同济大学高等桥梁结构理论——混凝土箱梁桥实用精细化

混凝土桥梁混凝土桥梁实用精细化分析方法实用精细化分析方法徐栋同济大学桥梁工程系二Ο一二年三月高等桥梁结构理论混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法主要内容桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨桥梁桥梁结构的指标应力结构的指标应力桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨桥梁结构的三种主要空间效应薄壁效应：直箱梁桥、弯箱梁桥问题：超静定剪力流、约束扭转、翘曲的计算各腹板的荷载分布：多腹板宽箱梁桥问题：“影响面在纵横向有相似的图形”不成立剪力滞效应：宽翼缘箱(T)梁桥、钢砼叠合梁桥问题：“有效分布宽度”概念仅适用于简支窄梁（剪应力为竖直方向）混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法7自由度单梁模型特点：针对薄壁效应的单梁模型；是实用经济的精细化模型。折面梁格模型：特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应；当为多腹板宽箱梁桥时，可以简化为平面梁格，可以计算得到各道腹板的荷载分配。空间网格模型：特点：最为全面的实用精细化模型；并与梁系本质的规范配筋设计方法联通。针对桥梁结构空间效应的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨采用7自由度模型计算得到箱梁桥的薄壁效应系数弯箱梁桥内力弯扭耦合可以转化为应力的弯扭耦合；弯箱梁桥外侧腹板重量扭矩补偿后可以解决外部反力问题；“以折代曲”的有限元方法使弯桥在计算模型上没有特殊性，都可以归结为薄壁箱梁问题。对单梁模型表现为正应力放大系数（约束扭转翘曲）和剪应力放大系数（自由扭转+约束扭转）；采用7自由度单梁模型可以计算得到沿桥长的各放大系数的精确值；并可以直接用来进行全断面极限承载力计算。混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨箱梁扭转自由扭转剪应力自由扭转约束扭转约束扭转剪应力约束扭转翘曲正应力弯曲剪应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨-6278.7-493.1-242.6-2403.6-2403.6-493.1-242.6实体模型-6215.9-487.3-238.7-2382.0-2382.0-490.0-235.9空间网格模型-6215.5-422.4-307.8-2378.0-2377.0-422.9-307.47DOF单梁模型-6215.8-421.7-308.2-2378.0-2378.0-421.8-308.16DOF单梁模型外侧内侧外侧内侧求和3号支座2号支座1号支座0号支座图示弯桥单梁与空间网格模型自重作用下的支反力比较混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨活载弯矩放大系数1.151.001.502.00■■■■顶板-λ底板-λ传统弯矩偏载系数活载弯矩放大系数与传统偏载系数比较混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨恒载剪力放大系数与传统偏载系数比较自重剪力放大系数0.811.21.41.6■■■■腹板向上-λ腹板向下-λ混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构一些桥梁结构一些““经典概念经典概念””的探讨的探讨活载剪力放大系数与传统偏载系数比较活载剪力放大系数1.050.001.002.003.004.00■■■■腹板向上-λ腹板向下-λ传统剪力偏载系数现行规范是针对薄腹窄梁的，故相关的指标应力一般仅为三个，截面上缘正应力、截面下缘正应力和腹板主应力。其中，正应力用于轴向力与弯矩的计算；主应力用于剪力和扭矩的计算。这三个指标应力并不能完全反映复杂结构的真实受力情况，其效应实际上仅仅限于承受竖向剪应力的腹板（矩形、采用“有效分布宽度”的T形、工形和箱型）。即大家习以为常的剪应力只是竖向的。桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法要点1——面内受力和面外受力要点2——每块板的三层应力面外（反映局部荷载）面内（反映整体荷载）桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法面外应力面内应力板的三层应力桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法整体效应下的面内应力桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法局部效应下的面外应力桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法复杂的桥梁结构断面可离散成不同材料的“板件”组成一个箱梁截面的空间网格划分桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法每一块“板件”可以由网格代替，从而形成空间网格模型一个箱梁截面的空间网格划分桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法构件受力方向应力特征与传统关注应力比照纵向面外上缘一维应力整体截面上缘应力横向面外上缘一维应力另外进行桥面板局部计算横向面外下缘一维应力另外进行桥面板局部计算箱梁顶板中间层面内二维应力常被遗漏纵向面外下缘一维应力整体截面下缘应力横向面外上缘一维应力横向面外下缘一维应力主要为计算底板钢束的外崩力，简化计算方法仍不完善箱梁底板中间层面内二维应力常被遗漏箱梁腹板中间层面内二维应力腹板主应力空间网格模型的指标应力桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法一维应力产生的裂缝是从截面边缘开始的，并不会贯穿板厚，剪应力照样可以传递；而二维应力产生的裂缝是贯穿板厚的，剪应力无法传递。指标应力的工程意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法现行规范诞生于窄梁，“有效分布宽度”的概念遗漏了翼缘板重要的面内剪应力——也影响了钢砼叠合梁设计计算方法的发展桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法双塔双索面结合梁斜拉桥，主跨为70+140+480+140+70，总长900米指标应力的工程意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁横截面，总宽度39.5m指标应力的工程意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法原断面传统叠合梁完全拆解空间效应的板式构件分离指标应力的工程意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法薄壁圆柱桥墩的受力分析指标应力的工程意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法箱梁截面→“梁”+“薄膜”单元箱梁截面可以分为“梁+薄膜”单元或“全薄膜”单元指标应力的理论意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法箱梁截面→“全薄膜”单元箱梁截面可以分为“梁+薄膜”单元或“全薄膜”单元指标应力的理论意义桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法设计方法与规范的缺失——没有建立针对薄膜的配筋方法？桥梁结构的指标应力桥梁结构的指标应力混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法（每块板的三层指标应力）面外（反映局部荷载）面内（反映整体荷载）桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型——反映指标应力并联系配筋方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型特点实用性：可以直接联系配筋（相比块体单元）精细化：拆解了空间效应（相比单梁模型）块体单元的局限：混淆局部效应和整体效应；无法连接配筋及获得承载力；尚不能完全满足桥梁结构的分析要求（预应力、活载、时间效应等）。混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型采用折面梁格模型计算得到宽箱梁桥各道腹板的横向分布“横向分布”的原型结构混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型采用折面梁格模型计算得到宽箱梁桥各道腹板的横向分布宽桥的常用支座布置混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型0号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法1号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图2号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型采用折面梁格模型计算得到宽箱梁桥各道腹板的横向分布宽箱梁结构中横向分布和剪力滞的关系采用稀疏划分的宽箱梁截面（可能还需要考虑剪力滞效应）采用致密划分的宽箱梁截面（剪力滞效应无需单独考虑）混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型采用折面梁格模型计算得到宽箱梁桥各道腹板的横向分布折面梁格模型和平面梁格模型必须保证型心位置的Hambly平面梁格划分自由的折面梁格划分混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型折面梁格模型和平面梁格模型234567a纵梁编号1阶梯形正应力分布混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型折面梁格模型和平面梁格模型纵梁2纵梁3纵梁4混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型纵1纵2纵3横1横2横4混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法混凝土桥梁实用精细化分析方法桥梁结构的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型剪力滞效应——空间网格模型自动体现出来钢砼叠合梁——钢断面