中层管理-混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计 精品.ppt

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1、徐徐 栋栋 同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系2015 2015 年年 8 8 月月主主 要要 内内 容容 实际工程中出现的问题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）整体受力裂缝（规范中包含的验算项） 实际工程中出现的问题实际工程中出现的问题局部局部受力裂缝（规范没有对底板的验受力裂缝（规范没有对底板的验算要求，但设计采用简化计算）算要求，但设计采用简化计算） 实际工程中出现的问题实际工程中出现的问题 规范中缺失的验算项规范中缺失的验算项 腹板斜裂缝腹板斜裂缝腹板斜裂缝腹板斜裂缝腹板斜裂缝是出现最多的梁体裂缝，其特征为：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

2、一般呈裂缝与梁轴线一般呈25 50 箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重8910567462#墩1234567891011121332113121163#墩3 3箱内-下游腹板箱外-下游腹板变截面预应力混凝土梁式桥底板纵向裂缝变截面预应力混凝土梁式桥底板纵向裂缝 混凝土桥梁的结构开混凝土桥梁的结构开裂情况及其原因分析裂情况及其原因分析 根本原因：根本原因： 现行规范诞生于仅考虑竖向剪应力的窄梁，现行规范诞生于仅考虑竖向剪应力的窄梁，“有效有效分布宽度分布宽度”的概念遗漏了翼缘板中的的概念遗漏了翼缘板中的面内剪应力面内剪应力。 解决问题的方法：解决问题的方法：

3、 增加对混凝土各板件的应力验算要求。增加对混凝土各板件的应力验算要求。 工程实用价值：工程实用价值： 使混凝土箱梁桥开裂下挠之使混凝土箱梁桥开裂下挠之“开裂开裂”的问题有的问题有更更完整的完整的审查。审查。 增加验算项对计算分析提出更精细的要求。增加验算项对计算分析提出更精细的要求。要点要点 1 面内受力和面外受力面内受力和面外受力要点要点 2 每块板的每块板的三层应力三层应力面外（反映局部荷载）面外（反映局部荷载） 面内（反映整体荷载）面内（反映整体荷载） 面外应力面外应力 面内应力面内应力 板的三层应力板的三层应力 整体效应下的面内应力整体效应下的面内应力 局部效应下的面外应力局部效应下的

4、面外应力 箱梁桥的完整验算应力箱梁桥的完整验算应力 混凝土桥梁的结构开混凝土桥梁的结构开裂情况及其原因分析裂情况及其原因分析u 完整验算应力完整验算应力单箱单室截面单箱单室截面9个重要的验算应力个重要的验算应力cy,pv、cy,ph、cy,t、cy,l由竖向预应力钢筋的预加力、横向预应力钢筋的预加力、箱室内外温差和汽车荷载产生的混凝土竖向应力2tpcxcycxcy2cp22cycy,pvcy,phcy,tcy,=lpepvcy,pvp= 0.6nAbspepbpns00nsin=ASV SbIbI预应力混凝土受弯构件由预应力混凝土受弯构件由作用频遇作用频遇组合和预加力产生的混凝土组合和预加力产

5、生的混凝土主拉应力主拉应力tp和主压应力和主压应力cp，应按下列公式计算：应按下列公式计算：u完整验算应力的意义完整验算应力的意义 能够解释上面提到能够解释上面提到的所有结构开裂现象的所有结构开裂现象u完整验算应力的意义完整验算应力的意义 桥梁加固的首要工作桥梁加固的首要工作局部效应验算局部效应验算整体效应验算整体效应验算u完整验算应力的意义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完整验算应力理念可拓展至组合桥梁的混凝土桥面板桥面板桥面板简化模型简化模型空间网格模型空间网格模型u完整验算应力的意义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完整验

6、算应力理念可拓展至组合桥梁的混凝土桥面板 桥梁结构的三种主要空间效应桥梁结构的三种主要空间效应u 薄壁效应薄壁效应：直箱梁桥、弯箱梁桥：直箱梁桥、弯箱梁桥现行方法：采用放大系数估算现行方法：采用放大系数估算u 各腹板的荷载分布各腹板的荷载分布：多腹板宽箱梁桥：多腹板宽箱梁桥问题：问题： “横向分布系数横向分布系数”在箱梁结构中的适用性？在箱梁结构中的适用性？u 剪力滞效应剪力滞效应：宽翼缘箱：宽翼缘箱(T)梁桥、钢砼叠合梁桥梁桥、钢砼叠合梁桥问题：问题： “有效分布宽度有效分布宽度”仅适用于某种特定结构状态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）。（常采用成桥

7、结构）、适用于窄梁（剪应力为竖直方向）。u 箱梁薄壁效应箱梁薄壁效应自由扭转剪应力自由扭转剪应力 自由扭转自由扭转约束扭转约束扭转约束扭转剪应力约束扭转剪应力 约束扭转翘曲正应力约束扭转翘曲正应力 弯曲剪应力弯曲剪应力 第第1 1步：步：“大包小大包小”第第2 2步：有效分布宽度步：有效分布宽度宽箱梁到简单工字型梁的过程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单梁模型对于宽箱梁计算的局限性第第3 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 单梁模型对于宽箱梁横向分布计算的局

8、限性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横向分布系数计算方法的局限u 简支条件简支条件u 所有腹板下均有支座所有腹板下均有支座 纵横向图形相似纵横向图形相似u 剪力滞效应剪力滞效应采用同一个工字型截面采用同一个工字型截面 u 剪力滞效应剪力滞效应40米简支梁各划分梁的正应力分布米简支梁各划分梁的正应力分布 u 剪力滞效应剪力滞效应10米简支梁各划分梁的正应力分布米简支梁各划分梁的正应力分布 u 剪力滞效应剪力滞效应40米梁轴力作用于米梁轴力作用于1#梁时，各划分梁的正应力分布梁时，各划分梁的正应力分布 u 剪力滞效应剪力滞效应10米梁轴力作用于米梁轴力作用于1#梁时

9、，各划分梁的正应力分布梁时，各划分梁的正应力分布 u 空间网格模型空间网格模型： 特点：特点： 最为全面的实用精细化模型。最为全面的实用精细化模型。u 折面梁格模型折面梁格模型： 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。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。u 7 7自由度单梁模型自由度单梁模型 特点：针对薄壁效应的单梁模型；是实用经济的精细化模型。特点：针对薄壁效应的单梁模型；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针对桥梁结

10、构空间效应的实用精细化分析模型 一个箱梁截面的空间网格划分一个箱梁截面的空间网格划分 u 空间网格模型空间网格模型反映剪力滞效应的截面正应力反映剪力滞效应的截面正应力 u 空间网格模型的构成及应力表达方式空间网格模型的构成及应力表达方式空间网格模型由空间网格模型由6 6自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算结果采用结果采用“阶梯阶梯”型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。 阶梯型表达的弯曲剪应力阶梯型表达的弯曲剪应力 u 空间网格模型的构成及应力表达方式空间网格模型的构成及应力表达方式空间网格模型由空间

11、网格模型由6 6自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算结果采用结果采用“阶梯阶梯”型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。 自由扭转剪应力自由扭转剪应力 约束扭转剪应力约束扭转剪应力 u 空间网格模型的构成及应力表达方式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约束扭转翘曲正应力 u空间网格模型与完整验算应力是一一对应关系空间网格模型与完整验算应力是一一对应关系立面立面横截面横截面 空间网格模型与厚板单元模型计算结果的比较空间网格模型与厚板单元模型计算结果的比较结构划分结构划分截面划分截面划分 u

12、空间网格模型空间网格模型 u比较模型比较模型 ANSYS厚板单元模型厚板单元模型 自重作用下的位移自重作用下的位移: a) 跨中跨中; b) 四分点四分点反对称集中荷载作用下位移反对称集中荷载作用下位移 : a) 跨中跨中; b) 四分点四分点 纵向正应力纵向正应力: a) 跨中跨中; b) 四分点四分点 箱梁顶板的剪力滞系数箱梁顶板的剪力滞系数: a) 跨中跨中; b) 四分点四分点 反对称集中荷载作用下的翘曲正应力反对称集中荷载作用下的翘曲正应力: a) 跨中跨中; b) 四分点四分点四分点横向弯曲应力四分点横向弯曲应力 : a) 顶板顶板; b) 底板底板 四分点剪应力分布四分点剪应力分

13、布: a) 自重作用自重作用; b) 反对称集中荷载作用反对称集中荷载作用 应用之应用之 钢钢混凝土叠合梁桥混凝土叠合梁桥全桥空间网格模型全桥空间网格模型截取一个节段截取一个节段截面划分截面划分 u空间网格模型的意义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。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虽然一些有限元模型在某些方面更加精细,但与配筋建立但与配筋建立直接联系尚存较大困难，影响了其直接联系尚存较大困难，影响了其“有效性有效性”。 空间网格模型中单元的材料不一定是混凝土，也可以是空间

14、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。为复杂截面提供完整验算应力。 折面梁格模型折面梁格模型u 宽箱梁结构中横向分布和剪力滞的关系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）采用致密划分的宽箱梁截面（剪力滞效应无需单独考虑） u 折面梁格模型的划分示意折面梁格模型的划分示意234567a 纵梁编号1阶梯形正应力分布 采

15、用折面梁格模型计算得到宽箱梁桥各道腹板的横向分布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宽桥的常用支座布置 0 号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图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号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图 2 号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图 0 号腹板弯矩横向分布系数沿半跨长变化图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号腹板弯矩横向分布系数沿半跨长变化

16、图 u 对于产生面外效应的局部荷载，如桥面板分析、预应力钢束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；在箱梁底板产生的外崩力效应等，则需要另行计算；u 折面梁格模型无法考虑剪力、扭矩在箱梁顶板、底板产生的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；剪应力，故无法得到顶底板的剪应力和主应力数值；u 优势在于反映截面上的正应力差异，即剪力滞效应；反映活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，故在同一个模型中可以对横梁分析计算，并反映截面上的横向位移；个模型中可以对横梁分析计算，并反映截面上的横向位移；u 折面梁格模型特别适合多腹板的混凝土宽桥分析。折面梁格模型特别适合多腹板的混凝土宽桥分析。 折面梁格模型的适用范围和优点折面梁格模型的适用范围和优点 七自由度单梁模型七自由度单梁模型u 为单梁模型，满足平截面假定；为单梁模型，满足平截面假定；u 第七个自由度为双力矩，产