桥梁结构设计石雪飞 斜弯桥计算分析简介PPT课件

1、漳龙高速公路第1页/共128页弯拱桥第2页/共128页弯连续刚构第3页/共128页天目路立交第4页/共128页南浦大桥东引桥第5页/共128页概述二、计算方法1、解析法概念清晰不能解决复杂问题2、数值法计算功能强数据复杂，需要人工判断第6页/共128页第一节 整体斜板桥的受力特点和构造 主要用于小跨度桥梁 跨径通常在20米以下 全桥一般采用满樘支架整体浇筑第7页/共128页一、影响斜板桥受力的因素 1.斜交角两种表示方法当斜角小于15度时取斜长按正桥计算 第8页/共128页2.宽跨比b/l宽桥对斜支承敏感窄桥斜支承只影响支承局部3.支承形式 支承个数支承方向是否弹性支承第9页/共128页二、斜

2、板桥的受力特点 1.纵向主弯矩比跨径为斜跨长、宽度为b的矩形板小，并随斜交角的增大而减小 第10页/共128页2.荷载有向支承边的最短距离传递分配的趋势 第11页/共128页3.纵向最大弯矩的位置，随斜角的增大从跨中向钝角部位移动 第12页/共128页4.4.除了斜跨径方向的主弯矩外，在钝角部位的角平分线垂直方向上，将产生接近于跨中弯矩值的相当大的负弯矩 5.横向弯矩比正板大得多 6.支承边上的反力很不均匀，钝角角隅处的反力可能比正板大数倍，而锐角处的反力却有所减小，甚至出现负反力 第13页/共128页7.斜板的受力行为可以用Z字形连续梁来比拟 第14页/共128页8.斜板的扭矩分布很复杂，板

3、边存在较大的扭矩 第15页/共128页三、斜板桥的钢筋布置及构造特点 1.桥梁宽度较大时，纵向钢筋，板中央垂直于支承边布置，边缘平行于自由边布置；横向钢筋平行于支承边布置。 第16页/共128页第17页/共128页2.窄斜板桥。纵向钢筋平行于自由边布置；横向钢筋，跨中垂直于自由边布置，两端平行于支承边布置 第18页/共128页3.局部加强钢筋在距自由边一倍板厚的范围内设置加强箍筋，抵抗板边扭矩为承担很大的支反力，应在钝角底面平行于角平分线方向上设置附加钢筋 第19页/共128页第20页/共128页4.斜板桥在运营过程中，在平面内有向锐角方向转动的趋势，如果板的支座没有充分锚固住，应加强锐角处桥

4、台顶部的耳墙，使它免遭挤裂。 第21页/共128页第二节 整体式斜板桥的计算 计算方法根据对各向同性斜板的分析而获得 斜交板挠曲微分方程至今无法求解，求解多用差分法。 利用差分法、有限元法和模型实验对斜板进行大量分析，提供了相应的数表第22页/共128页一、粗略简化方法1.l1.3b， 50时作为宽度 b，计算跨径 l 的矩形板桥来计Mx 配筋平行于板边方向My配筋平行于支承边方向第23页/共128页2.l=1.3b0.7b时 75时作为宽度 b，计算跨径 a 的矩形板桥来计算Mx 配筋中央垂直于支承边方向，边缘平行与板边My配筋平行于支承边方向第24页/共128页75 50时作为宽度 b，计

5、算跨径(a+l)/2 的矩形板桥来计算Mx 配筋中央垂直于支承边方向，边缘平行与板边My配筋平行于支承边方向第25页/共128页3.L50时作为宽度 b，计算跨径 a 的矩形板桥来计算Mx 配筋平行与板边My配筋平行于支承边方向第26页/共128页4.局部加强钢筋不论哪种情况，在边缘端部，路自由端 b5的宽度范围内，均假定产生与中部的正弯矩同等大小的负弯矩，必须配置负弯矩钢筋第27页/共128页二、均布荷载作用下的内力 1.正交方向上单位板宽上的主弯矩表示成 211qlKM 212qlKM K：两个主方向的弯矩系数 ，根据斜角查表第28页/共128页2.钢筋方向的弯矩通过坐标转换获得)(cos

6、)sin(cossin1221MMMxsin coscos cos()MM12MMMy1122sinsincos sin()sin sin()sin()cos()MM12MMMMMx122212cossinsin cosMMMMMy122212sincossin cos纵横向钢筋配置成直角时第29页/共128页第30页/共128页3.主弯矩方向根据斜角查曲线得第31页/共128页二、活载内力计算 1.以斜跨长作为正桥跨径进行板的内力分析，求出跨中弯矩的最大值 2.根据斜交角与活载类型查表得弯矩折减系数斜板板跨中央和自由边中点的斜向弯矩 My0KyaMK Myayay0第32页/共128页第33

7、页/共128页3.按活载类型查表得正板桥的横向弯矩系数 和扭矩系数 正板跨中截面的横向弯矩和扭矩 axKKxy0MK Mxxy000MK Mxyxyy000第34页/共128页4.根据斜交角与活载类型查表得斜板横向弯矩折减系数 和扭矩折减系数斜板中央和自由边中点的横向弯矩和扭矩为 KxaaxyKMK Mxaxax0MK Mxyaxyaxy0第35页/共128页5.由斜弯矩、横向弯矩及扭矩合成斜板主弯矩MMMMMMxayaxayaxya1 22222,()()主弯矩的方向角ayaxaxyMMMtg22第36页/共128页第三节斜梁桥的受力特点与实用计算方法 斜梁桥由多根纵梁及横梁组成的斜格子梁桥

8、 横梁与纵梁可以斜交，也可以正交 第37页/共128页一、斜梁桥的受力特点 斜梁桥虽然为格子形的离散结构，在梁距不很大、且设一定数量横梁的情况下，仍然具有与斜板类似的受力特点1.随着斜交角的增大，斜梁桥的纵梁弯矩减小，而横梁的弯矩则增大；弯矩的减少，边梁比中梁明显，在均布荷载作用下比在集中荷载作用下明显； 第38页/共128页2.正交横梁斜梁桥的横向分布性能比斜交横梁斜梁桥好，并且横向刚度越大，横向分布性能越好； 3.在对称荷载作用下，同一根主梁上的弯矩不对称，弯矩峰值向钝角方向靠拢，边梁尤其明显； 4.横梁和桥面的刚度越大，斜交的影响就越大，斜桥的特征就越明显。 第39页/共128页二、斜梁

9、桥常用计算方法 结构力学单梁计算+横向分布理论 计算正桥内力 斜桥修正系数 修正的G-M法 修正的铰接板法 杆系梁格理论第40页/共128页三、结构力学方法求解单斜梁 1.简支单斜梁第41页/共128页时：0 xxzctgtgkxlDxllTDxxlxlPMtglkxDTtgxDlxlPTctglTlxlPQzzxxx)2()()()21 (1 )(22其中：)1 (212tgkDkEIGId第42页/共128页xxlz时：ctgtgkxlDxllTxlDxllxPMtglkxTDtgxDlxlPTctglTlxPQzzxxx)2()()21 ()(22其中：)1 (212tgkDkEIGId

10、第43页/共128页2.内力影响线第44页/共128页3.连续单梁全抗扭支承连续斜梁中间点铰支承连续斜梁竖向荷载作用下两者在剪力和弯矩相差不大，中间点铰支承时扭矩比全抗扭支承大。在扭矩荷载作用下，采用中间点铰支承，各项内力均比全抗扭支承大得多。 第45页/共128页四、修正的G-M法 基本思路以正桥计算为基础，将由正桥计算求得的M值，用修正系数进行修正，从而得到斜桥的M。 1) 只计算跨中截面的弯矩，其它截面的弯矩按二次抛物线在跨内内插；2) 本法修正系数的取值为集中荷载和均布荷载作用时的平均值；3) 只计算中梁和边梁的弯矩，其它梁的弯矩可以按直线内插； 第46页/共128页具体做法：1.以斜

11、跨长为正桥的计算跨径，用G-M法计算中梁和边梁的弯矩M以及横梁弯矩Mc2.假定斜梁桥为各向异性平行四边形板，计算：抗弯刚度比 扭弯参数宽度与跨径比参数 JJyx4G JJEJJTxTyxy()2ba第47页/共128页3. 根据以上的参数及值，由图表查出修正系数K，用K乘以正桥的M值即可得到斜梁桥的弯矩值 4. 用按正桥求得的横梁弯矩乘以系数1/K即可近似地得到斜梁桥横梁的弯矩(K为中梁和边梁的平均值)第48页/共128页第49页/共128页日本学者通过实验得出的表格，只与弯扭刚度比、宽跨比、斜角有关第50页/共128页五、横向铰接斜梁（板）桥的实用计算法 基本思路采用单个集中荷载的斜交折减系

12、数来代替实际车列荷载的折减系数 修正系数将只与斜交角、主梁片数、梁位及弯扭参数有关 kMMaiai0第51页/共128页斜铰接板桥的具体计算步骤 1. 弯矩计算1）应用铰接梁法，计算对应正桥的设计弯矩2）查相应梁数、相应弯扭参数 、相应梁号、相应斜交角的折减系数 3）斜桥跨中弯矩 kaMk Miaai0第52页/共128页2. 支点剪力的计算1)按铰接梁法计算对应正桥的横向分布影响线2)按杠杆原理进行修正，得到支点断面混合横向分配影响线3)分别计算跨中和支点断面的横向分布系数4)在乘以横向分布系数后的剪力影响线上加载，计算支点截面的剪力 第53页/共128页第54页/共128页3. 跨中剪力计

13、算跨中截面剪力有所增大，但是不控制设计。可以近似地按正桥计算后，乘以系数：160第55页/共128页第56页/共128页4. 设计计算时的其它要点1.斜梁中最大弯矩向钝角方向偏移，在跨中梁两侧各l/8范围内均按最大弯矩考虑2.对于小跨径斜桥，其它截面弯矩仍可按二次抛物线内插3.剪力包络图可近似地采取支点值与跨中值的直线连接图形第57页/共128页六、斜梁格法 基本思路1.将桥面比拟成由纵梁与横梁组成的梁格，2.全桥只有一根与主梁垂直的横梁，3.不考虑主梁与横梁的抗扭刚度 第58页/共128页1. 横向分配系数的计算公式 1)三根主梁时kjjZNkZNkkjjZNkkjZNkjZNkaababc

14、caacbbabcb1111112122，jZjNIIjalIIZctglactglaRQ2)2()2()21 ()21 (1322，第59页/共128页求解思路取中间横梁为脱离体，用力法求解K1K2K3K1K2K3K1K2K3K1K2K3R2R2R2K1K3第60页/共128页2)四根主梁时3)五根主梁时第61页/共128页2. 主梁的弯矩影响线没有横梁的简支梁的影响线和在横梁格点处弹性支承的不等跨连续梁的反力影响线的叠加 第62页/共128页荷载作用于计算主梁上时1）简支梁在计算点处产生的影响线2）刚性支承连续梁中间支点反力对计算点产生的影响线3）由于弹性支承使支点反力减小aaakX第63

15、页/共128页荷载不作用于计算主梁上时只有由于横梁分配过来的弹性支承反力对计算截面产生的影响线aaakX第64页/共128页 两跨连续梁，中间支点处的反力 XP kkkllB ()1221第65页/共128页3. 横梁的弯矩影响线 计算与刚性横梁法一样第66页/共128页第四节 平面弯桥的受力特点和构造 一、弯桥的受力特点1.由于曲率的影响，梁截面在发生竖向弯曲时，必然产生扭转，而这种扭转作用又将导致梁的挠曲变形，称之为“弯扭”耦合作用；2. 弯桥的变形比同样跨径直线桥大，外边缘的挠度大于内边缘的挠度，曲率半径越小、桥越宽，这一趋势越明显； 第67页/共128页3.弯桥即使在对称荷载作用下也会

16、产生较大的扭转，通常会使外梁超载，内梁卸载；4.弯桥的支点反力与直线桥相比，有曲线外侧变大，内侧变小的倾向，内侧甚至产生负反力；5.弯桥的中横梁，是保持全桥稳定的重要构件，与直线桥相比，其刚度一般较大；6.弯桥中预应力效应对支反力的分配有较大影响，计算支座反力时必须考虑预应力效应的影响。第68页/共128页二、影响弯桥受力特性的主要因素1.圆心角跨长一定，主梁圆心角的大小就代表了梁的曲率，圆心角越大，曲率半径就越小； 第69页/共128页第70页/共128页2. 桥梁宽度与曲率半径之比宽桥的活载扭矩大，从而弯矩也大宽桥的恒载也产生扭矩荷载3. 弯扭刚度比增大抗扭惯矩可以大大减小扭转变形4. 扇

17、性惯矩第71页/共128页第72页/共128页三、弯桥的支承布置形式 1. 竖向支承布置简支静定曲梁简支超静定曲梁全抗扭支承连续梁中间点铰支承连续梁抗扭、点铰交替连续梁第73页/共128页独柱“墩梁”固结连续刚构中间偏心点铰支承第74页/共128页第75页/共128页2. 水平约束的布置径向变形：温度、收缩切向变形：预应力、徐变第76页/共128页 上海市南浦大桥浦东引桥连续弯箱梁支承布置第77页/共128页3、伸缩缝的设置弯桥必须保证纵向伸缩缝的自由伸缩，否则相当与平面内的拱桥，会引起侧向位移，甚至侧向失稳。第78页/共128页第五节 平面弯桥的设计计算 计算方法综述 杆系结构力学+横向分布

18、 有限元法 梁格法 板壳单元第79页/共128页一、平面曲梁的变形微分方程 1、六个方向的内外力平衡MzQmyxy 0QzNRqxx 0NzQRqxz 0MzTRQmxyx 0TzMRmxz 0Qzqyy 0第80页/共128页第81页/共128页合并后得到3322221MzRMzqzmzqRmRyyxyzy221MzRTzqmzxyx TzMRmxz 第82页/共128页2、内力与变形的关系MEI kEId udzuRyyyy()222MEI kEId vdzRxxxx ()22TEId kdzGI kzdz 22 EIddzRd vdzGIddzRdvdzd()()333311kd udz

19、uRy222kd vdzRx22kddzRdvdzz1第83页/共128页3、合并内外力平衡方程和内力位移关系符拉索夫方程22242V)12(RmRqzmzquRuRuEIyzyxy zxddxmREIGIEIvRGIEIvREI 2IVIV()EIEIRvGIRvEIREIGIRqmzxdxdyx 22IVIV第84页/共128页二、结构力学方法求解圆弧形单曲梁 1. 简支静定的曲梁内力完全通过内外力平衡关系计算。第85页/共128页2. 简支超静定曲梁内力一次超静定结构，以简支静定曲梁为基本结构采用力法求解。第86页/共128页曲梁受力变化规律：1) 当圆心角90度时，曲率对弯矩有明显的影

20、响；3) 当圆心角=180度时，弯矩和扭矩均趋于无穷大，结构失稳；4) 支座反力和剪力与直梁完全相同。第87页/共128页3. 简支超静定曲梁的变形变形可以通过虚功原理求解，也可以通过微分方程求解。计算公式很复杂。均布荷载作用下的跨中截面位移集中荷载作用下的跨中截面位移2sin)21 (4)1 (8)2sec1)(21(00202004tgkkkEIprw222sec)sin(4)1 (20002003tgkkkEIPrw第88页/共128页4. 连续曲梁的分析取简支超静定曲梁作为基本结构，用力法求解，力法方程具有三弯矩方程的形式。第89页/共128页三、平面弯桥的荷载横向分布计算 梁格、梁系

21、和比拟正交异性板等三类横向分布理论在弯桥上均有应用。这里介绍刚性横梁法。适用范围：IIlBQX()03 主梁跨中作用单位集中荷载时的跨中挠度长度为的横梁跨中作用单位集中荷载时的跨中挠度B0第90页/共128页第91页/共128页第92页/共128页1、两种位移平衡状态纯平移纯转动各主梁分配到的荷载是两种状态的总和RRRiiiTTTiii常数0vvi0i)(0davii 0 i第93页/共128页位移与各主梁反力的关系vR CTCiivRiivTiiiRiiTiRCTC第94页/共128页2、纯平移平衡可求得各主梁分配到的荷载为 vR CT CviivRiivTi0常数 iiRiiTiR CT

22、C0020vCCCCvRaiRiTivRiTii020vCCCCvTbiRiTivRivTii第95页/共128页由竖向力平衡由D点的力矩平衡 RPiin1vPaiin01 RPaiaiin01TPbiaiin01TR adiiniiin110()daaiiinbiinaiin111第96页/共128页3、纯转动平衡可求得各主梁分配到的荷载为)(0daCTCRvivTiivRiii iiRiiTiR CT C0 Rad CCCCCadiiTivTivRiTiRiiaibi() ()200TCad CCCCadivRiiRivRiTiRiciibi()()200第97页/共128页由D点的力矩平

23、衡 TRadpeiiniiin11()nicinibiiniaiidadaPe11120)(2)(RadadadPeiiaibiiaiinibiinciin()()()21112TadadadPeiciibiiaiinibiinciin()()()21112第98页/共128页4、荷载横向分布计算公式令 ，并随e的变化在不同的主梁上作用，即可求得第I根主梁的横向分布影响线证明与直桥的关系。RPhPeiaii1TPhPeibii2P 1第99页/共128页5、刚度系数的计算 idiiciiiibiiiiailGIClEIBlEIA23第100页/共128页四、曲线梁格法分析弯斜桥 折线型与曲线型

24、梁格 单元划分足够细时，折线与曲线梁格计算结果基本相同第101页/共128页1单元刚度矩阵 建立杆端位移与杆端力的关系TTww,22211121TTTMQTMQFFF,22211121212221121121eKkkkkFFF第102页/共128页 左端发生位移时 由单元左右端力平衡111Ff 333231232221131211ffffffffff1111fF111 fk111112fDFDF121fDk第103页/共128页 当右端发生位移时，相当于在左端发生位移 单元两端的杆端力为 21D211121DffF211122DfDfDF112Dfk122DfDk第104页/共128页2单元等

25、效节点荷载列阵第105页/共128页 解开左端约束，在单元内部荷载与等效节点荷载作用下，左端的位移可表示为 TmMtTqQP,TTTMQTMQRRR,22211121PfRfP11PPPPPPPPPPPPPPPPPPPfffffffffffffffffff363534333231262524232221161514131211第106页/共128页 单元处于平衡状态时 根据单元内力平衡，可得右端节点等效荷载为 01PffRP11PDPffDPDRDRPPP112第107页/共128页3梁格划分及截面特性计算 第108页/共128页1) 梁格的纵、横向构件应与原构件梁肋（或腹板）的中心线相重合，

26、通常沿切向和径向设置；2) 每跨至少分成46段，一般应分成8段以上，以保证有足够的精度；3) 连续弯梁的中间支承附近因内力变化较剧烈，故一般应加密网格；4) 横向和纵向构件的间距必须接近，以使荷载分布较敏感；5) 为配合悬臂部分的荷载计算，有时应在悬臂端部设置纵向构件 第109页/共128页4、曲线梁格程序总框图第110页/共128页五、弯桥的预应力索配置 1.曲梁中的预应力初内力及等效荷载初内力与等效荷载的关系 VW RNN0 MTV RQ RMNM0 TMQ RML0 VNW RMM0NVW RML0 MV RQ RNMN0第111页/共128页 预应力初内力通过几何关系分析可得预应力在三个方的向分力，通过内外力平衡可得预应力初内力 VFzRhN ()MFzMTF z hh zRh () ()NF VFhRhM ()MFhN 第112页/共128页 如果预应力束在横截面上左右对称， 预应力初扭矩T等于0 横向弯矩等于0 横向剪力等于0第113页/共128页 曲梁预应力等效荷载 WFzR RhN()WF RFhR RhM()WFh