弯桥研究现状综述难点.docx

弯桥研究现状综述目 录1.1弯桥概述11.2研究现状2参考文献7弯桥研究现状综述1.1 弯桥概述弯桥通常指桥面中心线在平面上为曲线的桥梁。在各类桥梁结构中，平面弯桥是特殊的一类，无论梁桥、拱桥、斜拉桥还是悬索桥，都有弯桥的工程实例。在各类弯桥结构中，以梁式弯桥最多，斜拉桥次之，拱桥和悬索桥较少。梁式弯桥多的原因是大多数弯桥跨径都在100m以下，这种跨径采用梁式结构无论设计、施工还是经济性都具有优势。超过100m跨径的弯桥，斜拉桥则加入竞争。拱式弯桥多见于低等级路线上的小桥或涵洞，以石桥为主。悬索桥则特殊少见。图1-1 北京四元桥 图1-2 杭州上石立交桥弯桥，目前大致可分为五种情况:以直代曲弯桥；现浇结构弯桥；高墩弯桥；砟道小半径弯桥；钢混结构弯桥。弯桥的出现大致归为两个原因：跨越地形地物的需要。山区道路的展线一般要顺应地形，因此路线设计以曲线为主，尤其是高等级公路对线型要求较高，不可避免地要出现大量弯桥斜桥。线路设计的需要。在高速公路或城市立交的出口或转向，会将常出现弯桥或砟道弯桥。弯桥的出现时桥梁设计发展的必然结果，它一方面给桥梁设计增加了难度，另一方面也使桥梁与自然更为融合，增加了视觉美感。弯桥的发展某种意义上体现了一个国家经济及交通的发展。在国外交通发达的国家中，不仅城市出现多层次立交枢纽，而且在高速公路、快速干道上，多层次立交桥比比皆是。目前国内交通基础建设也是如此，不仅公路上采用弯桥，铁路上同样采用弯桥。与直桥相比，弯桥的建设并不经济，且在施工工艺方面还有其特殊要求。但就整条线路而言，采用弯桥使线形美观流畅，行车舒适，避免了桥和线路成直角接线，减少了车辆急拐弯造成的行车事故，这种社会效益是不可估量的。1.2 研究现状据资料显示，最初的曲线梁桥是德国1914年建成的一座铁路钢桁架桥。上世纪70年代以来，曲线梁桥随着钢筋混凝土、预应力混凝土结构的广泛应用在国外城市立交及公路桥梁建设得以大量修建，其中最具代表性的如1972年建造的加拿大西尔维尓路桥、1974年建成的瑞士Cailon桥、法国于1976年完成的Let Naweiliai桥、1982年建成的加拿大弓河桥、美国于1983年建成的北卡罗莱纳州莱茵海湾高架桥等。另外1987年竣工的日本Aomori Bridge为三跨预应力混凝土连续箱梁桥，全桥长496m，其最小半径仅有40m。20世纪90年代后西方发达国家应用的曲线梁桥材料主要以钢板、钢箱梁和钢-混凝土组合梁为主。随着曲线梁桥的大量修建，应运而生发展的施工方法也多种多样，如现浇、悬臂施工、顶推等方法在曲线桥的设计和施工中均得到了较多应用并日趋成熟，表1-1为部分国外已建成的曲线梁桥。对于曲线梁桥的研究以及应用方面我国起步都晚于国外，因此与国外比存在不小差距。国际上曲线梁桥在70年代得到大发展，而国内是在80年代以后才慢慢赶超；特别是在1979年美国著名的汉斯教授第一次被邀请来到国内介绍了弯梁桥的设计理论后，我国对弯桥的研究及应用才有了迅猛的发展，在之后的公路和城市工程建设中，曲线梁桥开始得以大量修建，而这其中又尤以城市立交发展最快，特别是北京、天津、广州、深圳等一线大城市的立交、高架工程及高速公路工程中，修建了诸多具有代表性的曲线梁桥，使得我国的曲线梁桥的理论研究和工程实践中取得了丰硕的成果。如北京市四元桥、东便门立交桥、天津市蝶形立交桥等。90年代以后，由于对曲线桥理论研究的日趋深入，从而设计和施工水平得到进一步的提高，更是修建了大量的曲线梁桥。表1-1 国外已建成部分曲线梁桥曲线梁桥在早期一般采用肋式截面，结构形式多以简支、桥面连续，材料也大多以混凝土和预应力混凝土为主，而后随着对曲线梁桥理论的不断深入研究以及高强预应力混凝土等材料的迅速发展，以预应力混凝土为主要材料、箱型截面为主要截面形式的连续梁桥在实际工程中广泛应用。在曲线梁桥中采用箱型截面形式，相对于其他截面形式具有以下主要优点：截面抗扭刚度大，一般抗扭惯性矩约为相应的T梁截面的十几倍甚至几十倍，在实际施工与使用过程中结构具有良好的稳定性。底板和顶板都具有较大的混凝土面积，这样就能较好的满足配筋的要求，且有效地抵挡正负弯矩，能较好的适应具有正负弯矩的结构，如连续和变截面曲线箱梁等。承重结构与传力结构相结合，各部件能共同参与受力，具有较好的经济效果，对于其他截面来说截面效率更高，且能适应预应力混凝土结构的空间布束，便于在实际施工中的操作，更能收到经济效果。表1-2 国内已建成的代表性曲线梁桥适应满足现代化施工技术方法的要求，如悬臂施工法、顶推施工法，这些施工法要求结构必须具有相对较厚、较大的底板和顶板面积。对于宽桥，由于其截面抗扭刚度大，跨中无需设置额外的横隔板就能获得满意的荷载横向分布。1843年St-Venan提出的曲线梁理论和1965年Vlasov提出的薄壁杆件论标志着曲线箱梁的设计与分析理论发展的开始。从此，大量关于弯箱梁的应用的文章、报告和书籍不断问世。经过几十年的发展，各国的桥梁专家和学者对曲线梁桥做了大量的研究工作，并针对不同的曲线梁桥结构型式，相继提出了各种各样的计算理论和分析方法。归纳起来大致可分为以下三类：即解析法、半解析法和数值法。在上述方法中，数值法是研究中最常用的，内容也是最广泛的一种。1 析法解析法是基于一定假设基础上，根据结构力学和弹性力学的理论建立方程来求解曲线梁桥内力的方法。以前苏联Vlasov为代表的学者，从周边不变形截面杆的约束扭转分析出发，根据虚功原理，考虑截面畸变的影响，建立了第四种约束扭转理论，并令周边参数为零，导出周边不变形的闭口截面约束扭转分析方法。但广义坐标中所需的边界条件不明确，同时截面的全部剪应力按胡克定律求得，这是该法的主要缺点。另外，广义坐标法是以两个对称轴无伸臂板的箱型截面来建立未知数的，与实际所用的桥梁截面有出入，而且方程计算比较繁琐。Dabrowski在考虑约束扭转时采用乌曼斯基理论，而在建立畸变方程时忽略剪切变形，提出了弹性地基梁比拟法。我国著名的桥梁专家李国豪教授对矩形、梯形箱梁理论做了有价值的研究工作，推导了断面可变形的多箱矩形薄壁圆弧曲杆微分方程和大曲率薄壁箱梁梯形箱梁扭转和弯曲的静力和动力微分方程。邵容光等学者对变曲率曲梁的挠曲扭转导出了基本微分方程。2 解析法半解析法，是桥梁工作者设法探讨的实用计算方法，这很自然想到将直梁桥的实用空间理论推广到曲线梁桥的分析中。这样就将曲线梁桥的空间分析近似地分解为横桥向和纵桥向来分别处理，使分析工作大大简化。汉斯教授提出了将主梁微分方程化为差分方程，而在有横隔梁的节点上，将横梁的作用以附加外力的形式作用于主梁，叠加进差分方程等。姚玲森论述了计算方法的简化。其后，国内学者发表了一系列关于曲线桥横向分布实用计算方面的论文，如修正的G-M法，格子梁法。郑振飞、吴庆雄等以梁格系为力学模型，建立了广义梁格法计算理论，适用于曲线梁桥的横向分布计算。3 值法数值分析主要是有限条法、有限段法及有限元法。有限条法是从有限元法发展出来的一种半解析方法。它具有简单、精度高、计算量小的优点，原则上可适用于具有较规则边界条件的正交异性板，各向同性板以及箱梁结构的分析，并具有一定程度的通用性。有限段法也是从有限元法发展出来的一种半解析法。它将箱梁视为一段段的单元拼装起来的结构，从箱梁剪力滞的基本微分方程式入手，得到单元的刚度矩阵。它具有计算工作量小，精度高，也适用于变截面箱梁的剪力滞分析。有限元法可广泛地适用于各种复杂结构的分析，能很好地分析箱梁的空间受力性能，方便地分析翘曲、畸变及剪力滞等现象。有限元法只要建模合理，便能获得全面而又满意的应力分布，随着计算机硬件设施和软件的迅速发展，其对计算机要求较高的缺点和稍嫌复杂的前后处理的问题也基本上得到解决。因而它是解决各种复杂工程问题的一种非常有效的数值方法。Mayers和Scordelis对曲线梁的求解提出了有限元分法。即运用四边形单元或三角形单元将结构离散，对位移和应力采用独立的展开式，或建立混合模式等等，并提供了相应的程序。湖南大学的经柏林、邵旭东采用板壳单元分析大量的预应力混凝土箱梁桥，探讨了宽跨比、梁高比和横向预应力对箱梁剪力滞的影响和敏感程度，提出了计算变截面箱梁翼缘有效宽度的经验公式。福州大学彭大文、王忠采用板壳单元分析了连续弯箱梁剪力滞效应规律和主要结构参数对剪力滞效应的影响，并通过模型试验和算例分析验证了方法的精准性。钟新谷、马平、曾庆元等假设箱梁截面任一点的位移为箱梁该点所在截面的整体广义位移与翘曲变形、剪力滞、畸变变形等引起的局部位移之和，提出了考虑拉压、弯、扭、截面翘曲位移的空间梁段单元用于分析箱梁桥。谢旭、黄剑源在分析单室箱梁矩形截面的弯曲、扭转、畸变、剪力滞效应时，采用杆系结构刚度法理论分别按弯曲剪力滞效应、约束扭转、截面畸变求出单元刚度系数进行叠加，提出了考虑翘曲作用的薄壁曲线格子梁的空间分析法。Tesar综合了Vlasov的薄壁曲梁理论有限元技术发展了一种薄壁箱梁单元，该单元能够同时适应于直线梁桥和弯梁桥的计算。韦成龙、曾庆元、刘小燕在分析薄壁箱梁剪力滞效应时，用多个不同的纵向位移剪力滞差值函数自动计入翼板宽度及其至截面形心距离的影响，并且考虑轴力平衡条件，构造薄壁箱梁的翘曲位移函数，导出了控制微分方程、边界条件及相应的一维有限元列式。三维实体元法一般采用四面体或六面体单元。在桥梁结构设计过程中，对受力复杂的部位有时需要知道结构的局部应力状态，以进行结构的合理配筋设计，如连续刚构箱梁零号块、承台、及主梁锚固区段等。对此类结构的局部分析可以从整体结构中取出隔离体，按整体分析的隔离体截面内力或位移条件作为隔离体的边界条件，采用三维实体法进行子结构分析。福州大学陈贞锯、程正明等采用三维实体元对连续刚构弯箱梁零号块进行空间应力分析。刘山洪等在文献提出，采用近代控制理论的状态空间法能够简化有限元计算的复杂性，建立的状态方程抛弃了关于位移和应力分布的任何假设，直接由状态方程求解物理量。由于不将状态方程的解析式用初始函数表示，因而无需处理无穷阶的偏微分方程问题，不存在因截断误差而导致的方程之间的互不相容，计算精度取决于需要，计算误差是可以人为控制的。很多学者也对弯桥的预应力效应进行了研究，李惠生、张罗溪通过曲梁单元中的等效荷载来模拟曲线梁桥预应力效应，该方法对于