，单周）混凝土桥梁（2）第二部分课程内容目录3上课纪律要求1.按时上课，认真听讲，不迟到；2.自己认真、按时完成作业，不抄袭；3.计划随机抽查五次，有三次无故不到者平时成绩记为零分。4推荐参考书及期刊杂志1.邵旭东桥梁工程（第二版），人民交通出版社，20072.HiroshiNakai,ChaiHongYoo.AnalysisanddesignofCurvedSteelBridges,19883.刘效尧赵立成公路桥涵设计手册——梁桥，人民交通出版社，20004.姚玲森，曲线梁，人民交通出版社，19895.邵容光混凝土弯梁桥，人民交通出版社，19916.《世界桥梁》（国外桥梁）7.《桥梁建设》8.JournalofBridgeEngineering9.中国土木工程学会桥梁及结构工程分会全国桥梁学术会议论文集（历届)，该会议每两年举办一次。5第一讲曲线梁桥定义、分类及应用现状1.教学目的了解曲线梁桥的基本概念、分类、发展历史及应用现状。2.教学任务（1）曲线梁桥简介；（2）曲线梁桥发展历史及应用现状；（3）曲线梁桥设计现状；（4）曲线梁桥研究现状；（5）曲线梁桥典型事故分析。3.课后作业查阅资料，了解一下国内外曲线梁桥工程事故，试分析其发生原因。6曲线桥是指主梁轴线在水平面上投影为曲线的桥梁，称为曲线桥，又称弯梁桥（Horizontalcurvedbridge）。曲线梁桥的采用不仅可使道路布置更趋科学、合理；而且能够与周围的环境协调一致，给人以美的享受。在桥梁工程中主要应用如立交桥、曲线刚构、斜拉桥等。图1立交工程中大量应用的曲线梁桥图2曲线斜拉桥一、曲线梁桥简介71.1曲线梁桥平面形状一、曲线梁桥简介实际曲线梁桥平面形状非常多，基本形式有如下三种：a）平面扇形（正桥，轴线与支承线正交）;b）斜交曲线桥（受力复杂）;c）斜交曲线桥（受力复杂）;图3曲线梁桥平面基本形状8实际曲线梁桥一般由图1所示的三种基本形状组合而成，如下图所示。图4实际曲线梁桥平面形状一、曲线梁桥简介91.2曲线梁桥主梁截面形式一、曲线梁桥简介曲线T（或I）形梁：抗扭刚度小！曲线梁板格子梁：梁自身抗扭刚度小，但横梁与T梁形成梁格体系，整体抗扭刚度较大。曲线箱梁桥：闭口截面，抗扭刚度大！nidbtI13tdsAId2024小跨度曲线梁桥。小跨度曲线梁桥。跨度较大的曲线梁桥。图5曲线箱梁桥10(c)(b)(a)混凝土箱梁截面钢-混凝土组合箱梁截面钢箱梁截面混凝土箱梁截面钢-混凝土组合箱梁截面钢箱梁截面混凝土箱梁截面钢-混凝土组合箱梁截面钢箱梁截面ConcretedeckSteel-concretedeckSteeldeck一、曲线梁桥简介由于曲线梁桥的特殊受力特点，一般跨度较大的曲线梁桥采用箱型断面。工程实践中经常采用的箱型断面类型如下图所示。图6曲线梁桥常用箱梁断面图11图7曲线I型梁照片12图8单箱曲线梁桥照片131.3曲线梁桥结构体系1）简支曲线梁桥受力简单，计算较为简单，施工方便！主梁端部存在较大的扭矩，梁端支座易产生负反力（即上拔力），支座易疲劳！2）连续曲线梁桥受力较为复杂，需借助有限元方法进行分析，施工较方便。受力较为合理，可通过调整支座预偏心来调整主梁扭矩分布，从而改善其受力。需要关注梁体的变形和支座脱空问题，设计合适的支座布置方式十分重要。3）曲线连续刚构、曲线斜拉桥14acurved,two-lanehighwaybridgewithsimplysupported,composite,plate-girderstringerswillbedesigned.AsindicatedintheframingplaninFig.12.25a,thestringersareconcentricandthesupportsanddiaphragmsareplacedradially.OutergirderG1spans90ftandhasaradiusofcurvatureR1of300ft.Spacingofdiaphragmsalongthisspanisd1=15ft.DistancebetweeninnerandoutergridsG1andG3isD=22ftctoc,andG2ismidwaybetweenthem.ThetypicalcrosssectioninFig.12.25bshowsa22-ft-wideroadwayflankedbytwo3-ft3-in-widesafetywalks.15Thearticulationofcurvedbridgedecksneedstobeconsideredcarefullytoavoidproblemswithunwantedtransversedisplacementswhilstminimizingtransverseforcesduetorestraint.GuidanceontheoptionsavailableisgiveninSCIP393andinGuidanceNote1.04.连续曲线梁桥合理支座布置方式图9曲线连续梁桥支座合理布置方案16二、曲线梁桥的发展历史及应用现状2.1曲线梁桥的发展原因从二十世纪六十年代开始，曲线梁桥得到了快速的发展，其主要原因如下：（1）公路线形的要求图10立交工程示意图从“桥梁决定路线”向“路线决定桥梁”的转变。随着城市规模和高速公路的发展，城市快速干道与平面街道立体交叉（立交程）越来越多；城市交通量大的平面路口建设立交工程。在公路的线形设计中，一般要优先考虑交通工方面的问题来决定路线形状（出于行车性能考虑）。17（2）节约空间、造型美观曲线梁桥可以节约建筑空间，且线形优美，与传统“以直代曲”（注：早期曲线梁桥是采用这种方法实现桥梁的转向，受力本质上为直线桥。）的桥梁相比，具有造价低、环境友好等优点。（3）有限元分析方法的出现曲线梁由于有“弯扭耦合”的受力特点，故在荷载作用下曲线梁的结构分析要比直线桥复杂的多。在有限元分析方法出现之前，桥梁工程师在进行曲线梁桥结构设计时无法对曲线梁桥结构进行准确分析。二、曲线梁桥的发展历史及应用现状182.2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。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。这些桥梁的特点简述如下：（1）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。二、曲线梁桥的发展历史及应用现状19三、曲线梁桥设计现状（设计规范介绍）曲线梁桥由于存在“弯扭耦合”特点，使得其力学特点与直线桥梁存在本质的差别，使得曲线梁桥的设计具有一定的复杂性。目前尽管工程实践中已建设了许多曲线梁桥，但世界各国对曲线梁桥的设计规范制定工作明显晚于直线桥。现就各国规范关于曲线梁桥设计的规范进行简要综述。3.1美国曲线梁桥设计规范1980年，第一次在AASHTO设计规范中对曲线梁桥的设计进行了专门规定，《AASHTO曲线公路桥梁设计指南》（AASHTOAASHTO’sGuideSpecificationsforHorizontallyCurvedSteelGirderHighwayBridges），后分别于1986、1993、2003年进行了修订。20美国2003版AASHTO曲线梁设计规范简介2003版AASHTO规范“AASHTOGuideSpecificationforHorizontallyCurvedSteelGirderHighwayBridges2003”分为设计篇、施工篇、钢工字梁设计示例及附件构成。设计篇：设计极限状态、荷载（恒载、施工荷载、风荷载、活载、热荷载）、结构分析、腹板、剪力连接键、支座、I字型梁、闭口箱梁、横撑、变形、可施工性；施工篇：概述、安装、交通计划、钢结构施工、桥面板；钢工字梁设计示例：目标、设计参数、钢结构及施工设计、钢结构施工图设计等，具体内容参见文献[3]。三、曲线梁桥设计现状213.2日本曲线梁桥设计规定JapaneseSpecificationforHighwayBridges(日本公路桥梁设计规范)中关于曲线梁未做明确规定。而在HanshinExpressPublicCorporatation.（1）曲线半径确定原则之一——超高设计原则三、曲线梁桥设计现状22三、曲线梁桥设计现状23（2）曲线半径确定原则之二——行车视觉净空24（2）曲线梁桥类型选择另外，从支座反力设计、荷载计算等角度对曲线梁桥的设计进行较为详细的规定。三、曲线梁桥设计现状25为了考虑桥梁宽度对曲线梁桥结构受力性能的影响，加拿大安大略省公路桥梁设计规范（简称OHBDC）中采用0.1/2bRL作为判别是否可以按直线梁桥计算的条件，其中L为桥梁轴线弧长，b为桥梁半宽，R为曲线梁半径。当0.1/2bRL时，可按直线桥计算其结构内力和变形；当0.1/2bRL时，则必须按曲线梁桥来进行计算与分析。另外，加拿大安大略省公路桥梁设计规范（简称OHBDC）还规定，如果曲线梁曲线半径mR90时，对于纵向弯矩的计算可近似按直线桥来考虑，但对于桥梁纵向扭矩则仍需要按曲线梁理论来分析。加拿大三、曲线梁桥设计现状26一、立项依据3.3中国曲线梁桥设计规定我国目前在《公路桥涵设计通用规范》与《钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中对曲线梁桥的设计均未作明确的规定。综合以上各国关于曲线梁桥的设计的规定可以看出：1）由于曲线梁桥结构存在“弯扭耦合”效应，各国规范对曲线梁桥在何种参数条件下可以按直线桥进行设计做了相应的规定，尽管不同国家规范的具体参数存在一定的差异；2）美国AASHTO规范和FHWA规范主要针对钢曲线梁桥进行了较为系统的规定，对混凝土曲线梁桥设计较少；3）我国公路桥梁设计规范关于曲线梁桥设计的规定近乎空白。三、曲线梁桥设计现状27从1843年圣•维南（BarrédeSaintVenant）第一次提出曲线梁分析方法以来，关于曲线梁的研究一直受到关注，并已有大量的研究文献。1914年第一座曲线梁在德国诞生，是一座钢桁架铁路桥。从20世纪30年代，人们就已经开始对曲线梁桥的有关问题进行了理论分析和研究。美国对曲线梁桥进行设计和分析研究则开始于1969年，美国联邦公路局(FHWA)组织美国多所高校对曲线梁桥进行系统研究。美国土木工程协会（ASCE）和美国公路运输者协会（AASHTO）将关于曲线梁桥1976年以前的研究成果写入规范，第一次对曲线工字梁的设计进行了规范层面的规定。四、曲线梁桥研究现状28早期曲线梁桥的研究集中在曲线梁桥的基本力学特点、曲线梁桥的荷载横向分配等问题的研究，通过多年的研究已经积累了一定的研究成果。目前关于曲线梁桥的研究主要集中在如下三个方面：理论研究及近似分析方法、数