（岩土工程专业论文）t型刚构体外预应力加固研究分析.pdf

摘要 摘要 体外预应力足无粘结预应力的一种。由于它在使用上的优点：受力途径明显、 颅应力钢束损失可以补拉、粱体无截面削弱、摩擦损失小等，使其在桥梁结构中 得到广泛应用。随着经济的迅猛发展，我国有大量的桥梁由于超载、使用年限的 增长等原因使其的承载力大大下降，许多桥成为了危桥，重建桥梁既影响了原有 交通又需要耗费臣额的资金，因此桥梁的加同j 维修势在必行。体外预应力加吲 桥梁是一种有效简便的方法。特别适用于我阚五六十年代大量修建的t 型刚构桥 梁。 本文对体外预应力加固t 型刚构桥梁的基本理论进行了分析，并结合紫坭大 挢工程实例对其有限元进行了分析，在此基础上提出了合理、安全的桥梁加固没 汁；通过对t 构不同预应力损失情况的分析，得出预戍力拟失与t 构端部挠度 的拟和曲线关系式；通过结构的温度梯度及整体温度分析，表明温度萄载对结构 的挠度有一定的影响；通过端部挠度可推算预应力损失值；对挂粱( t 梁) 运用 b r c a d 进行模拟计算，得出在汽一2 0 、挂一1 0 0 作j = j 下支座处反力的儿种丁况； 运用刚性横粱法在牛腿的支庵处施加荷载并对其进行受力分析；对体外预应力钢 秉的锚固端( 牛腿) 进行了实体的有限元细部分析，根据锚崮端实体应力及变形 结果，得出锚固处应力梯度的变化规律，为锚固的设计及选用提供了可靠的依据。 关键词：体外预应力加固，t 型刚构，有限无模型，预应力损失 厂乐上业大学：【学硕t 1 学位| 仑文 a b s t r a c t e x t e m a l p r e s t i s s i n gi sa k i n do fn of e l tp r e s t r e s sb e c a u s eo fj t ss t m n gs i l i t ：f o r c e a p p m a c h i sc l e a r ；t 1 1 ep r e | 仃e s sl o s sc a nc o m p e n s a t eb ya n o t h e rd r a 、v l n g ；t h e ! ；e c t i o n o ft t l eg i r d e ri sn ow e a k e n i n gt h e1 0 s so f衔c t j o ni sl o we t c ，w c hm a k ei tu s e d w i d e l yi nb r i 电em 衄e w i 协t l l ee c o n o m yd e v e l o p i n gq u i c k ly t h e r ea r em a n yb r i d g e ， w h i c hb 鼢“n gt h ew e i 曲to f a b i l 崎h a v eb c c nd c c l i n e db e c a u s eo f o v e rl o a d i n ga 1 1 d a p p r o a c h i n g t on x e dn u m b e ro fu s e dy e a r ，m a n yb r i d g ea l i nd a n g e r ，、 ，h e r e a s r e b u i l d i n gt h en e wb “d g e s 、“l le x p e n dm i mc a p i 乜l ，s o “i si m p e m t i v eu n d e r 廿l e s i t u a t i o n t h ee x t e m lp r e s 仃e s si sab r i e fr c i n f o r c e dm e 船u r ee s p e c i a l l yt o m a n y t _ r i 西d i 坷b r i d g eb u i l ti n5 0 一6 0 s r h ep a p c ra 皿l y t h eb 船i ct h c o r ya b o u tr c i n f o r c e dm e a s u r e b yp r e s n e s so u t s i d e ， c o n t e m p d 嘶i ya 腿l y s et h ez i n ib r i d g eu s e d f i n i t ee l 锄e n t ，b “n gf o r w a r dt h er a t i o n a l a n ds a f ep r o c e s so nr e i n f o r c e dd e s i g n d r a wt l ec u eo ft h ef l e x i b i l i t ya n d p r c s t r e s s 1 0 s sb y c o n t r a s t i n g t h ed i f f b r e m p f e s 弓s sa 1 1 dc o r r e s 眇i d i n gn e x i b i l i t y ；a n a l y s i n gt h e c o 咖e c t i o no ft h e 搬n p e m t u i 蓼a d sa n de i l dn e x i b i l i 吼t h er c s u l ti st h a tt h ct l e t e m p e m t u r eg r a d sa 丘b c tt h es e c 石o ns 仃e s sa i l de n df l e x i b j l j 母t 0 0 t h f u j l mw h e r e a sm e s y s t e mt e i n p e r a t u r ea h e c te n df l e 妇b i l i t yg r e a t l y ；a n a l y s i n gt h eh a n gg i r d e r ss 诅m sb y b r c a d s i m u l a t i n gc a l c i l l a t e ，a l l dd m w t h es u p l ) o r tr e a c t i o no nt h ec o n d i t i o n 廿i a t q ( ：一2 0 o rg c - l o o ；m 柚a 垂n gt h em e t h o do f r i g i d i t yb e 甜nt o l o 砌n gn i u t u j ； a n a l y s i n gt h es t f s so f a n c h o rp l a c eb yf i n i t ee l e m e m ，d r a w 廿1 er e s u l to fe n t i t ys t r e s s a n dd i s t o n i o n ，k i l o wt h er e g i o na b o u tb i g 西s hs 仃e s s ，o 仃e “n gc r e d i b i l i t yr c s u l tf o r d e s i g n i n ga n c h o r - b l o c ka n a l y z i n g z i n ic a no 行e ral o 舀c a lm e t h o df o rs i m i l a rt r i 峦d 疗a m ea n dai o a d i n gp r e d i g e s h n gm e a n s k e y w o r d s ： e x t e m a l l yp f e s 仃e s s e ds 仃e n 舒h e n i n g ，tr i 舀d 仔a m e ，i = i l l i t ee l e m e n t m o d e l ，p 瑚t t e s s1 0 s s ，c n dd e f l e c t i o n i l 第一章绪论 第一章绪论 1 研究课题提出的背景和意义 在2 0 世纪7 0 年代末9 0 年代初我国修建的大跨粱式桥中，带挂粱的预应 力t 型刚构桥是主要桥型之一，基于当时的车辆和各方面的发展规划，桥梁的设 计等级普遍偏低。设计荷载一般为：汽车一l o ，拖车一6 0 ；汽车一t 5 ，拖车一8 0 。 随着国民经济的迅猛发展和人民生活水平的提高，无论公路还是铁路的客流、货 流都迅速增加，于是对沿线的桥梁在强度、刚度、耐久性等诸多方面提出了更高 的要求。 桥梁在运营期间不可避免的会产生裂缝、混凝士破坏、保护层剥落、钢筋锈 蚀、防水失效等缺陷，对其结构的耐久性和承载力有极大的影响，因此桥粱的加 固处理追在眉睫。如果不立即采取措施，可能导致灾难性后果。 据已成功加固的既有桥梁的经济效益对比发现：用于维修和加固的费用约为 新建一座桥梁造价的2 0 一4 0 ，不仅如此，由于对既有桥粱的维修和加涸具 有周期短、见效快、简单易行、施工方便等优点，尤其加固过程是不需中断交通 和航线，这种加固方式能带来更大的间接经济效益和社会效益。桥梁的加固方法 有很多，到目前为止，国外桥梁加固维修的主要方法有：增大截面加固法； 体外预应力加固法；矫贴纤维增强塑料加固技术：粘钢、包钢加固技术； 钢筋锚固( 植筋) ；增设支点加固法；喷射混凝士加固法；改变桥梁横向 分布系数法。体外预应力加固作为一种施工方便、行之有效的加豳处理方法，具 有广阔的应用前景与研究价值。 体外预应力结构体系是后张法预应力结构体系的个重要分支，该方法产生 于法国，由e u g e n f 端y s s i n e t 首次应用。只是由于当时体外索防腐蚀问题尚未 很好解决，再加上体内预应力结构的优点被充分强调并得到大量应用，导致r 体 外预应力技术的发展滞后。直到上世纪7 0 年代。随着斜拉桥的大量兴建，防腐 技术的不断发展，以及人们对体内预应力“自然防腐”效果的重新认识，使体外 预应力技术得以重新焕发生杌 n 。 在预应力混凝土粱中体外索及其管道位置不占用粱体截面。因此在设计上二可 以减少桥梁结构的厚度，进而减轻桥梁自重，提高结构的整体承载能力。同时， 由于体外预应力设计为可更换索，较体内预应力可以延长桥梁的使用寿命；又由 广东工业大学工学硕士学位论文 于这种设计不受桥梁结构限制可以进行大股集中布柬，从而提高了预应力效率： 此外，体外预应力在施工过程中不需注浆，从而简化了施工工序提高r 工程质 量。 首座体外预应力桥梁是美国的弗罗里达州的长键大桥，出法国工程师m 证1 e 彳 在1 9 7 9 年设计。在法国由于体外预应力施工方便、质量容易控制和检测，近几 年来受到政府的大力支持，大量桥梁采用体外预应力，如跨海峡的雷岛大桥、诺 曼底大桥等。在美国，由于其经济性与混凝土叠合粱相媲美，体外预应力主要被 用在大型桥梁的引桥、城市高架桥和轻型快速千道等方面。在日本，建造了坦拉 式体外预应力( e 柚o d o s e d p r e s 嘛s i n g ) 结构的桥梁，有小田原港桥、冲原桥和 蟹泽桥等。近年来，在亚洲、欧洲，城市高架邋路、快速交通干道已经大最采用 体外预应力结构形式。 在我国自2 0 世纪5 0 年代以来，预应力技术得到迅速发展，而无粘结预应力 技术的研究开始于2 0 世纪7 0 年代。体外预应力在桥粱加固中的应用茸先是普通 混凝土梁加固，从8 0 年代开始，有关技术人员做了研究工作，成功应用体外预 应力进行了加固。 近几年来，体外预应力对预应力连续箱粱桥等的加固有许多成功的例子。 由于体外预应力连续箱梁桥的粱体在不同的部位正弯矩和负弯矩交替出现，箱体 的内力分布相对t 构悬臂箱梁小且均匀。对连续箱粱的加固主要手段是采用体外 预应力加固技术，常见的是在箱体内( 二缘、侧面、下缘) 布设一定数量的体外 预应力筋束，以补偿体内预应力的不足，达到控制裂缝的扩展和产生，提高连续 箱梁的强度和刚度。例如：厦门3 2 4 国道坂头大桥建于1 9 5 3 年，为连续梁桥， 1 9 9 5 年进行加固处理，采用8 束镪绞线的体外预应力( 直束) ，每柬张拉力为1 6 4 吨，安全使用至今。 2 论文研究的主要内容： 由于国内目前还没有完善的桥梁结构加固技术规范，尽管有混凝土结构加 固技术规范【s 】( c e c s2 5 ：9 0 ) ，但是在桥梁结构维护加固的实际操作时，还有很 多小足。 本文的主要内容是：在大量查阅、收集有关国内外体外预应力加固的有关资 2 第一章绪论 料的前提下，结合专业知识，与实际工程相结合，先对某t 型刚构进行加固前承 载能力的计算；分析了t 构箱粱的有限元基本原理；分析了刚构设计与加固的基 本理论；运用b r c a d 对结构进行阶段分析及加固前后的截面正应力分析：体外 预应力铡束的计算、布置：对体外预应力加固t 型刚构技术做r 分析研究，主要 通过几种方案的有限元模璎对比得到体外预应力加固t 型刚构的合理方案：通过 m 】d a s 建立有限元模璎，分析不同预应力损失情况下t 构端部挠度的变化及各 个控制截面的l e 应力变化；运剧b r a c a d 分析加在牛腿的支座反力工况；对牛 腿细部进行结构离散，边界条件和预应力钢束的受力进行了合理简化处理，得出 结构在不同阶段的受力情况；运件jm t d a s 对牛腿建立实体的j 三维空间模型，分 析不同的支反力工况和体外预应力各个施丁阶段牛腿关键部位受力的细部分析； 对牛腿的锚吲处及腹板受拉部位作r 细部分析。 广东工业大学工学硕士学位论义 第二章空间结构有限元理论与t 构箱梁有限元分 析的基本理论 序言：箱梁截面由于其具有良好的结构性能，适应十在纵向配置正负预应力束 且悬臂浇筑的现代施工特点。因此，在国内外大跨径桥梁1 二程上得以广泛的应用 j 推广。箱型薄壁梁的受力分析十分复杂，尤其对于t 构的变截面箱粱，以及t 构的牛腿处的腹板及箱体的受力更为复杂，由于长时间的超载作用，使t 构的端 部f 挠以及上部顶板出现裂缝，t 构的加固迫在眉睫。通过对比可知体外预应力 加固是行之有效的加固方法。本章的重点即为t 型刚构体外预应力加固的有限元 分析基本理论。 2 1 箱梁的几种分析理论 ( 1 ) 弹性理论分析 弹性理论解是建立十经典弹性理论的基础解，包括正交异性板法、板理论、 板壳理论等。正交异性扳法是把横隔板结构比拟成正交异性板结构。其横隔板的 面积被假定在整个结构上均摊，然后从弹性理论中的边界问题出发，导出横隔板 结构的受力问题。板理论是由k u a n gh a nc h u 和e e e i o t td u d n i k 提出，把箱梁 看作是一种复杂式折板结构的分析方法。 ( 2 ) 能量变分法 能量变分法是由e r e i s s n e 提出，：蔗能景变分法中，引入两个广义位移，梁 的竖向挠度和描述翼板剪力滞的纵向位移差作为未知数，运用最小势能原理建立 微分方程，从而得到粱的竖向挠度和应力的解析锵，其优点不仪能确定应力分布 图像，而且能计算梁的挠度问题。 ( 3 ) 数值分析法 数值分析法主要是指有限元法和有限条法。 有限元法是解决各种复杂工程问题的一种行之有效的方法。自限冗分析箱型 薄蹙梁时，箱粱可以被看作是一个薄壁空问板结构或块体结构，有限元分析等截 面和变截面箱粱的截面应力和剪力是一种行之有效的方法。 4 第二章空闻结构有限兀理论与t 构箱粱有限元分析的基本理论 有限条法是从有限元发展出来的一种半解析法，与有限元法比较，它具有简 单、精度高、计算量小的优点。但有限条法用于变截面箱粱有一定的难度。 有限段法也是从有限元发展出来的一种半解析法，它是将箱梁视为一段一段 的单元拼装起来的结构。它具有计算最小、精度商、也适应于变截面箱粱的计算 问题。 随着电子计算机的发展，对于复杂的空间受力结构的分析有了较大进步，数 值分析方法在薄壁结构的受力分析中占据熏要的地位。由于计算机硬件、软件技 术的高度发展，完全应用有限元法求解空间结构的受力已成为现实。 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数字计算方法，是工程方法与 数学方法相结合的产物。可以用来求解许多过去无法求瓣的闯题。 2 2 有限元基本原理i 删 本文在进行薄壁箱梁桥分析时，采用了八节点三维的b r i c k 单元和二节点的 t m s s 单元。下面以八节点单元阐述有限元计算的理论基础。 2 2 1 形函数： 有限元位移法的基本思想是把一个连续的弹性体划分为耪干单元，在单元内 用分片插值的位移函数来描述单元的位移场。位移函数选样是否恰当决定丁有限 元的分析是否真实，为了得到真实解，位移函数必须满足如下条件： ( 1 ) 位移豳数必须反映单元的刚体位移。不仅单元内部变形能引起节点的位 移，其单元的变形也可以引起这一单元上的节点位移。 ( 2 ) 位移函数必须反映单元的常量应变。所谓常量应变是指单元体内与坐标 无关的应变值。可以想象随着单元的缩小，单元内应变趋于处处相等，其值就是 常量。 ( 3 ) 位移函数必须保证单元内部的连续性和单元之间的连续性。为了保证内 部的连续性必须选单值的连续函数作为位移函数。为了使单元之间相互连续必须 使单元与单元的公共节点具有相同的位移，以及两个单元交界处有相同的位移。 ( 1 ) 、( 2 ) 为完备性条件，( 3 ) 为协调性条件。 建立单元内部与节点位移之间的关系：秘 = f ，静r( 2 一i ) 5 一 ：銮三兰查兰三兰墨圭主竺垒兰 式中：p 为单元的内部位移向最 【】为单元的形状函数或称形函数 目r 为单元的节点位移向量 建立有限元基本方程时形函数起到寸+ 分重要的作用，单元的形状不同有不同 的形函数。 八节点三维b “c k 单元的形函数 l 像叩，f ) = ；( 1 + 参善x l + 聃叮x l + f ) ( j = l 2 3 ，8 )( 2 2 ) 受力分析：位移、应力、应变 八节点三维等参元的位移函数可表示为： 八节点等参元的应变表示为 囊 = i g y 占。 k ( 2 3 ) 式代入( 2 - 4 ) 式 酋 = 陋舡r 融| 龟x 踟| 孤 幽 髓 抛加 a v 苏 加却 一一 越卸 舭却 玉缸 6 oo m o o 鹄 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 嘶u似啦n肌以如似 m o o o o m o o o o o o m o m o m 0 o ，。l = 、，fj 甜 v 坩 ，。，、l l | g k 1 = 掣oo 出 。掣o d v 0 o 婴 砂 o a m 如 盟 苏 8 n 融 o a n 越 0 8 n ： 毋 勰 a r ( 2 6 ) 由于形函数m 是在局部坐标系下描述的，因此将式( 2 6 ) 中的西， 批砂烈出写成a f 曾，帆d 玎，a m d f 的函数，故写出复合函数的 求导公式 = ，+ + 1 孙。，十+ 弦 ( 2 _ 7 ) = + + 菇 ；黔囫 7 f 2 8 ) j球1 = ，b 氐籼趣。一 f 印 p ， 善 玎， 等 、，、，i ：奎三些奎：主登老兰竺竺兰 m = 单元应力 【d j = 缸 = b ： o y 6 t t qt 口 孙气 孙磊，_ 8 ：_ k j = f d 怡 式中【d 】为弹性矩阵，可以表示为： l l l0 1 一l 一 l 1 j l o l 一l 一 lj l lo 。揣 o o 2 2 2 单元的刚度矩阵 000 0oo o o 0 o o n l 一2 ”硐 o o ( 2 - 9 ) f 2 一l m ( 2 一1 1 ) 根据虚功原理，单元上的节点荷载在虚位移f 二所做虚功等于单元的虚应变 能，即： 眠r ，泔= f 黔户) r d 矿 式中：娩r 为单元节点处的虚位移 髋r 为单元内部的虚应变 s ( 2 12 ) 。h。等日 磊磊名 。譬h。h 名磊名 。譬。 磊磊磊 瞎叻絮 丝由 o o o o 2一一 上雄 一p 一一黥 第二章守间结构有限兀理论与t 构箱粱有限几分析的基本理论 扣f 为单兀上= 的节点倚载 移r 为单元内的应力 由囊 = 陋酗r 及p = p 始 可得到：眠疗翻r = ，。陋拈撬对 d 瓿产d 矿 = 眠，y r 。缸r ) r 【d p r d 雌t y k r p y = 翻芦 k ，= 且，。眙r ， d p r = 龇j = 。噼y 【d 肼| l ，啪孵 ( 2 1 3 ) 2 2 3 有限元分析的建模方法 育限元分析中，结构离散化模型的建立足经济、可靠地进行结构分析的关键 所在为r 得到合理的有限元离散模型，在r 解有限元分析基本原理的基础l ：， 必须研究结构的离散模型。结构的离散包括三个方面：结构本身的离散化；作用 于结构卜力系的离散化；结构边界条件的离散化。 结构的离散化一般涉及单元类型的选择、组合形式的确定、单元网格的布局， 单元形态的选择以及单元和节点的信息化处理等问题。 2 3 刚构的有限元分析方法 对刚构的每个施_ t 段的块作为一个梁单元进行建模做整体的受力分析，然后 对每个单元进行单元分割，分割为五个部分，有利于更清楚的得到t 构各个截面 的受力情况；牛腿的受力情况分析则以三维的b f i c k 单元建立实体模型进行实体 分析：预应力钢束也以线单元( l i n k ) 进行建模。 2 4 薄壁箱梁桥结构分析 以单箱室对称截面箱粱为对象，建立结构空间分析的刚度矩阵及其求解方 稗。 9 广东工业大学工学硕j 学何沦文 位移模型及其平衡方程l 刎 如图2 一l 建立薄壁箱梁断面及分析的坐标系。 i _ _ _ 一一 ，鱼，乜一一 ， n ：d 7 一一一 一一 、o 。 y 一一_ d 亡j k ，j 4 啦、 “，7 一一坪；jd j f。 、 一 - ，j j x ： ， 寸：i i 二：= 二二，7 。 l ：，? 一一 f l g2 1t h e 吐l i i l 卅1 f f b o xg 们盯卸d 吡舯a 】y s l sc 0 0 r d 啪t es y s t e m 则节点位移列阵可写为： 落嚣麓艺蜴 韬瓷= b q ，v ，8 。，i ，c 。，8 ；，e 。， j ，v 啤，y l d j l 、 二 p r = 盼舅p # j s 截面剪切中心位置； g 截面畸变中心位援： “。形心g 位置沿j 方向( 梁轴方向) 位移 “。一剪切中心s 位置沿y 方向( 横向) 位移： 出，剪切中心s 位置沿：方翮( 竖向) 位移 日。、吼、眭分别为断面绕i 个坐标轴的角位移； - ，一扭转翘曲位移； i 勺畸变角； y ：畸变翘曲位移，v j ：皇 “r f 一上翼板最大相对剪切转角位移差。 1 0 兰：兰兰型釜丝立墨垄耋兰主：望丝篓立曼苎坌玺塑茎奎垩至 由于翘曲和剪力滞位移只在轴向产生，故薄壁箱梁的断面位移模型可写为 “( y ，：) = “。一少眭+ ：巳+ n ) 厂+ 。嵋+ 脚j f v ，：) = v ，+ y 以+ d 。l ，。 ( 2 15 ) “，：) = n 一( ：一：，x o + d 。f 式q j ： “，：) 、v ，：) 、圳莎，：) 一断面内任意点，二) 在二个坐标轴方向j 二的位移； d ，、琅、w 。一r 。= 1 或嵋= 1 所产生的三个方向的位移函数： w 、匕一厂= l ，f = 1 产生的轴向位移函数； e ，= 一执；ia x e t = 孤；| 瓠 单元平衡方程为 k k 。p ，。= 印乜。 ( 2 1 6 ) 式中： 杖= u 。，f ；。，mn ，m ，f n ，m 。，m 。，b q ，m m ，b _ ，n j ，f 7 ，m m ，f m9 ，m 。，b ，m d f ，b i f ( f ，j = 1 ，2 ，6 ，1 l ，1 2 ，1 6 ) 由弯曲变形分析给出：髟。( f ，j = 7 ，8 ，1 7 ，1 8 ) 由畸变分析 给出。 至三兰查兰三兰塑i ：兰釜竖兰 第三章刚构设计与加固的基本理论与加固方案 序言：本章讨论了刚构桥加固的基本假定，分析刚构桥的内力计算、温度衙载、 强度计算的基本理论；通过几种方案的对比，得出t 犁刚构桥的合理加同方案。 3 1 刚构桥加固基本假定 刚构桥的内力计算假定在结构处于弹性工作阶段进行，有关内力和截面的验 算应遵循以f 假定： 1 ) 高度和厚度变化较人的刚构桥，咀截面高度和厚度的中分点连线作为计算 的理论轴线。 2 ) 截面包括受拉区在内的全部混凝土截面，4 i 考虑钢筋的换算面积。对于箱 酗截向，无论其项板和底板的厚度如何，均全部计入计算截面。 3 ) 计算变形时，可以忽略轴力和剪力的变形，仅考虑弯矩的影响。但是计算 张拉作用所产生的次内力时必须考虑轴力对变形的影响。， 4 ) 梁和墩柱相交接的区域，其截面惯性矩与其它位置相比较大，此区域的变 形非常小，在计算内力时，可以不考虑此区域变形的影响。 3 2 刚构桥内力计算 3 2 1 恒载内力计算 恒载计算与所采用的施工方法有葭接关系。本桥采用悬臂浇筑法施工，结构 一肖足t 构的受力状态。每一段箱梁分为挂篮前移、浇筑、张拉预应力钢束i 个 施： 阶段，每个阶段都有不同的施工荷载，存在旌t 荷载的拆除和安装。恒荷载 的内力计算要求对每一施工阶段进行受力分析，确保各阶段的结构体系满足受力 要求。 3 2 2 活荷载的内力计算 在有限元分析中有梁单元时，一般的二维分析均采用横向分配的方法。根据 桥梁类型、形状、荷载的作用位置的不同，荷载的横向分布都会发生变化，尤其 第三章刚构设计与加固的基奉理论与加固方案 是形状稍微复杂的桥梁( 如斜弯桥、扩幅桥梁等) ，二维分析的荷载横向分布计算 尤其繁琐。桥梁三维模型的i 维空间结构分析，省却r 对荷载横向分布的计算， 使分析结果更接近于实际。三维空间分析已经成为各国桥粱分析的主流。 车辆的加载以：公路桥梁荷载( j t j o o 卜9 7 ) 标准车辆荷载，以0 c 一2 0 为例以 下为等效加载简图及横向折减系数： p 2 p ，一一一o r p 一一一卜一 d d 】d 1【) 2 d 3d 4 d 5 d6d 7 d 8 d d 31 等效加载简图 f i g 3 一le q u i v a l e n t1 0 a d i n gd i a g r a m 表3 1 各点的加载值 t h ble3 一l a p i e c e n ) dl o a dv a l u e 编号 l2346789 荷载 7 01 3 06 01 2 01 2 07 01 3 ( )7 01 3 0 ( 刚) 距离41 54 1 4l o41 54 结束 表3 2 横向折减系数 t a b l e3 2l a n d s c a p eo r j e n t a t i o nd e c r e a s ec ( ) e f 士i c j e n t !车道数12 3467 8 城市桥梁 i1o 80 6 7o 60 5 50 5 50 5 5 l公路桥梁 l1【) 7 80 6 7o ，60 5 5o 5 20 5 当桥梁计算跨径大于1 5 0 m 时戍考虑计算荷载效应的纵向折减。当为多跨 连续结构时，整个结构应按最大的汁算跨径考虑计算衙载效应的纵向折减。 _ 卜一 0 ，【；i口一 p j j 卫过 一 ，! 殳 广东r 业犬学工学硕士学位论文 表3 3 纵向折减系数 t a b le3 2 p o r t r a j td e c r e a s ec o e f f icie n t i l1 5 0 兰三 4 0 04 0 0 上 6 0 06 0 0 蔓l 8 0 08 0 0s 三 1 0 0 01 0 0 0 上 0 9 70 9 6o 9 50 刚0 9 3 1 ( 1 。：计算跨径：口：纵向折减系数) 3 3 预应力荷载 预应力是在结构没有外荷载作用下，预先在结构上施加的作用力，等结构受 到外荷载作用时，预应力荷载产生的截面预压应力与结构外荷载作用卜产生的截 面应力相互抵消，从而保证结构截面应力的安全。根据预应力倚载的大小结构可 以分为部分预应力结构和全部预应力结构。 3 4 温度荷载心3 1 计算空间梁单元的温度荷载内力时，假设梁内温度轴向即z 方向是常量，存 _ y 、：两个方向任意变化。由于是杆件结构，盯。= 仃：= o ，单元内任一点的应变 有下式计算： 即 e 一：旦+ 翻1 5 f 删 g 。蛆 ( ； v = 二曼 g ( 3 1 ) 由于温度变化不引起剪切变形，所以剪应变公式中没有出现温度，+ 。 假设节点z 、j 完全固定，即馨k = 扣) ，这时单元内任一点的应变也等于零， s 。= 7 。= y 。= o 于是单7 亡内力任一点应力： 盯，= 一e 口7 1 ，r 删= f 筘= r 口= o 4 ( 3 2 ( 3 3 ) 第三章刚构设计与加固的基本理论与加同方案 由此可得施工节点i 、，的温度荷载为： b 。= ( 3 4 ) 式中：爿= j e 鲥幽 s y = l e 北d a s ：= l e 翻，：d a 若温度足均匀的，h = 删口，s ，= s = = 0 。在计算时程序巾将x 轴方向设为 等温，即计算施工和成桥年温度差，y 、：轴方向温度7 1 为线性变化，计算i 二、 下缘的温筹，它可以模拟日夜渝筹和太阳| _ = = i 晒时的湍摩。 3 5 预应力混凝土受弯构件的强度计算 纵向的弯曲正应力和剪应力的计算是构件内力计算的主要部分。理论分析证 明，任何形状断面的构件，当垂轰于结构轴线的外力通过截面剪切中心时，构件 产生弯曲变形。当外力小通过剪切中心时，发生弯曲变形的同时还会产牛扭转变 形和歪扭变形。剪切中心的位置是由构件截面的几何形状所决定的，与外荷载的 大小或者类型无关。如果一个截面是轴对称的，则剪切中心一定在对称轴卜。如 果合力通过剪切中心，外力对截【f | ：f 只产生弯矩丽不产生扭矩。 日 s s ， ： 一o o o 一 一o o o s s 如虬，儿如 r ir 。“。期 r _ r 亍 f _ 孓一暮 f ，一一 = _ i 1 6 薹三量型望兰三= 主鎏詈墼兰銮登鎏耋蛰塑耋耋 m ，m ，= 坂一圭工) + 群4 ：魄一口：) + 吉仃二彤阮一口；) ( 。一。， 式中：m ，按公路桥梁规范( 第4 1 2 条) 规定计算得到的最大弯矩 m ，= 1 2 ( m 。+ m 。2 ) + 1 4 肘。( 汽车和人群荷载) m ，预应力混凝士受弯构件( 构件的承载力) 的破坏弯矩 、混凝土、钢筋( 预应力和非预应力筋) 的安全系数，乞= = 1 2 5 玩一截面的有效高度 口受拉区钢筋4 ，和一。的合力作用点至截面最近边缘的距离 一受压区钢筋一；和的合力作用点至截面最近边缘的距离 由上式可知，构件的承载力( m 。) ，与受拉区钢筋是否施加预应力无关， 但是对压区钢筋髟施加预应力后，上式等号右边末项的预应力筋由月：下降为 盯0 或者变为负值( 即拉应力) ，因而将降低受弯构件的承载能力( m ，) 和使用 阶段的抗裂度。因此只有在受压区确实有需要时再设置预应力筋：。 3 5 1 1 级向弯曲正应力 计算弯曲正应力的的一般公式为： 盯，。：丝 ( 3 7 ) 盯“2 l ：卜一，) 式中：盯m 一粱截面的弯曲正应力 吖一截面的弯矩； ，一截面惯性矩； y 一所求应力点到中和轴的距离。 3 5 1 2 弯曲剪应力 对于开口薄壁截面，一般在汁算级向弯曲剪应力时，构件自由边缘的剪应力 为零，选择这个积分零点便可应用通常所熟悉的剪力公式：= 鲁。式中 是 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 截面的宽度，s 。是由剪应力零点( 截面的自由表面) 到所求剪应力点对中和轴 的面积矩。在计算闭口箱形薄壁截面的弯曲剪应力时，一般无法预知剪应力零点。 计算时可先在截面上虚构一个切口，把闭口截面转化为开口截璇，计算初始剪力 流瓦。初始剪力流瓦的计算如同开口薄壁截面一样，取常见公式：孕。闭口 箱形截面的虚构切口破坏了该处的变形协调，为_ _ r 修复该切口剪力流的连续性， 必须切口处加上一个待求的赘余剪力流l ，由赘余剪力流t 在切口处产生的剪切 变形与初始剪力流只在切口处产生的剪切变形数值必须相等，并且方向相反。其 物理意义如图3 3 所示。剪力流正如同一样，沿着壁厚均匀分布。箱形截面总 的剪力流由z 和矗叠加得到。 n g3 ) b d s h e a r l n gs 咖g ma b 叫ts m 掣o b o x 由初始剪力流产生的剪切变形，n 沿壁周边积分为： 灿= f 有附加剪力流产生的剪切变形沿壁周边积分为： 汹= l 等s 变形协调条件为： f 西+ f 幽= o ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) 第三章刚构设计与加固的基本理论与加固方案 即 由此可以得到： f + f = 。 l ：擘 1 f 字 ( 3 一1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中r 一薄壁箱梁的壁厚 g 一一剪切弹性模量 如果单室箱梁截面关于y 轴对称，而且外力也与y 轴重合，则对称轴与截丽 交点处的剪力流瓦的值为零。将截面切口设在对称轴与截面箱壁的交点上，以此 切口作为积分零点，赘余剪力流i = 0 ，而r = 矗。 3 5 2 斜截面强度计算 预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度与普通混凝土梁的抗剪强度原则上是相 同的。由于构件的预应力阻滞斜裂缝的发生和发展，使混凝土的剪区高度增大， 因而抗剪能力有较大提高，则构件不出现剪切破坏的条件表达式如下： q j h 虹托+ g “+ q ，九) + q ，= + q 。 ：降塑垂笔立堕眠+ o ，z 凤眠 + 0 0 6 s s i n 口 奶一3 式中：q ，一按公路桥规( 第4 1 2 条) 规定计算的，通过斜截面受压区 顶端j 琢战面的最大计算剪力。 q ，= 1 2 似9 1 + m 啦j + 1 4 a ( 汽车和人群荷载) 一构件工作条件系数，受剪时取n = o 9 5 心、几一混凝土、钢筋强度安全系数，以= 以= 1 2 5 q 一混凝土抗剪强度( k n ) g 一箍筋的抗剪强度( 1 c n ) q ，一预应力所提高的抗剪强度( k n ) q 。一弯起的预应力钢筋的抗剪强度( k n ) 广东工业大学工学硕士学位论文 q “一斜截面内混凝土、预应力钢筋及箍筋共同的抗剪强度( k n ) 3 6 对t 构提出几种加固方案及其对比 t 型刚构桥几种加固方案的分析：加固设计的原则、力学性能分析、方案优 点、缺点以及方案的比选与确定。 3 6 1 方案一：体外预应力加固 体外预应力加固的使用范围及其加固设计的基本原则： 体外预应力加固的使用范围a ：由于各种损害引起的桥梁的承载能力下降： b ：由于某种情况要求提高结构的承载等级：c ：由于超载等作用引起的桥面端部 或跨中挠度过大及预应力损失引起的箱粱顶板出现裂缝的情况。 体外预应力加圃设计的基本原则。1 应满足a ：加固技术的实施不得影响桥梁 结构的正常使用b ：加固体系应作为永久结构考虑：c ：实施加固技术后不得使既 有结构的局部受损、应力及变形过大；d ：加固后的结构除应满足使用状态的要 求外，还应进行极限承载力校核，防止结构发生超筋破坏，保证极限状态下体外 预应力钢筋有足够的锚固强度。 a ：斜直柬 乏：= ! 、 i、 ： 、壁堕 图3 4 体外预应力钢束立面图( a ) f i g 3 4 e x t e r n a lp r e s t r e s s i n gt e n d o nc u t a - a yv i e w ( a ) 优点：本方案不仅提供正截面水平偏心预应力，还可以提供竖向体外预应力， 从而增强箱体的抗剪强度。另外，施工过程对桥面的影响不大。锚固 在牛腿，减少了锚块的数基。为了避免在牛腿打斜孔锚圊预应力钢柬， 设置了水平转向隔板。 第三章阿q 构设计与加固的基本理论与加固方案 缺点：由于悬臂端的预成力束偏f ，减少了体外预应力在箱体截面产， 三的正弯 矩，对箱体梁挠度恢复效果小些，需要较大的预应力，可能导致截面 压力过大。 h ：分段束方案箱体内锚围 牛腿铸崮 r ，罚一一一 u 一 新加体扑预应力钢束 一= 二二一。二：jl 一一一一一，一 f i g 3 5e n e r n a lp r e s t r o s s i n g t e n d o nc u t a w a yv i e w ( b ) 优点：可以根据不同断而的体内预应力损失量，布置体外预应力筋，对变截面箱 粱的受力较为合理，能充分发挥体外预麻力的作用，全部旌工在箱体内进 行不影响外观及桥面交通。 缺点：锚固端在体外预应力张拉后产牛的f i 利影响，对原结构的影响较为复杂； 在箱体上钻孔较多，对箱体的刚度影响较大；锚块数量多自重较大，使加 固效果明显下降。 c ：分段束箱体外锚固 将体外预应力钢绞线通过箱梁底板锚崮在箱粱的外面，在相应的锚固部分 钢扳粘书占，以保证局部麻力满足要求。 堡塑塑 堑塑苎堑堡堕塑塑曼篁堕! 堂壁 匹三j 巨葭了零季基建i 三谤 图3 6 体外预鹿力钢束立i 可图( c ) f l g 3 6 。x t c r n a lp r e s t r e s s i n gt e n d o n c u l a w a yv i e w ( c ) 喜一、 鬻。一 广东工业大学： 学硕士学位论文 优点：可以根据小同截两的体内预应力损失最及箱粱顶板的砼强度和裂缝情况， 对t 构箱梁不同截面施加不同的预应力补偿，充分利用预应力的性能。同 时预应力钢绞线通过在箱梁底板钻孔锚崮在箱梁的外而，即减轻了箱梁的 自重又为旎工提供厂方便，使锚固的工程量大大减少。 缺点：在箱梁底板钻孔较多，影响箱梁的刚度，体外预应力张拉后箱梁底板的锚 吲部位应力较大。 3 6 2 方案二：加大截面法 加大截面是通过在凿除原有混凝土的基础卜，打磨、清洗、置筋后再浇筑新 混凝土。 优点：结构的刚度明显增大，造价较低。 缺点：结构自重增加较大，内于自重引起的7 l 构端部挠度增加( 南于长时间的运 营混凝土的老化、预应力的损失等使t 构端部挠度已经过大) 。 3 6 3 方案三：粘贴钢板法 粘贴钢板法是在凿除原结构混凝土的基础上，涂抹环氧树脂然后糕睫占钢板， 根据所受弯矩的大小粘贴不同厚度的钢板。 优点：增大结构的刚度，且自重不是很大，截面形状变化小大，小影响桥梁的外 观。 缺点：施丁t 艺比较复杂，工期较长，影响桥面通车，并且不能改变原有结构挠 度较大的现状。 小结：综_ l ：所述，通过各种加固方法的对比可知，体外预应力斜直束的加固方 法施工简单、经济可行。斜直束不仅增加了t 构箱梁截面的剪力，同时将体外 预应力锚固在牛腿，也减少了锚固块的数量，使结构的自重也有所减轻，另外， 对结构的施工提供r 方便。 要璺薹翌芝耋銮篁耋：耋璺2 皇墨垄笙兰坌堑 第四章对紫坭大桥进行建模和有限元结构分析 序言：本章参考了紫坭大桥的检测结果，通过对紫坭大桥的有限元分析，建立 预应力损失值与结构端部挠度的关系，通过现场实测结构端部的挠度估算结构的 整体预应力损失值，从而对加固的体外预应力束的应力值的大小和位置进行合理 的控制；同时通过对结构的整体温度、温度梯度引起的端部挠度的变化及预应力 损火进行分析。 4 1 紫坭大桥概况、检测内容及结果 4 1 1 概述 紫坭夫桥位于番禺紫坭镇，是市桥至三善必经的一座桥梁。该桥全长4 2 0 米， 跨经组合为7 x2 0 + 4 0 + 6 0 + 4 0 + 7 2 0 ( 米) 。桥面净宽9 米，两侧人行道备j 米， 上二部主跨为6 0 米预应力砼t 型刚构，引桥为2 0 米普通混凝上砼t 粱，f 部结构 丰= 桥为箱犁空心墩，引桥为双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。设计荷载为汽车一2 ( ) 级，挂车一1 0 0 级。该桥于1 9 8 4 年设计，1 9 8 6 年建成通车。 鉴于该桥桥面铺装层破碎严重，于2 0 0 2 年1 1 月将该桥桥面铺装层全部凿除， 并准备对结构进行全面维修加固，为取得该桥在凿除桥面铺装后全桥详细情况， 广东省公路工程质量检测站于2 0 0 2 年1 2 月2 3 2 4 同对该桥进行全面检测，并 对紫坭大桥的现状做出了评估。 4 1 2 检测内容及结果 根据该桥的现状，t 要对该桥t 构、引桥t 梁、墩台墩身、桥面高程及砼强 度五部分进行检测。 4 1 2 1 主桥t 构裂缝检测“1 ( a ) 8 号主跨挂梁有两处被船撞击痕迹，其中位于跨中一处砼脱落月露筋 见图4 1 ： 广东工业大学工学硕i 学 奇沧文 型曼舅r - 魑堕堕。、2 堕! ! 壁堂藩筋 4 一l 混凝l t 脱落及露筋阁 ( b ) 8 号主墩t 构牛腿( 市桥向) 的垂直裂缝，经贴钢板处理后，已经趋 十稳定，没有产生新的裂缝及裂缝扩展现象，但顺德向对应的牛腿处 翼板开裂，裂缝距伸缩缝1 0 0 c m 左右，有渗水现象。 ( c ) 8 号主墩t 构箱梁卜游腹板中部有数条斜裂缝，裂缝间距1 0 3 0 c m ， 最长7 0 c m ，宽度0 1 5 帅，见图4 2 4 2 辛墩箱粱斜裂缝 ( d ) 部分加固粘贴钢板保护漆脱落、锈蚀。 ( e ) 8 号主墩t 构箱梁顶板出