混凝土梁桥的设计与原理

混凝土梁桥的设计与分析原理内容提要2桥梁设计准则1混凝土梁桥概述4预应力的效应5箱梁桥的空间效应6收缩徐变效应7温度效应3混凝土梁桥的分析模型与方法8D区设计问题10结束语9耐久性问题内容提要桥梁设计准则（1）结构分析模型（2）作用（间接）效应（3）应力复杂区域设计（4）耐久性结束语设计分析方法（1）概念设计（2）裂缝问题（3）技术发展前景1混凝土梁桥概述梁桥特点受力：弯曲→随跨度加长，梁高加大构造：形式简洁钢筋混凝土梁桥材料取材广泛特点共同工作（握裹，线胀系数），对钢筋的锈蚀保护适用范围小跨度的混凝土梁，混凝土板预应力混凝土梁桥材料预应力的引入，使两种材料都能充分利用高强混凝土/高强预应力钢筋的使用成为可能特点第一个概念：预应力使混凝土在使用状态下变成弹性材料；第二个概念：预应力使高强钢筋和混凝土有效结合、共同工作；第三个概念：用预应力实现荷载平衡。适用范围中等跨度、大跨度混凝土桥vs.钢桥1混凝土梁桥概述设计准则规定了桥梁设计的基本理念，影响到桥梁设计的总体水平。2桥梁设计准则安全性和适用性：两种极限状态（1）承载能力极限状态承载能力极限状态是指桥梁结构或其主要构件达到最大承载能力，或出现不适宜继续承载的变形或变位的状态。（2）正常使用极限状态指在正常使用条件下，结构或其主要构件达到正常使用或耐久性的某项限值。√经济性设计－施工－管养，全寿命的设计理念美观抽象的结构形式效率和谐艺术造型与环境的协调经济性和美观性中、美桥规：

设计准则对比中国桥规第1.0.1条规定：应使公路桥涵的设计符合：技术先进安全可靠适用耐久经济合理AASHTO桥规第1.3.1条规定：桥梁应该按照规定的多种极限状态进行设计，以实现：可施工性安全性使用性并恰当考虑：可检修性经济性美观性两种极限状态承载能力正常使用四种极限状态使用极限状态疲劳和断裂极限状态强度极限状态极端事件极限状态AASHTO桥规（第1.3.2条）提出的四种极限状态：（1）使用极限状态（ServiceLimitState）：在正常使用条件下，对应力、变形和裂缝宽度的限制；（2）疲劳和断裂极限状态（FatigueandFractureLimitState）：对于设计车辆和给定应力循环次数下产生的应力幅的限制。断裂极限状态是根据AASHTO材料规范在对韧性提出的要求；（3）强度极限状态（StrengthLimitState）：在设计期限内，桥梁应能承受特定的静力不利荷载组合，保证强度和稳定性；（4）极端事件极限状态（ExtremeEventLimitStates）：在经历较大的地震、洪水、或船只、车辆或流冰（很可能在受到冲刷条件下）时，保证结构不致毁坏。3混凝土梁桥的分析模型与方法3.1B区和D区的概念3.2结构总体分析模型（B区） 3.2.1直线梁桥 3.2.2曲线梁桥3.3结构局部分析模型（D区） 3.3.1三维有限元模型 3.3.2拉压杆模型3.1B区和D区的概念

传统地，梁桥被认为是受弯为主的构件。材料力学中的下述公式成为梁桥设计的经典依据：

严格地讲，上述公式的适用条件是：纯弯、等截面直梁，且梁的跨高比在6以上。

B区截面应变分布基本符合平截面假定的结构区域；截面应力状态可以通过从内力（弯矩、扭矩、剪力和轴向力）得出；B表示Beam或Bernoulli（伯努利平截面假定）。D区截面应变分布呈现明显非线性的结构区域；截面应力状态不能通过内力（弯矩、扭矩、剪力和轴向力）得出，需通过弹性理论或有限元分析得出；D表示discontinuity，disturbance或detailing3.1B区和D区的概念混凝土梁桥中的常见D区有：剪跨比较小的区域，如支座附近；跨高比L/h较小的深梁，如箱形截面的横隔板；承受集中力作用的区域，如横向预应力作用下箱梁翼板悬臂端，竖向预应力作用下的箱梁腹板；预应力锚固区，如梁端截面锚固区，齿板和凹槽锚固区；构造上有几何突变的区域，如箱梁顶板、底板的开孔区域，挂孔与牛腿附近区域。3.1B区和D区的概念分析方法同时包含B区和D区的结构只含D区的结构B区D区D区结构总体分析截面内力边界力截面内力支承反力线弹性分析：未开裂状态应力通过截面特性参数求解弹性力学公式或有限元数值分析拉压杆模型：开裂状态内力拉压杆模型，即普通桁架模型拉压杆模型（STM）3.2结构总体分析模型（B区）梁桥建模的一般准则结构模型（单元、边界、荷载等）分析目的关心的结构部位、内力、应力结构特点跨度、宽度、高度、截面形式、预应力布置精度要求概念设计－精细化分析相辅相成精度应在同一个层次上（荷载、材料本构、边界条件处理等）3.2结构总体分析模型（B区）3.2.1直线梁桥平面杆系模型单元每节点3个自由度，计算相对简单跨度较大梁桥，总体内力分析有较好的精度梁格模型纵横梁格较宽梁桥，多室箱梁空间块体模型板、壳、块体复杂，宽体，空间效应显著3.2.2曲线梁桥空间梁单元模型每节点6个自由度，平截面假定不考虑翘曲、畸变宽度较窄空间薄壁箱梁元模型在6个自由度的初等梁上，增加3个附加自由度（扭曲率、截面的畸变角和畸变曲率），精确构造刚度矩阵较麻烦。薄壁、宽度大、横隔板约束不强等情况。3.2.2曲线梁桥空间梁格模型

用纵、横梁格来比拟箱梁（腹板、顶板和底板）的受力宽跨比B/L较大的弯梁桥，必须考虑整个截面的横向变形。“比拟”的等效性实体、板壳元模型

用实体、板壳单元最大限度地模拟箱梁实际尺寸。可以计入翘曲、畸变、剪力滞等影响，计及泊松比的影响。建模复杂，预应力筋难模拟，计算耗时较长。输出结果为应力状态，与桥规按内力进行配筋的方式不匹配，若将应力空间积分为内力，过于复杂，可行性不大。3.3结构局部分析模型(D区)D区特征几何构造上不连续力流受到扰动D区分析模型

弹性理论有限元分析光弹试验拉压杆模型（STM）

揭示D区受力特点及破坏机理为当前研究热点已写入一些国家设计规范3.3乌结构足D区分替析模型拉压杆模烦型组成拉杆(ti陶e)压杆(str卷ut)节点(no誓de)主应力忆迹线拉压杆模汽型拉压杆模敢型由压杆您、拉杆和遣节点所组印成。压杆宪是受压构漆件，代表剃平行或扇邮形压力场胸的合力；疲拉杆是受蔑拉构件，推一般代表眉普通钢筋圈，有时也遮代表预应品力钢筋或千拉应力场宅的合力；股节点位于真压杆、拉油杆轴线与个集中力的浓交汇处。拉压杆淡模型以关塑性下搜限定理餐为依据菌，满足辞内力平撕衡条件嘴，同时支，正确罩的拉压胀杆承载窗构架，钉一定满祖足最小达应变能右准则。拉压杆模雁型的建立投方法：应力迹饺线法荷载路端径法基于最小扁应变能的戒拓扑优化扬方法（c）承受汽预应力集酿中力作用络的区域：休箱梁翼板渡和腹板（d）预应织力锚固涨区：梁盈端截面伴锚固区捡，齿板狱和凹槽贷锚固区常见D区及拉压蚊杆模型常见D区及拉压际杆模型跨高比瘦较小的兔深梁：乔箱形截章面的横抛隔板承受预层应力集蓄中力作杀用的区找域：箱侧梁翼板似和腹板常见D区及拉压浑杆模型构造上有落几何突变巩的区域：竿箱梁开孔厉区域，挂姥孔牛腿体外预应障力转向结话构4预熔应力的作涝用效应内力效逮应预压预弯预剪径向力鸣效应锚下局盼部承压件效应变形效应收缩徐嘱变引起肆的预应葬力损失等效荷载预应力混穿凝土梁的委荷载-挠骗度曲线4滔预应力宅的作用疼效应预应力平赶衡荷载→屠调整结构宏内力状态合理成桥寇状态→抑唇制收缩徐奖变的走向4预刺应力的作甜用效应5箱凑梁桥的邮空间效我应偏心荷命载作用蔽的等效担力系分倍解5.1主横向华框架效辜应5.2剪滞效应5.3扭转效应5.4畸变效应6收缩徐盟变效应6.1厅收缩霞、徐变访的现象割和机理6.2近收缩跌、徐变组的预测靠模式6.3破考虑收缩棚、徐变的胶结构分析6.4气徐煮变次内含力的产熄生条件6.1睛收缩谎、徐变闯的现象外和机理收缩自收缩达（水化废收缩）干燥收速缩碳化收苹缩徐变应力作用会下：“水泥－悄石”粘稠允变形吸附水举渗流微裂－硬结晶－券重组徐变系宵数收缩、徐射变的随机合性和时效跌性混凝土暮多相材忽料石子、跪砂、水高泥、水执、外加胶剂——水化反垂应以后督生成不确定液性——本构关厌系不稳州定、收孩缩、徐狐变徐变混凝土在菌应力作用述方向随时堤间变化的找变形收缩是独立于最外力作用爽的混凝土警体积缩小6.2剪收缩、徐绸变的预测餐模式收缩徐延变预测勿模式必须反棒映混凝谁土收缩晋徐变发泥展的规容律是进行结悉构时效定堵量分析的四基础收缩预能测模式收缩应矛变终极姨值×收缩随时句间变化的爪函数徐变预测纺模式描述整少体发展正规律的欲徐变模贵式：CEB-真FIP(踢MC90允)、ACI2僵09R-颈82、AAS晶HTO导(20览04)、基于粘稀弹理论的吩流变模式睡等-连乘模惹式基本徐变+干燥徐会变：BP模式、B3模式等-连加模梅式可恢复+不可恢腹复徐变疗：CEB渠-FI酸P(芹MC7枕8)徐变模式忍等-连加模竖式这些模式踩的形式很桐复杂，但怪其基本目本的是：反映徐变万随时间的五基本变化郊趋势；反映影昏响徐变怀变形的痰主要因甘素。这些模式优的形式很凭复杂，但锡其基本目宰的是：反映徐变飘随时间的狡基本变化泄趋势；反映影贫响徐变匹变形的丙主要因怖素。6.3仅考虑收缩存、徐变的禽结构分析按龄期调余整有效模此量初应变裁、降温计算手段6.4础徐捆变次内奶力的产日生条件徐变变形引是混凝土更结构在外缠力作用下亚的时变特拌征，但徐业变变形要油对结构产恢生次内力棍是有条件帐的：结构必须渴发生体系厕转换（指宰约束条件堤改变），仔转换后的司结构成为柿超静定体疤系；或，超静定结夸构的各部聋分徐变系弯数不相同在静定结朋构中，由佩于没有冗赔余约束，悠故无论结晨构发生多巧大的徐变粥均不会产璃生次内力兼；对于一次倾浇筑成形顺的超静定伙混凝土结疑构，当有凑外力在结预构形成以塘后作用在薄其上时，貌徐变变形脖虽然会在侍外力方向史与时俱增历，但在线没性徐变条确件下，因碑徐变变形够与外力引用起的弹性味变形同比逼例增长，唯即徐变变亲形可由弹益性变形乘润以一个系黎数得到，委所以，只造要弹性变荐形平衡，拴相应的徐完变变形也蛾必然平衡谊，故不会葵有次内力旱发生。7温度右效应7.1共混凝土梁压桥的温度耗问题7.2吨梯度温度菠模式7.3恭温度自应华力7.4枕温度次应屡力7.1例混凝土梁类桥的温度朽问题热源施工水化热运营季节温差日照骤然降劝温数值分乞析施工措施佳、工艺预谁防均匀温趁差梯度温础差7.2断梯度温度本模式7.3民温度自应缎力7.4味温度沸次应力8D铸区设计：肚以梁端锚雅固区为例8.1乐锚固区划询分锚固区总体区局部区锚下混丙凝土斜唇向压应障力爆裂力剥裂力压应力振验算抗爆裂漂和抗剥初裂洞钢筋的欢设置间接钢筋门的设置及租锚下承压苗能力的验等算我国规范干未涉及8D和区设计：锦以梁端锚梁固区为例8.1裹锚固区划萄分8.2轰拉压姥杆模型爆裂力大坊小：爆裂力傻作用点并位置：轴心受压用情况拉压杆模此型—小偏脊心锚固拉压杆模座型—大偏馒心锚固8.3STM模钓型：斜压杆应吓力验算已有的试过验研究表逃明，局部订区与压杆饱（拉压杆岁模型中的挪压杆）的娱交接面为压危险截面僵，应验算唤此处混凝降土的压应治力值。该截面捧一般位丙于局部木侧限钢林筋的端融部或锚健具前方做一倍锚忠具宽度逮的地方猜。（1）根据拉道压杆模型项推导压应苗力公式取α＝12°，则Ab—承压欠板面积（2）考虑压牌应力在厚本度方向的连扩散lc—验算截凭面到端部膊的距离（3）多个绵锚头情沃况引入修旬正系数K，则8.4STM赛模型：爆裂力的坡验算爆裂力室—夹锚固区混中锚具医前方沿集力筋轴远线横向归作用的浙拉力，蜓它是锚荒固集中古力的横忧向扩展明造成的归。力筋有各倾角时讯的爆裂力公脏式需对前奖述公式裹进行修挽正：锚具布金置预应力的谷施加顺序总体区墓设计验朋算：总恨体区配迁筋局部区设盆计验算：睬约束箍筋8.5后张锚固绣区的设计编内容从理念到妥实践：需及要各方面悼的参与设计施工运营管养评估、加固工程实践耐久性理念（全寿命理念）结构性裂缝构造非结构性裂缝灌浆理念实践9耐壶久性问题高耐久性哪桥梁的优膜点减少维修捏与加固，序提高经济骨性如何提乏高耐久滨性适当的材尼料合理的构针造设计恰当的肥施工方企法结构构蕉件易检贞测、可传维修好的规范球、规程施工过岂程中的标质量控余制专业的施三工人员与表监理人员设计基予准期我国《公路钢萄筋混凝酿土及预宏应力混岸凝土桥枯涵设计昂规范（JTG忌D6帐2-2烦004）》采用的设怎计基准期公为100年。《混凝土结驾构耐久性对设计与施肺工指南（CCE窑S01摇-2蹲004）》提出：大型桥督梁、高锁速和一改级公路骆上的桥缎涵的设营计使用武年限应蹄不小于100年二级和抚二级以大下公路僵以及城刺市一般制道路上柔的桥涵置的设计薯使用年党限应不划小于50年。混凝土桥匠梁的耐久占性设计内步容全寿命宿设计方斯法全寿命设辨计方法，己要求将桥陕梁设计的西目标与桥仆梁结构服燃役过程中秀的功能退象化、耐久建性下降、害养护、维寺修和加固守，直至桥重梁结构退未出工作全蛛过程内的颜所有问题绪加以综合诸考虑。混凝土贡桥梁的碎耐久性冠与全寿锈命设计垒理念《桥规》给出了亩结构混职凝土耐屿久性的笛基本要镰求：最大水灰括比最小水泥究用量最低混腐凝土强向度等级最大氯封离子含孟量最大含碱阴量。根据环境叹使用条件夕，给出考车虑抗冻性亚和抗渗性息的结构混谁凝土选择铺标准。在构造幸规定中挡，给出发了不同办环境条烟件下的茄混凝土急保护层李厚度。《指南》提出至朗少应包衣括以下5个方面己：耐久性斥混凝土演的技术该要求与耐久楚性有关赴的结构垄构造与评裂缝控由制与耐久性旗有关的施货工质量要草求结构使用火阶段的维加修与检测防腐蚀附委加措施基于耐久脑性的设计爆考虑与单勾纯基于荷决载的设计佛考虑，不棍完全相同罪。比如，屡对于混躁凝土材猪料，在婆荷载作勉用设计呜中，主恶要关心柏的是它唐的强度阿和弹性不模量。而在耐疗久性设班计中，虹则关注巡寿其耐久并性指标派，如抗渗性抗侵蚀性抗冻性耐磨性抗碳化渐性抗碱－云集料反栏应的能存力提高耐恳久性的溜措施桥梁设赚计、施费工人员宿可以开饱展的工炭作：控制混衰凝土的裂缝，包括结构性裂从缝和非结构性图裂缝；为钢筋提御供足够厚俭度的混凝鲁土保护层烈；隔绝或减压轻环境因吹素对混凝银土、钢筋干的作用。其他方面万的工作：耐久混楚凝土材众料提高耐蜜久性的捎施工工旧艺提高耐铜久性的凑运营维雄护措施混凝土纸桥梁的陆耐久性颗设计内辆容弗罗里况达州后孕张预应嘴力混凝柄土桥梁帐设计新任指南预制节甘段悬臂捎拼装桥钉梁预制节史段逐跨吼拼装桥孔梁装配式混岛凝土I梁桥平衡悬李臂浇筑厌桥梁支架现浇炊桥梁后张预咏应力混苏凝土下