桥梁设计计算内容

桥梁设计计算内容桥梁设计计算内容包括：简支梁桥内力计算7.桥面板计算连续与刚构桥梁内力计算8.梁桥实用空间计算拱桥实用计算9.超静定预应力混凝土梁桥次内力计算斜拉桥计算10.支座与墩台计算悬索桥计算11.箱梁分析变形计算12.牛腿计算学习目的：把握各种桥梁的受力特点和主要计算方法，把握各类桥梁局部构件的实用计算方法。桥梁总体承重构件设计计算步骤：初步拟订截面尺寸恒载计算活载计算：通过横向分布计算得到活载内力包络图其他可变荷载或偶然荷载计算内力组合配置钢筋主演构件受力截面设计验算，变形验算桥梁局部构造设计计算步骤（桥面板、牛腿、支座、吊杆等简支梁计算内容1、需要计算的部位：主梁、横梁、桥面板；2、主要荷载：结构重力、预应力、活载、日照温差；3、计算项主梁强度设计、验算；目：横梁强度设计、验算；桥面板强度设计、验算；主梁变形计算、预拱度计算；简支梁计算方法主梁恒载内力：按实际结构尺寸计算恒载集度，计算应力时将荷载作用在结构上直接计算，但应注意要根据按施工方法确定何种荷载作用在何种截面上。主梁预应力内力：简支梁属于静定结构，预应力只产生出内力，不产生二次力效应。主梁活载内力：纵向采用影响线加载求最不利内力；横桥向采用横向分布系数考虑车列在横向最不利布置位置。横梁内力计算：利用横向分布影响线加载求最不利弯矩。桥面板计算：采用有效工作宽度方法考虑车轮荷载在桥面板上的分布；内力计算要根据桥面板与两肋的刚度比，选取不同的修正系数。主梁变位计算：根据构件类型修正弹性模量和惯性矩，恒载按实际结构尺寸计算，但必须考虑收缩徐变作用，活载计算中不记冲击系数。预拱度设置：通常预拱度的大小，等于全部恒载和一半静活载所产生的竖向挠度值，也就是说应该在常遇荷载情况桥梁基本上接近直线状态。对于位于竖曲线上的桥梁，应视竖曲线的凸起（或凹下）情况，适当增减预拱度值，使峻工后的线形与竖曲线接近一致。对于简支梁常用跨中点的预拱度作为失高，按二次抛物线甚至全梁的预拱度。连续梁与刚构桥计算内容1、需要计算的部位：主梁、横梁（如果采用多梁式截面）、桥面板；2、主要荷载：结构重力、预应力、活载、收缩徐变内力、基础变位内力、日照或常年温差内力；3、计算项目：主梁强度设计、验算；横梁强度设计、验算；桥面强度设计、验算；主梁变形计算、预拱度计算；连续梁与刚构桥计算方法主梁自重内力：按实际结构尺寸计算恒载集度，将荷载作用在结构上，通过结构力学方法求解或通过有限元程序求解。计算中必须按施工方法确定各种构件自重作用的体系、作用截面，必须按施工过程考虑结构体系转换。主梁预应力内力：1、先计算初弯矩，然后计算次内力，通常要考虑徐变、收缩，不均匀沉降引起的次内力；2、等效荷载法，将预应力作为外荷载直接作用在结构上计算。主梁活载内力：纵桥向采用影响线加载求最不利内力，多梁式截面采用横向分布系数方法考虑车列横桥向的最不利布置位置。箱形截面必须按薄壁杆件计算扭转、翘曲、畸变等箱梁效应。横梁内力计算：利用横向分布影响线加载求最不利弯矩。桥面板计算：采用有效工作宽度方法考虑车轮荷载在桥面板上的分布；内力计算要根据桥面板与两肋的刚度比，选取不同的修正系数。主梁变位计算：根据构件类型及结构静定或超静定情况修正弹性模量和惯性矩，恒载按实际结构尺寸计算，但必须考虑收缩徐变作用，活载计算中不记冲击系数。预拱度设置：通常预拱度的大小，等于全部恒载和一半静活载所产生的竖向挠度值，也就是说应该在常遇荷载情况桥梁基本上接近直线状态。对于位于竖曲线上的桥梁，应视竖曲线的凸起（或凹下）情况，适当增减预拱度值，使峻工后的线形与竖曲线接近一致。拱桥实用计算——计算内容需要计算的部位：主拱、拱上建筑；组合体系拱：主拱圈、系梁、吊杆；桁架拱：上下弦杆、斜杆；主要荷载：结构重力、预应力、活载、常年及日照温差、拱脚水平位移推力；计算项目：主拱强度设计、验算；拱上建筑强度设计、验算；系梁、吊杆强度设计、验算；横梁、桥面板强度设计、验算；主拱稳定性验算；主拱变形计算、预拱度计算；关键局部应力验算；主拱内力调整计算；拱桥实用计算——计算方法合理拱轴线：按照拱轴线的形状直接影响主拱截面内力大小、分布的原则选取拱轴线。尽可能降低由于荷载产生的弯矩值，使拱轴线与拱上各种荷载的压力线相吻合，也就是合理拱轴线。有推力主拱自重内力：无支架施工拱桥：按实际结构尺寸计算恒载集度，按施工方法确定各种荷载作用的体系与截面。有支架施工拱桥：按一次落架计算，常采用弹性中心法。有推力拱活载内力:利用弹性中心法公式查表计算，利用影响线加载计算。多肋式主拱以及拱上建筑为排架的双曲拱必须考虑横向分布作用，箱形截面应作箱梁应力析。有推力拱温差及拱脚水平位移内力：利用弹性中心法公式查表计算，或利用有限元结构计算程序进行拱上建筑计算：进行拱上建筑的计算时应该考虑联合作用的影响，否则是不安全的。联合作用的计算必须与拱桥的施工程序相适应。若是在拱合拢后即拆架，然后再建拱上建筑，则拱与拱上建筑的自重及混凝土收缩影响的大部分仍有拱单独承受，只有后加的那部分恒载和活载及温度变化影响才由拱与拱上建筑共同承担；如果拱架是在拱上建筑建成后才拆除，那么全部恒载和活载以及其它影响力可考虑都由拱与拱上建筑共同承受；拱与拱上建筑的联合作用计算是解高次超静定问题，可以应用平面杆件系统程序进行计算。组合体系拱桥恒载内力：高次超静定结构必须采用有限元结构程序进行计算。最优吊杆张拉力:通过吊杆张拉力和系梁内预应力大小的调整可以使主拱与系梁基本处于受压状态。组合体系拱活载内力计算：采用影响线加载计算包络图，拱肋也必须用横向分布系数考虑车列的偏载。桁架拱桥计算：桁架拱桥是高次超静定结构，横载、活载以及各种次内力均必须采用有限元结构分析程序计算。活载计算必须考虑横向布系数。纵向稳定验算：细长比不大时纵向稳定性验算一般可表达为强度校核的形式，即将拱圈换算为相当长度的压杆，按平均轴向力计算，以强度校核形式控制稳定。细长比较大时可以按临界力控制稳定。横向稳定验算：板拱或肋拱可近似用矩形等截面抛物线双铰拱，在均布竖向荷载作用下的横向稳定公式来计算临界轴向力。有横向连接系的拱的横向稳定计算是一个较复杂的问题，通常可将拱展开成一个与拱轴等长的平面桁架，按组合压杆计算其稳定性。主拱变形计算、预拱度计算：一般验算拱顶挠度，拱顶挠度是由恒载和静活载（不记冲击力）产生的挠度，其值不超过跨径的1/800；当用平板挂车或履带车时，上述值可增加20%。当恒载和静活载产生的拱顶挠度不超过跨度的1/1600时，可以不设，预拱度的设置按照恒载加上1/2的活载进行计算。关键部位局部应力验算：对拱脚、拱肋与系梁连接处，吊杆的吊点，横梁与系梁连接处，均应进行局部应力分析。一般采用大型有限元程序结合模型试验进行。主拱内力调整：是指在不改变主拱截面的情况下采用各种方法来优化主拱的受力状态，主要的方法有：假载法调整悬链线拱的内力：当悬链线主拱某一控制截面的应力过大，而另一控制截面的应力有较大富余时，我们可调整拱轴线系数m，修正拱轴线；调整后的拱轴线即非恒载压力线，因此主拱截面在恒载作用下，即使不记入弹性压缩的影响，也要产生弯矩，用此弯矩来改善主拱截面的应力状态。2、临时铰法：修建主拱时，在拱顶和拱脚截面处设置铅板制作的临时铰，待成桥后将铰拆除。如果临时铰偏心安装则可能起到调整主拱内应力的作用，特别可消除混凝土收缩引起的附加内力。3、用千斤顶调整内力：将千斤顶平放在拱顶预留的空洞内，利用千斤顶对两半拱缓缓施加推力，使两半拱即分开又抬升。由于千斤顶施力时，拱被抬升使拱架易于卸出；同时拱桥基础立即产生的变形影响亦可消除；而调整千斤顶施力点的位置和加力的大小，即可达到调整主拱应力的目的。斜拉桥计算内容需要计算的部位：主塔、主梁、斜拉索、局部构件；主要荷载：恒载、预应力、活载、日照温差、常年温差、基础不均匀沉降、风荷载、地震荷载；计算项目：自重总体内力计算，活载内力计算，温差、基础不均匀沉降内力计算，横梁计算，关键部位局部应力验算，静力稳定性验算，风荷载稳定性验算，地震荷载作用下内力验算，主梁挠度计算。斜拉桥计算方法成桥状态合理索力的确定：刚性支承连续梁法。施工阶段斜拉索初张力确定：倒拆法，无应力状态法。自重内力计算：一般需采用有限元程序按施工过程进行模拟跟踪计算，简化方法只是用于早期的斜拉桥。活载内力计算：活载内力一般通过影响线加载计算。斜拉桥内力计算中的非线性因素：中小跨度斜拉桥可以不考虑非线性的影响，大跨度斜拉桥计算必须考虑以下几种非线性因素：1、 几何非线性：因为结构的变形较大，变形不能被忽略。2、 斜拉索垂度影响：一般折算为弹性模量的损失，即采用EANST公式修正弹性模量。3、 材料非线性影响：钢筋混凝土等材料在应力较高的情况下不符合虎克定理。横梁计算：横梁是空间受力，很复杂。要做空间分析才能说明清楚，简化计算时双索面斜拉桥按简支梁计算，单索面按悬臂梁计算。关键部位局部应力验算：斜拉索索力比一般预应力大很多，塔柱锚固区、索梁交叉点、梁体的锚固区均需特别作应力分析。主梁静力稳定性验算：斜拉桥主梁是受压构件，必须验算其稳定性，验算分两类；一类是稳定验算假定材料在失稳时仍处于弹性状态；一类是稳定验算（弹塑性稳定验算）假定某局部应力达到材料屈服强度时该局部发生屈服，全结构产生应力重分布，以此类推，其它截面也发生屈服，直到全结构退化为机动体系，结构失稳。抗风稳定性验算：斜拉结构刚度小，在风荷载作用下除产生静风压外，在空气动力作用下可能导致桥梁震动，当震动与结构自身频率发生共振时，可能导致结构失稳。抗风问题是目前斜拉桥计算的前沿问题，一般通过理论加试验的方法进行验算判断。弯矩简化计算在工程实践中常用简化的计算方法来计算桥面板的内力：多跨连续单向板（长宽比大于等于2）在弯矩计算时，先算出一个跨度相同的简支板在恒载和活载作用下的跨中弯矩，乘以偏安全的经验系数加以修正，以得到跨中支点的设计弯矩。悬臂板的内力计算悬臂板根部荷载弯矩时，最不利的荷载位置是把车轮荷载对中布置在铰接处。双向板的内力(长宽比小于2)利用弯矩影响线加载，或利用现成的弯矩图表来计算。有效工作宽度板在局部分布荷载作用下，不仅直接承压部分的板带参加工作，与其相邻的部分板带也会分担一部分荷载共同参与工作。即为有效工作宽度。规定：根据板的形式做分析，大约是沿45°向两边扩散。对于悬臂板，接近二倍悬臂长；对于单向板按照45°向边缘扩散。实际桥梁受力方式对于一座梁式板桥或者多片主梁，通过桥面板和横隔梁做成的梁桥，它们的受力特性属于空间结构范畴。当荷载作用在桥上时，由于结构的整体作用，各主梁不同程度的产生挠曲而形成一个挠曲面，显示了结构变形与受力的空间特征。横向分布计算思路在实际计算中，把近似的内力影响面在X和Y方向进行变量分离，采用两个单值函数的乘积来代替由一个双值函数表示的精确内力影响面。即：n(x,y)二n(x)n(y)。使桥梁空间结构的受力分析可以用荷载横向分布影响线n(y)结合主梁平面内力影响线n(x)来近似替换，即把空间结构的内力计算问题合理的转化为平面问题来解决。横向分布系数当把活载按横向最不利位置布置在荷载横向影响线上，求得各片主梁分配到的横向荷载的最大值为mo,此mo表示主梁在横向分配到的最大荷载比例，即称为荷载横向分布系数。横向分布系数的计算方法：杠杆法在横向把桥面板看作直接搁在横梁上的简支板，按简支梁的形式布载来求得结果，此方法叫杠杆法，适用于桥面结构互不相连的情况。刚性横梁法把横梁看作完全刚性的结构，将作用在偏离扭转中心的横梁上的集中荷载简化为作用在扭转中心荷载和作用在扭转中心的弯矩，以此分别计算其效应，把两者的结果相向叠加，此方法称为刚性横梁法。对于各片主梁的扭转，可以通过考虑主梁的自由扭转抗力矩修正。刚接梁法-铰接梁法把桥跨结构在纵向沿主梁连接处切开，分割成为单片主梁，切口处以赘余力取代，把整个结构看作为用这些赘余力连接起来的超静定结构，然后用力法求解。考虑相邻两片主梁结合处横向弯矩和竖向剪力赘余力的，叫做刚接梁法；只考虑竖向剪力的，叫做铰接梁法。G-M法对于主梁连续的桥面板和多横隔梁组成的梁桥，当其宽度与其跨度比较大时，将其比拟简化为一块矩形的正交异性板，用几何异性来代替材料异性，按古典弹性理论来进行分析的方法叫G-M法。次内力及其产生原因超静定预应力混凝土在各种内外因素的综合影响下，结构因受到强迫的挠曲变形或轴向伸缩变形，所以在结构多余约束处产生多余的约束力，从而引起结构附加内力，这部分附加内力一般统称为结构次内力（或称二次力）。我们主要研究预加力的次内力、徐变收缩次内力、温度次内力、墩台沉降次内力等。预应力次内力1、基本概念掌握初预矩、次力矩、吻合索、线性转换原则初预矩：预加力在每个截面上对重心轴所产生的弯矩值称为初预矩。次力矩：在超静定结构中，由于多余约束的存在，约束了结构的变形，产生了赘余反力，赘余反力在梁内引起的弯矩值称为次力矩。吻合束：应用线形原理，将预应力束筋的重心线转换至压力线上（即把由于次力矩引起的压力线和束筋重心线之间的偏离调整掉），此时可以使预加力的总力矩不变，而次力矩为零。称这种次力矩为零的束筋位置为吻合束位置。线形原理：超静定梁中，预加力产生的次力矩是线形的，由此引起的混凝土压力线和束筋重心线的偏离也是线形的；而混凝土梁的压力线只与束筋的梁端偏心矩和束筋在跨内的形状有关，与束筋在中间支点上的偏心矩无关。由此可见，只要保持束筋在超静定梁中的两端位置不变，保持束筋在跨内的形状不变，只改变束筋在中间支点上的偏心矩，则梁内混凝土压力线不变，亦即总预矩不便，这称为超静定梁中的预应力束筋的线形转换原则。2、计算方法1、用力法求解预加力次力矩（分连续配筋和局部配筋）2、用等效荷载法求解预加力的总预矩,即把预加力对混凝土的作用用等效荷载的形式来代替，然后再求解收缩徐变次内力1、收缩徐变的特点及对桥梁结构的影响收缩：混凝土在空气中结硬、体积变小的现象。徐变：混凝土中应力保持不变，应变随着荷载持续时间而增长的现象。收缩和徐变是混凝土作为粘滞弹性体的两种于时间有关的变形性质。收缩和徐变在成桥后会长期发生，不断变化，并引起结构内力重分布，对结构产生影响。典型的因为收缩徐变对桥梁结构产生的影响有：•钢筋混凝土、预应力混凝土等配筋构件中，随时间变化的混凝土徐变、收缩受到内部配筋的约束将导致内力重分布；•预制的混凝土梁或钢梁与就地浇筑的混凝土板组成的结合梁，将由于各组成部分具有不同的徐变收缩值导致内力的重分布。•分阶段施工的预应力混凝土超静定结构，发生体系转换时从前期结构继承下来的应力状态产生的徐变受到后期结构的制约，将导致内力和支点反力的重分布。•徐变对细长混凝土压杆所产生的附加挠度时验算压杆屈曲稳定的重要内容。2、收缩徐变的表示方法（应力-应变公式）根据研究的结果发现，当混凝土的应力不超过其极限强度的50%时，徐变表现出与初始弹性变形成比例的线形关系。在计算徐变次内力时，我们以徐变线形理论为基础，通过引入徐变特性系数，修正徐变初始用混凝土瞬时弹性应变来表示徐变应变，并由此得到考虑徐变的应力应变关系。式中：:混擬土徐变应变；:混閒土徐变开始时的瞬时弾性应变值；4徐变系数%厂零［1+曲四式中：气^巧：考虑徐变收缩的混閒土应变；加载初始时的混閒土应力；卩（匚厂）：徐变系数3、 收缩徐变次内力计算的两种思路1） 微分平衡:即狄辛格法，基于在时间增量内变形协调原理计算2） 积分平衡：即换算模量法，引入时效系数，直接建立超静定结构在t时刻的变形协调条件来建立方程求解。4、 收缩徐变次内力的总趋势墩台沉降次内力墩台基础的沉降与地基土壤的物理力学特性有关，一般随时间而递增，经过相当长的时间，接近沉降终极值。为了简化分析，我们假定沉降变化规律类似于徐变变化规律来进行计算。其基本的表达式为：”二S3）心）0（00川）式中：入d⑴:t时剽的疡台基础况降值；虫dd；他时刻烷白基础沉嗥线扱值：温度次内力一、温度对结构的影响温度对结构的影响可以从年温变化、日照温差和骤然降温三个方面考虑，其中年温变化温变缓慢，沿截面高度方向均匀变化，结构整体变形，内力变化也比较均匀，对超静定结构一般也不引起次内力，计算比较简单。日照温差和骤然降温都属于局部温度变化，其中骤然降温作用范围也是结构整体，引起较大的应力，但分布比较均匀。日照温差作用于局部范围，分布不均匀，将引起结构局部较大的应力变化而引起次内力。日照温差的计算是最为复杂的。二、温度自应力计算温度的自应力计算主要是确定温度分布后，利用混凝土线膨胀系数，形成温度荷载，并在截面内建立混凝土温度变形协调条件得到。根据内力自平衡原理计算而得。三、温度次内力计算当结构为超静定体系时，结构变形受到约束将引起次内力，此时可用结构力学对超静定问题的处理方法进行。墩台计算计算内容截面强度验算一般只适用于重力式墩台，由于重力式墩台主要是用圬工材料制作的，一般为偏心受压构件，截面强度验算采用分项安全系数的极限状态设计计算。稳定性验算包括纵向挠曲稳定验算和整体稳定验算。纵向挠曲验算按规范公式进行；整体稳定验算，主要又包括抗倾验算和抗滑验算。抗倾验算扩大基础的桥墩台须依最不利组合，并考虑水的浮力作用进行抗倾覆验算，一般只考虑纵桥向的稳定性。抗滑验算计算时应该按最高水位进行验算，主要是验算桥墩的抗滑强度。墩台顶水平位移验算对于高度超过20m的重力式墩台及轻型墩台，应验算墩台顶水平方向的弹性位移，并符合规定要求。按悬臂梁模型计算，不考虑上部结构对墩台顶的位移约束作用。盖梁计算柱式墩台中需要进行盖梁的验算。盖梁的计算包括内力、外力和配筋验算。由于盖梁施工中的荷载的不对称性很大，因此需要注意对盖梁进行抗倾覆验算，当盖梁与柱的刚度比较大时（＞5），按简支梁计算；较小时（＜5），按框架计算墩壁的局部稳定验算空心墩的计算中需要进行墩壁的局部稳定验算，可按板壳空间结构进行分析。而且局部失稳均在弹塑性范围内发生的。墩身的自振周期：空心墩中要考虑风振的影响计算其自振周期，计算时把高墩看成悬臂梁。考虑荷载恒载和水的浮力土侧压力汽车荷载的冲击力汽车荷载的制动力流水压力、冰压力船只或漂流物的撞击力地震力箱梁在对称荷载作用下的变形横向弯曲和纵向弯曲箱梁在对称荷载作用下的应力横向和纵向弯曲正应力和剪应力、剪力滞效应箱梁在不对称荷载作用下的变形横向弯曲、纵向弯曲、扭转、扭转变形箱梁在不对称荷载作用下的应力自由扭转剪应力、翘曲正应力和剪应力、畸变正应力和剪应力、横行正应力。箱梁在荷载作用下的各种应力和