混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计

混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计徐栋同济大学桥梁工程系2015年8月混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计主要内容提出的原因和解决的问题桥梁结构的完整验算应力现行设计计算方法存在的问题如何得到桥梁结构的完整验算应力——实用精细化分析模型大跨径预应力混凝土箱梁桥开裂下挠病害原因与防治混凝土构件剪切配筋新方法——精细化配筋设计实际工程中出现的问题——整体受力裂缝（规范中包含的验算项）提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计实际工程中出现的问题——局部受力裂缝（规范没有对底板的验算要求，但设计采用简化计算）提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计实际工程中出现的问题——规范中缺失的验算项提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计腹板斜裂缝提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计腹板斜裂缝混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计提出的原因和解决的问题腹板斜裂缝是出现最多的梁体裂缝，其特征为：裂缝与梁轴线一般呈25°～50°箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重8’9’10’5’6’7’4’62#墩123456789101112133’2’1’13’12’11’63#墩33'箱内-下游腹板箱外-下游腹板提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计变截面预应力混凝土梁式桥底板纵向裂缝提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计提出的原因和解决的问题混凝土桥梁的结构开裂情况及其原因分析提出的原因和解决的问题根本原因：现行规范诞生于仅考虑竖向剪应力的窄梁，“有效分布宽度”的概念遗漏了翼缘板中的面内剪应力。混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计解决问题的方法：增加对混凝土各板件的应力验算要求。工程实用价值：使混凝土箱梁桥开裂下挠之“开裂”的问题有更完整的审查。增加验算项对计算分析提出更精细的要求。提出的原因和解决的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计要点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）桥梁结构的完整验算应力——两个要点混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计面外应力面内应力板的三层应力桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计整体效应下的面内应力桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计局部效应下的面外应力桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计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箱梁桥的完整验算应力桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁的结构开裂情况及其原因分析完整验算应力单箱单室截面9个重要的验算应力桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计σcy,pv、σcy,ph、σcy,t、σcy,l——由竖向预应力钢筋的预加力、横向预应力钢筋的预加力、箱室内外温差和汽车荷载产生的混凝土竖向应力2tpcxcycxcy2cp22cycy,pvcy,phcy,tcy,=lpepvcy,pvp=0.6nAbspepbpns00nsin=ASVSbIbI预应力混凝土受弯构件由作用频遇组合和预加力产生的混凝土主拉应力σtp和主压应力σcp，应按下列公式计算：桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计完整验算应力的意义能够解释上面提到的所有结构开裂现象桥梁结构的完整验算应力完整验算应力的意义桥梁加固的首要工作局部效应验算整体效应验算桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计完整验算应力的意义完整验算应力理念可拓展至组合桥梁的混凝土桥面板混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的完整验算应力桥面板简化模型空间网格模型完整验算应力的意义完整验算应力理念可拓展至组合桥梁的混凝土桥面板桥梁结构的完整验算应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计现行设计计算方法存在的问题桥梁结构的三种主要空间效应薄壁效应：直箱梁桥、弯箱梁桥现行方法：采用放大系数估算各腹板的荷载分布：多腹板宽箱梁桥问题：“横向分布系数”在箱梁结构中的适用性？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”仅适用于某种特定结构状态（常采用成桥结构）、适用于窄梁（剪应力为竖直方向）。混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计箱梁薄壁效应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现行设计计算方法存在的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计采用混凝土桥梁实用精细化模型的原因第1步：“大包小”第2步：有效分布宽度宽箱梁到简单工字型梁的过程单梁模型对于宽箱梁计算的局限性第3步：配筋采用截面法；截面配筋用的极限值即是结构计算的弹性值乘以各分项系数采用混凝土桥梁实用精细化模型的原因单梁模型对于宽箱梁横向分布计算的局限性横向分布系数计算方法的局限简支条件所有腹板下均有支座——纵横向图形相似混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计剪力滞效应采用同一个工字型截面现行设计计算方法存在的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计剪力滞效应40米简支梁各划分梁的正应力分布现行设计计算方法存在的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计剪力滞效应10米简支梁各划分梁的正应力分布现行设计计算方法存在的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计剪力滞效应40米梁轴力作用于1#梁时，各划分梁的正应力分布-1.60E+04-1.40E+04-1.20E+04-1.00E+04-8.00E+03-6.00E+03-4.00E+03-2.00E+030.00E+002.00E+0305101520253035401#梁2#梁3#梁4#梁5#梁6#梁全断面现行设计计算方法存在的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计剪力滞效应-1.40E+04-1.20E+04-1.00E+04-8.00E+03-6.00E+03-4.00E+03-2.00E+030.00E+002.00E+030123456789101#梁2#梁3#梁4#梁5#梁6#梁全断面10米梁轴力作用于1#梁时，各划分梁的正应力分布现行设计计算方法存在的问题混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计空间网格模型：特点：最为全面的实用精细化模型。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，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。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。针对桥梁结构空间效应的实用精细化分析模型桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计一个箱梁截面的空间网格划分桥梁结构的实用精细化分析模型空间网格模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计反映剪力滞效应的截面正应力桥梁结构的实用精细化分析模型空间网格模型的构成及应力表达方式空间网格模型由6自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算结果采用“阶梯”型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计阶梯型表达的弯曲剪应力桥梁结构的实用精细化分析模型空间网格模型的构成及应力表达方式空间网格模型由6自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算结果采用“阶梯”型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计自由扭转剪应力约束扭转剪应力桥梁结构的实用精细化分析模型空间网格模型的构成及应力表达方式约束扭转翘曲正应力混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的实用精细化分析模型空间网格模型与完整验算应力是一一对应关系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混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计立面横截面桥梁结构的实用精细化分析模型空间网格模型与厚板单元模型计算结果的比较混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计结构划分截面划分空间网格模型桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计比较模型——ANSYS厚板单元模型桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计自重作用下的位移:a)跨中;b)四分点反对称集中荷载作用下位移:a)跨中;b)四分点桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计纵向正应力:a)跨中;b)四分点桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计箱梁顶板的剪力滞系数:a)跨中;b)四分点shearlagcoefficient0.910.920.930.940.950.960.970.980.991.001.011.021.031.04SpatialGridModelShellFEElementarybeamtheory系列5系列6系列7系列8a)shearlagcoefficient0.900.910.920.930.940.950.960.970.980.991.001.011.021.031.04SpatialGridModelShellFEElementarybeamtheory系列5系列6系列7系列8b)桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计反对称集中荷载作用下的翘曲正应力:a)跨中;b)四分点四分点横向弯曲应力:a)顶板;b)底板桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计四分点剪应力分布:a)自重作用;b)反对称集中荷载作用桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计应用之钢—混凝土叠合梁桥全桥空间网格模型截取一个节段截面划分桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计空间网格模型的意义梁单元的输出结果易于工程师理解并可以直接应用于预应力混凝土的设计。虽然一些有限元模型在某些方面更加精细,但与配筋建立直接联系尚存较大困难，影响了其“有效性”。空间网格模型中单元的材料不一定是混凝土，也可以是钢或其他材料，也就是说，该模型可以应用到组合结构并为复杂截面提供完整验算应力。桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计桥梁结构的实用精细化分析模型折面梁格模型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和配筋设计桥梁结构的实用精细化分析模型折面梁格模型的划分示意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和配筋设计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桥梁结构的实用精细化分析模型混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计0号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图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混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计0号腹板弯矩横向分布