混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计

1、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

2、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2550箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重,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

3、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

4、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,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,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tp和主压应力cp，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

5、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

6、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

7、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

8、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,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

9、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

10、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,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

11、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,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

12、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。

13、,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,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

14、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系数沿半跨长变化图,1号腹板弯矩横向分布系数沿半跨长变化图,2号腹板弯矩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,对于产生面外效应的局部荷载，如桥面板分析、预应力钢束在箱梁底板产生的外崩力效应等，则需要另行计算；折面梁格模型无法考虑剪力、扭矩在箱梁顶板、底板产生的剪应力，故无法得到顶底板的剪应力和主应力数值；优势在于反映截面上的正应力差异，即剪力滞效应；反映活载弯矩和剪力的横向分布效应；由于模型中包含横梁，故在同一个模型

15、中可以对横梁分析计算，并反映截面上的横向位移；折面梁格模型特别适合多腹板的混凝土宽桥分析。,桥梁结构的实用精细化分析模型,折面梁格模型的适用范围和优点,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,七自由度单梁模型,为单梁模型，满足平截面假定；第七个自由度为双力矩，产生翘曲位移。,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,“以折代曲”的有限元方法使弯桥在计算模型上没有特殊性，都可以归结为薄壁箱梁问题。对单梁模型表现为正应力放大系数（约束扭转翘曲）和剪应力放大系数（自由扭转+约束扭转）；弯箱梁桥内力弯扭耦合可以转化为应力弯扭耦合；弯箱梁桥外侧腹板重量扭矩补偿后可以解决外部反力问题；

16、采用七自由度单梁模型可以计算得到沿桥长的各放大系数的精确值；并可以直接用来进行全断面极限承载力计算。,桥梁结构的实用精细化分析模型,采用七自由度模型计算得到箱梁桥的薄壁效应系数,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,七自由度模型是单梁模型，故仍然需要“放大系数”以表征薄壁效应。七自由度模型的特点是可以分离自由扭转和约束扭转，可以精确计算出沿着杆轴有限元划分各单元的上述放大系数。正应力放大系数乘以弯矩就是七自由度模型的弯矩设计值；剪应力放大系数乘以剪力就是七自由度模型的剪力设计值。弯矩和剪力放大系数在极限状态同样适用。,桥梁结构的实用精细化分析模型,采用七自由度模型计算得到箱梁桥的薄壁效应系数,混

17、凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,七自由度弯梁桥模型是单梁模型，依然遵循截面刚性周边假定，遵循全截面的平截面假定；七自由度单梁模型适合于整体分析，但与六自由度计算方法一样，需要考虑剪力滞效应；对于产生面外效应的局部荷载，如桥面板分析、预应力钢束在箱梁底板产生的外崩力效应等，则需要另行计算。优点：单梁模型计算方法熟悉，针对面内受力分析；可以通过计算得到不同类型直线箱梁桥和弯箱梁桥的薄壁效应放大系数，特别适用于弯箱梁桥。,桥梁结构的实用精细化分析模型,七自由度模型的适用范围和优点,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总结,桥梁结构的实用精细化分析模型特点,实用性：可以直

18、接联系配筋（相比块体单元）精细化：拆解了空间效应（相比单梁模型）,块体模型的局限：局部效应和整体效应难以分离；无法联系配筋方法及获得承载力；尚不能完全满足桥梁结构的分析要求（预应力、活载、时间效应等）。,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,完整验算应力的要点,要点1面内受力和面外受力要点2每块板的三层应力,桥梁结构的实用精细化分析模型总结,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,一些解决方案,混凝土徐变研究:调整参数考虑箱梁各板件的混凝土龄期的差异新的混凝土徐变模型,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,抗裂能力,主拉应力,x,y,竖向预应力,“零弯矩法”,体内体外混

19、合预应力配束,预应力束产生的弯矩用以平衡自重,一些解决方案,“零弯矩法”,受压构件,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,更大的偏心距,更大的自重,更多预应力,虽然有成效（没有裂缝，没有过度下挠），但却是恶性循环:,一些解决方案,“零弯矩法”,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,一些对策,与剪切配筋联系起来,挠度由两部分构成:混凝土徐变导致的下挠，在工程精度内可预测由裂缝开展和钢筋作用失效带来的不可预测的下挠,“过度”下挠的部分原因在于剪切裂缝,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,混凝土和钢筋的联合抗

20、剪机制是目前各国规范中各种抗剪配筋方法的差异所在，这反映在三个方面：混凝土的抗剪贡献以及贡献机制抗剪钢筋的配置形式及贡献机制抗剪钢筋的配置数量（数学模型）,箱梁截面腹板的剪切配筋,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,西方规范：反映腹剪破坏模式的桁架模型,中国规范：极限脱离体的弯剪破坏模式实质上的斜截面抗弯破坏,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,中国规范采用的脱离体理论，高估了混凝土的抗剪贡献，造成剪切配筋不足，一旦出现剪切裂缝钢筋马上屈服！,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,1.剪切配筋方法的缺

21、陷：导致出现的斜裂缝较宽、斜裂缝处的抗剪钢筋屈服；2.指标应力的缺失：导致在箱梁各板件或结合梁混凝土桥面板中出现贯穿板厚的斜裂缝；结论：大跨径预应力混凝土箱梁桥的开裂下挠病害不光是一个弹性阶段开裂的问题，同时更是极限阶段钢筋屈服的问题，必须对顶板、底板和腹板的面内剪切配筋重点关注；同样适用于钢砼叠合梁。,开裂下挠病害成因,混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治,混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计,对于仅配置竖向箍筋作为抗剪钢筋的混凝土腹板，斜裂缝出现时主压应力大幅增加（经典桁架理论认为是原来的2倍）对二维主拉应力产生的面内开裂的加固就要非常小心：必须通过精细的计算分析，并重点关注加固后的效应，特别是二维应力的效应，否则有可能反而得到负面效果,混凝土箱梁桥