（工程力学专业论文）高墩大跨径连续刚构桥结构安全性有限元分析.pdf

摘要 近年来，由于我国公路交通事业的迅猛发展带动桥梁结构的研究和发展， 长期的理论研究和工程实践表明外表朴实的连续刚构桥以其适应性强、施工方 便、投资少、经济效益高等优点得到了广泛的应用和研究。 但目前，大跨径预应力混凝土连续刚构桥而言，在国内有桥最高8 9 m 和墩 最高8 1 m 的报道，国外墩高在6 0 m 以上的较少。本论文的研究对象一重庆郁 江l 号特大桥墩高达8 8 m ，当属翦列水平。本论文的研究，将为深沟桥梁结构 形式比选提供科学数据，有力推动连续刚构桥梁的发展。 随着计算机软硬件技术的发展，将桥梁的局部结构甚至是整体划分为有限 单元来进行分析成为可能，桥梁结构分析从此有了革命性的突破。有限元分析 方法，将整个桥梁结构离散为能精确模拟其系载模式和变形情提的有限单元。 这样可详尽地表述结构的微观细节，通过有限元软件分析求解，可以求出各个 关心构件或区域的实际变形与应力。这种方法是目前结构分析最准确、最完善 的方法，也是在理性结构设计中，最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方 法。 本论文按照上构箱梁及主墩墩柱的实际尺寸和构造建立三维有限元计算模 型，按照施工和使用阶段的情况，载荷考虑结构自重、钢束拉力、挂篮重量、 横风、纵风等正常荷载，以及诸如不均匀静载、不同步施工、不对称风载、偏 心施工机具材料及其动力效应以及地震荷载等最不利受力状态的偶然荷载，并 将可能的荷载进行组合以寻求最不利的荷载组合，确保结构在最不利荷载的情 况仍然可以正常工作，并对该桥结构在懋臂施工和使用阶段的强震、雕发( 变 形) 、动力特性( 模态) 以及稳定性进行了空闻有限元计算和分析，参照公路桥 梁的相关设计规范探讨了大跨径预应力连续刚构桥的力学特点和使用性能、施 工中对钢绞线施加的预应力问题、地震、温度对结构的影响，以及在悬臂施工 中和正常使用阶段葡载的不利组合问题。 【关键阔 连续刚构桥强度刚度动力特性屈曲有限元法 a b s 仃a c t r e c e n t l y , f a s td e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a dd r i v e n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fb r i d g es t r u c t u r e t 1 1 el o n g t e r mt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lr e s e a r c hh a ds h o w nt h a tt h ep r e s t r e s s e dc o n t i n u o u sr i g i d f r a m e db r i d g e h a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g ha d a p t a b i l i t y , e a s yb u i l d i n g ，l i t t l ei n v e s t m e n ta n d l l i 曲r e b o u n d ，s oi th a dw o nw i d ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h a sf o r t h e l o n g - s p a n n e d p r e s t r e s s e dc o n t i n u o u sr i g i d f r a m e db r i d g ew i m h i g h - p i e r sb u i l ti nd o m e s t i c ，t h em a x i m u mh e i g h to f b r i d g eh a sb e e nr e p o r t e da s8 9 m a n dt h em a x i m u mh e i g h to f p i e ra s8 1 m w h i l et h eh e i g h to f t h ep i e ro v e r6 0 mi s f e w e rr e p o r t e do na b r o a d t h i st h e s i ss t u d i e st h es t r u c t u r a ls a f e t yo ft h es t r u c t u r eo f y u j i a n gc h o n g q i n g n o lb r i d g ew i t ht h ep i e r so f8 8 m h e i g h t t h es t u d yo f t h i st h e s i s w i l lp r o v i d ew i t hs c i e n t i f i cb a s i sa n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f t h i sk i n do f b r i d g e m e a n w h i l e ，w i mt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ea sw e l l a st h ec o m p u t a t i o n a lt h e o r y , i t sp o s s i b l et oa n a l y z et h es t r u c t u r a ls a f e t yb yf i n i t e e l e m e n tm e t h o db vd i v i d i n gt h el o c a ls t r u c t u r e sa n dt h ew h o l eb r i d g es t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a nd i v i d et h ew h o l es t r u c t u r e st of i n i t ee l e m e n t s w h i c hc a n a c c u r a t e l ys i m u l a t et h e1 0 a dm o d e d e f o i m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n t h em e t h o d i st h em o r ea c c u r a t ea n dp e r f e c tt op r e d i c tt h es t r u c t u r a lr e s p o n s e s i nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h er e a ls i z eo fg i r d e r - b o xa n dp i e r , t h e3 df i n i t e e l e r u e n ta n a l y t i c a lm o d e lw a ss e tu p ，c o n s i d e r i n gt h ev a r i o u sl o a d i n g si nt h ep e r i o d o fc a n t i l e v e r e db u i l d i n ga n dn o r m a lu s e i n c l u d i n gi nd e a d w e i g h t p r e s t r e s so n s t r a n d ，w e i g h to ft h eh u n gb a s k e t ，c r o s s w i n d ，t h r o u g hw i n d ，a sw e l la st h ew o r s t c o m b i n eo fa c c i d e n t a la b n o n n a l1 0 a d ss u c ha sd i s u n i f o r ms t a t i c1 0 a d a s y m m e t r y b u i l d i n g ，a s y m m e t r yw i n dl o a d ，d e c e n t r a l i z a t i o nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , n l a t e r i a l a n dt h e i rd y n a m i ce f f e c t ，a c c i d e n te a r t h q u a k el o a d i n g s ，e t c t h ea u t h o rt r yt of i n dt h e w o r s tl o a dc o m b i n a t i o nl o a d e do nt h es t r u c t u r ei no r d e rt oc a l c u l a t et h ed i s p l a c e m e n t s t r e s s e s ，m o d e so ft h eb r i d g e ，c h e c kt h es t r u c t u r a ls t r e n g t h ，s t i f i n e s s ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n db u c k l i n gs t r e n g t ho ft h es t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e g u l a t i o n ， e n s u r i n gt h es t r u c t u r a ls a f e t y t h et h e s i sa l s od i s c u s s e sa b o u tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r a n da p p l i c a t i o nc a p a b i l i t yo ft h el o n g s p a n n e dc o n t i n u o u sr i g i d - f r a m e db r i d g ew i t h h i 曲一p i e r s ，a n a l y t i c a lm e t h o dt h ep r e s t r e s so ns t r a n di nb u i l d i n g ，t h el o a d i n ga n d i n f l u e n c eo fe a r t h q u a k eo ns t r u c t u r ea n dt h e d a n g e r o u s 1 0 a dc o m b i n a t i o ni n c a n t i l e v e r e db u i l d i n ga n dc o m m o nu s e k e y w o r d s ：r i g i d f r a m e db r i d g e ，s t r e n g t hr i g i d i t y , d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s b u c k l i n g ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在我国公路建设的初期阶段，由于公路的总里程很少，汽车速度较低，公 路建设的主要特点是小投资，修长路，重通车、轻等级，桥梁的结构形式以简 支梁桥、拱桥、钢桁架桥等为主。随着我国交通运输事业的发展，特别是改革 开放以来高等级公路建设的迅速发展，对于路线指标的要求、造价与路线环境 的配合越来越高，许多合理、经济、美观的桥梁结构形式不断被研究、引进和 发展。大跨径预应力连续刚构桥由于自身得天独厚的优点倍受设计者青睐，在 近些年得到了越来越广泛的应用【1 】。 按照受力的特点，桥梁通常可以分为梁桥、拱桥、刚架桥、吊桥和组合体 系桥等几类，而预应力混凝土桥梁结构主要采用梁、拱、刚架或组合体系【2 j 。 梁式体系又可以分为简支梁、悬臂梁和连续梁，其承重结构是梁( 以梁的 抗弯能力承受荷载) 。拱式体系中主要承重结构是拱肋，拱肋以承压为主，可以 用抗压能力较强的圬工材料来修建；拱桥是有水平推力的结构，对地基的要求 较高，故一般建在地基良好的地区。刚架式体系中受弯的上部梁( 或板) 与承 压的下部柱( 墩) 刚性连接在一起承受荷载，梁因柱的抗弯刚度而得到卸载作 用，整个体系是压弯结构，也是有推力的结构。由两种或两种以上基本体系结 合而成的受力体系为组合体系，如梁与刚架组合的体系( t 形刚构、连续刚构 等) 、梁拱组合体系( 系杆拱、桁架拱、多跨拱梁结构等) 、斜拉桥( 承压的塔、 受拉的索与受弯的梁之组合体系) 。 各类桥梁都有自身的优势和缺限，长期的理论研究和工程实践表明外表朴 实的刚架( 构) 桥、连续刚构桥适应性强、施工方便、投资少、经济效应高。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 1 连续刚构桥的特点【3 】 墩梁固结是刚构桥的主要特点。由于主梁与墩台之间刚性连接，在竖向荷 载作用下，将在主梁端部产生负弯矩， 相应减小。刚构桥在竖向荷载作用下， 从而减小跨中的正弯矩。跨中截面可以 墩柱除了承受压力外，还承受弯矩。墩 柱一般也用混凝土构件做成，在竖向荷载作用下，一般都会产生水平的推力， 但是由于其墩梁之间的相对刚度一般相差很大，墩部产生的推力不大，基本可 以不计。刚构桥为超静定的结构形式，所以混凝土收缩、温度变化、墩台不均 匀沉降以及预应力等因素都会在结构中产生附加应力。 刚构桥的主要优点是： 外形尺寸小，桥下净空大，桥下视野开阔； 由于墩梁固结，省去了大跨度连续梁桥的支座，无需进行支座的设计、 制造、养护和更换，节省了昂贵的支座费用； 墩梁固结可以使得桥墩的厚度大大减小，约为梁在支点处的2 0 0 , 4 0 ，比t 形刚构墩厚小得多，可减少桥墩与基础工程的材料用量； 抗震性能好，水平地震力可以均摊给各个墩柱承受，不需要像连续梁桥 一样设置制动墩，或者采用价格昂贵的专用抗震支座； 墩梁固结便于采用悬臂施工方法，省去了连续梁桥施工中在体系转换时 采用的临时固结措施。 1 1 2 高墩大跨度连续刚构桥的结构特点 1 】 表1 1 列出了t 形刚构桥、连续梁桥和连续刚构桥优缺点的比较。 2 武汉理工大学硕士学位论文 表i - it 形刚构、连续梁与连续刚构桥优缺点的比较 桥型 优点缺点 1 ) 施工无体系转换； 1 ) 全桥伸缩缝的道数为桥孔数的两 2 ) 主墩无支座；倍，行车舒适性较差； t 3 ) 由于全桥均为静定结构，因此温度、2 ) 如果设计不当，在跨中容易产生较 形 混凝土收缩、徐变基本上在上部结大的收缩徐变挠度； 刚 构和下部结构中不产生内力3 ) 顺桥向的抗弯刚度和横桥向的抗扭 构 刚度小，难以满足特大跨径桥梁对 悬臂旖工和横向抗风的要求。 1 ) 全桥结构伸缩缝仅2 道，行车舒适1 ) 施工中需要进行墩梁的临时固结； 性好；2 ) 主墩有支座； 连 2 ) 在墩顶设滑动支座的情况下，上部3 ) 顺桥向的抗弯刚度和横桥向的抗扭 续 结构的连续长度可以做得很长；刚度小，难以满足特大跨径桥粱对 3 ) 墩顶设滑动支座时，温度、混凝土悬臂施工和横向抗风的要求。 粱 收缩、徐变在上、下部结构中产生 较小的超静定内力； 4 ) 有较好的抗震性能。 1 ) 施工有体系转换；i ) 上部结构的连续长度，在条件适宜 2 ) 主墩无支座；的情况下可以做到l2 0 0 15 0 0 3 ) 全桥结构伸缩缝仅2 道，行车舒适1 i i ，再长则要改用连续刚构与连续梁 连性好； 的组合体系； 续4 ) 顺桥向的抗弯刚度和横桥向的抗扭2 1 主墩直接抗撞的能力较弱。 刚刚度很大，能够满足特大跨径桥梁 构的受力要求； 5 ) 因为顺桥向抗推刚度较小所以能 够有效地减小温度、混凝土收缩、 徐变以及地震因素的影响。 由此可见连续刚构这一桥型将t 形刚构和连续梁桥的优点全部体现出来， 且又回避了它们的缺点，因此是一种非常好的桥型。高墩大跨径连续刚构桥与 其他桥梁相比，结构特点主要为：墩、梁、基础三者固结成为一体共同受力； 墩身形式、高度等对结构受力有明显的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 高墩大跨度连续刚构桥的总体受力特点是： 墩梁固结。上部结构与下部结构共同承受荷载，减小了墩顶的负弯矩； 墩的刚度较弱，墩身允许较大的变位； 结构为多次超静定结构，混凝土的收缩、徐变、温度变化、预应力作用、 墩台不均匀沉降等引起的附加内力对结构的影响较大。 结构整体性好，抗震性能优，抗扭潜力大，结构受力合理，桥型简洁明 快。 l i 3 刚构桥的悬臂施工方法 悬臂旄工方法用于建造预应力混凝土桥，是在1 9 5 0 年由前西德首创。它利 用已建成的桥墩沿桥跨径方向对称地逐段接长，通常是由两个相邻的桥墩同时 向两侧分段进行浇注或者拼装，水平推进，直到跨中合拢，各梁段用预应力紧 密连成整体。采用悬臂施工要求施工中桥墩与梁刚性连接，施工过程中桥墩要 承受弯矩。随着梁段增加即悬臂长度的加大，梁内出现的负弯矩不断增大，对 混凝土桥必须在梁段上施加预应力，使其完成的梁段连成整体【3 1 。 这种施工方法的特点是： 桥下不需要搭设支架，对在深水、大跨、通航、峡谷、高墩的条件建桥 是最优的施工方案； 施工工序比较简单，施工设备少； 多孔桥可以平行作业，施工速度快； 悬臂施工使跨中正弯矩向支点负弯矩转移，大大提高桥梁的跨越能力； 节省施工费用，降低工程造价； 施工过程一般存在受力体系转换的问题，因此施工中应当及时调整所施 加的预应力来适应这一转换，并采取适当的措施消除因体系转换或其他 因素引起的次内力。 早期应用于t 形刚构桥的悬臂施工方法半个多世纪以来得到了蓬勃的发展， 并被推广应用于悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥、拱桥等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 连续刚构桥采用悬臂施工方法时，结构的受力体系在施工阶段为t 形刚构 悬臂梁，待施工合拢后形成连续刚构。因此在桥梁设计中应考虑施工过程中的 受力状态，也要考虑由于体系转换以及其他因素引起的附j n p q 力 7 1 。 1 1 ，4 高墩大跨度连续刚构桥的结构设计与分析 高墩大跨度连续刚构桥的设计是一个非常复杂的工作，我国近年来成功地 设计并修建了多座这种类型的桥梁，获得了举世瞩目的成就，处于领先水平。 一般来说，高墩大跨径连续刚构桥的设计中应该注意以下几个问题。 1 ) 墩梁刚度比及墩柱结构形式的确定 连续刚构墩柱与梁体的弯矩分配决定于两者的相对刚度，而梁体因收缩、 徐变及温度变化引起的应力与刚构墩柱的抗推网h 度直接相关。合适的刚度比既 满足全桥的纵向刚度，又能尽可能地改善梁体内力的分布，充分发挥材料的性 能，达到节约投资、增大跨径的目的。因此确定合适的墩梁刚度比是连续刚构 桥设计中的一个重要内容。 显然，尽量减小梁体自重是设计的首要目标。为此首先要在满足施工、运 营各阶段结构和预应力构造要求的前提下确定梁体截面的最小尺寸，而理想的 墩柱除了满足结构及施工、运营阶段的最小纵、横向刚度要求外，应该尽可能 使其具有较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度，由此确定墩柱的结构形式。当墩 柱较矮时，显然双壁柔性墩是满足上述要求之较好的形式。双壁墩柱竖向提供 的反力能削减梁体弯矩的蜂值，而双壁墩柱之间保持一定的距离，可以构成较 大的整体抗弯刚度，同时其纵向抗推刚度较小，可以减小墩柱对中跨梁体的约 束，因此在连续刚构桥中一般多采用双壁墩柱的结构形式。但双壁墩也并非是 连续刚构唯一合理的墩柱形式。当墩柱较高时，单纯以增加墩柱截面尺寸来满 足结构在施工和运营阶段的纵向墩顶位移限值的做法很不经济，所以一般在双 壁墩柱之间要设置纵向横联或在边跨梁端设置固定支座。 2 ) 连续刚构边跨与中跨比的确定 连续刚构边跨与中跨壁的确定，首先取决于全桥的桥跨总体布置与自然条 武汉理工大学硕士学位论文 件的协调性，在此基础上再考虑梁体内力分布的合理性与施工的方便。连续刚 构桥在选择边跨、中跨比方面比连续梁桥有更大的自由度，表1 2 和表1 3 中 的连续刚构桥大部分都在o 5 5 0 5 8 之间。 研究表明，边跨、主跨比在0 5 4 o 5 6 之间，或者稍大一些，有可能在边 跨悬臂端以导梁支撑于边墩上的形式合拢边跨，而取消落地支架。 3 ) 墩梁固结处的设计 连续刚构的梁体与墩柱固结处构造和受力均十分复杂，是结构设计的关键 部位。固结处的联结形式，首先取决于墩柱的形式，同时应考虑使传力路径明 确简明、力线流畅以及施工方便。 4 ) 箱梁横向内力的分析 箱梁横向内力一般采用近似的简化方法计算。可以选取几种不同的梁高， 用恒载和活载进行内力分析，然后根据环框内力配置截面普通钢筋。为了得到 更加符合实际情况的内力结果，应该将箱梁作为一个空间结构，用有限元方法 计算，得出其内力( 应力) 的分布。 5 ) 对平弯梁的特殊考虑【3 】 平弯桥的计算是一个空间闯题，一般不宜像直线桥那样用平面方法进行计 算，而应该对结构进行空间有限元分析。对于线路弯度较小的情况，也可以采 用近似简化的方法。如日本公路规范提出，当平弯跨度所对应的曲线线路圆心 角小于5 0 时，可按直线桥考虑；当大于5 0 小于3 0 0 时，弯矩，剪力仍可按照直 线桥考虑，但计算扭转和反力时需要考虑曲线的影响。 另外对于平弯梁而言，预应力钢束的外绷问题、钢束与管道的摩阻系数、 横隔板的设置等问题都需要加以特殊的考虑。 6 ) 纵向预应力配索方案 研究新型配索方案，比如取消下弯索和弯起索、适当调整顶板、底板索和 竖向预应力钢筋的方案，可以将腹板的主拉应力控制到预期的范围，对于减少 预应力钢材的用量、全面而有效地控制主拉应力具有现实的意义。 6 武汉理工大学硕士学位论文 对高墩大跨度连续刚构桥的设计计算，通常采用平面杆( 梁) 系有限元程 序，如桥梁博士、g q j s 、桥梁综合设计计算程序等。这些专用的桥梁结构平面 分析程序可以模拟桥梁结构在铅垂面内受载时的弯曲变形、内力及应力的分布， 同时，结合桥梁设计规范，可以比较好地模拟诸如混凝土收缩、徐变、预应力、 温度变化、墩台不均匀沉降等因素引起的附加内力t 8 叼。但是平面杆系的桥梁分 析程序存在以下缺陷： 无法计及横桥向的荷载( 如横风、横桥向的地震荷载等) 以及由于不对 称荷载引起的扭转荷载； 由于主要计算的是在铅垂面内的弯曲变形，各梁段的梁单元剖面特性中 只有该面内弯曲的惯性矩是准确的，横桥向的惯性矩以及扭转惯性矩是 近似的或者错误的； 采用梁单元得不到截面上横向应力分布，也不能反应由剪切滞后等因素 引起的箱形截面底板、面板上纵向应力沿宽度方向的变化； 采用平面梁单元时大多不考虑诸如预应力钢束的齿板、横隔板开孔、连 接处的倒角过渡等结构细节，也无法得到这些可能出现应力集中部位的 应力结果。 采用空间梁单元分析，或者空间实体结构有限元分析，可以克服以上所有 的问题。如果可以较好地处理混凝土收缩、徐变以及预应力等因素的影响，三 维有限元分析应该得到更加符合实际情况的结果。 1 2 国内外高墩大跨径连续刚构桥的发展情况 传统的桥梁施工多用费时、费工的满堂支架方法，这种方法对于中、小跨 径的桥梁施工尚能适应，但对于大跨径及特大高度、水深较深的桥梁施工显然 己不能适应。1 9 5 3 年原西德建成的w o r m s 桥，主跨1 1 4 2i n ，施工时采用了悬 臂施工法，这种创造性的方法基本解决了施工中的难题。该桥在桥梁工程上更 为重要的意义是发展了预应力混凝土结构的一种新体系t 形刚构，并对其 他桥梁体系产生了深远的影响。1 9 6 4 年原西德又建成了主跨为2 0 8m 的b e n d o r f 武汉理工大学硕士学位论文 桥，不仅再一次成功地显示出悬臂施工法的优越性，而且在结构上又有了新的 创新，薄型的主墩与上部连续箱梁固结，形成了带铰的连续一刚构体系。上世 纪7 0 年代以后，日本连续修建了类似的滨名、浦户大桥等连续刚构桥。随着高 速交通的迅速发展，要求行车平顺舒适，多伸缩缝的t 形刚构桥也不能很好地 满足要求，于是大跨径连续刚构一连续体系应运而生并得到了很大的发展。1 9 8 5 年澳大利亚建成了主跨为2 6 0 m 的门道( g a t e w a y ) 桥，1 9 9 8 年挪威建成了主 跨为2 9 8m 的r a f ts u n d e t 桥，它们充分体现出连续刚构一连续体系的优点。 连续刚构桥的结构特点是梁体连续、梁墩固结，既保持了连续梁桥无伸缩 缝、行车平顺的优点，又保持了t 形刚构桥不设支座、不需转换体系的优点， 方便施工，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，能够满足特大跨径 桥梁的受力要求。 1 9 8 8 年我国自行设计施工的第一座主跨为1 8 0m 的大跨径连续刚构桥一 广东洛溪大桥建成通车后，连续刚构桥的突出优势使得这种桥型在我国得到了 广泛的应用和推广。1 9 9 7 年我国建成了主跨为2 7 0m 的虎门大桥辅航道桥更进 一步验证了连续刚构桥优越的跨越能力。 国内外一些著名的大跨径连续刚构桥的主要参数“，详见表1 2 和表1 - 3 。 表1 - 2国外一些著名的大跨径连续刚构桥的主要参到1 1 序 桥名国家建成年 跨径粱高( m )梁宽m )板厚( e r a ) 号( m ) 根部跨中顶底顶板底板腹板 lr a rs u n d e t 桥挪威1 9 9 8 8 6 + 2 0 2 + 2 9 8 + 1 2 51 4 53 5 1 1 0 3 7 2 82 6 - 1 2 0 3 0 - - 4 0 2 f 1 邋g 疵呐y ) 澳大利亚1 9 8 5 1 4 5 + 2 6 0 + 1 4 55 6 8 5 22 1 9 3 1 2 2 53 0 - 1 8 0 6 5 口5 3 s c h o t t w l 桥奥地利 1 9 8 92 5 0 4u o u t o r 河桥 葡萄牙 1 9 9 02 5 0 5 h o m t o n 运河桥美国 1 9 8 51 1 4 + 2 2 8 6 + 1 1 41 4 64 61 8 6 m o o n e y 桥 澳大利亚 1 9 8 51 3 0 + 2 2 0 + 1 3 01 2 54 2 51 2 363 0 一1 3 85 5 7 o r w e l l 桥英国 1 9 8 41 9 01 24 表1 3中国大跨径混凝土连续刚构桥的主要参数” 8 武汉理工大学硕士学位论文 序 桥名 建成粱高( m )粱宽一m )板厚( a l l 号 钲 跨径( m ) 根部跨中顶雇顶板底板腹板 l 虎门大桥辅航道桥 1 9 9 71 5 0 + 2 7 0 + 1 5 0“851 572 53 2 1 3 04 0 - , 6 0 2 重庆黄花园大桥 1 9 9 91 3 7 + 3 * 2 5 0 + 1 3 71 3 84 31 572 52 8 一1 5 04 0 7 0 3 马鞍山嘉陵江大桥 2 0 0 01 4 6 + 3 2 5 0 十1 4 61 3 74 21 1 55 52 53 2 1 5 04 0 - , 6 0 4黄石长江大桥 1 9 9 51 6 2 5 + 3 * 2 4 ，卜1 6 2 51 34 11 9 ，61 02 53 2 1 3 55 0 8 0 5江津长江大桥 1 9 9 71 4 0 + 2 4 0 + 1 4 01 3 52 21 1 52 53 2 1 2 05 0 罐0 6莺菊鼯舔羽豇了浙 1 9 9 71 4 0 + 2 4 0 + 1 4 03 61 5 ，3 683 2 1 2 04 0 - 6 0 7泸州长江大桥 1 4 0 + 2 4 0 + 5 5 51 3 5 4 2 5 1 3 8南澳跨海大桥 1 2 2 + 2 2 1 + 1 2 2l l31 7 182 53 2 一1 1 04 0 , - 6 0 9华南大桥 1 9 9 81 1 0 + 1 9 0 + 1 1 09 531 7 7 59 52 83 2 一1 0 03 5 5 5 1 0洛溪大桥 1 9 9 86 5 + 1 2 5 + 1 8 0 + 1 i o l o 31 5 1 482 83 2 1 2 05 0 - 7 0 l l 宁波大榭跨海大桥 1 9 9 91 2 3 6 + 1 7 0 + 1 2 3 6 1 2蒙田金沙江大桥 1 9 9 61 0 0 + 1 6 8 + 1 0 01 0 ，54 51 2 6 7 7 5 1 2 07 0 - - 9 0 1 3三门峡黄河大桥 1 9 9 31 0 0 + 4 1 6 0 + 1 0 583l7 5 9 2 5 2 5 一t o o 4 0 - , 6 5 1 4 福建平潭大桥 9 0 + 3 * 1 6 0 + 9 0831 79 1 5 冷水滩湘江大桥 1 9 9 48 9 1 + 1 5 5 + 8 9 193 21 8 59 1 6 沅馥沅承大桥 1 9 9 18 5 + 1 4 0 + 8 5 + 4 282 81 4 8 2 6 3 0 罐o4 0 - , 6 0 1 7 江津市滓水大桥 1 9 8 98 s + 1 3 5 + 8 883 ，51 6 5 1 8 广东石南大桥 1 9 9 17 5 + 1 3 5 + 7 57 52 51 6 58 1 9 福建莉j 桐大桥 1 9 9 79 0 + 1 3 0 + 9 0 7 2 5 1 3 26 。62 52 5 1 0 04 0 0 0 2 0南昆铁路清水河挢 1 9 9 87 2 8 + 1 2 8 + 7 2 88 84 48 16 15 0 4 0 , - , 9 04 0 一o 2 l珠海大桥 1 9 9 37 0 + 2 1 2 5 + 7 0 6 8 2 5 1 3 372 84 0 5 4 2 2广西六律巴江大桥 8 叶】2 5 + 8 06 82 ，51 3 573 2 罐04 4 - 5 5 2 3东明黄河大桥 1 9 9 37 5 + 7 1 2 0 + 7 5 6 5 2 6 1 8 492 52 5 罐o4 0 5 5 2 4南海金沙太桥 6 6 + 1 2 0 + 6 662 52 1l l2 83 2 - 6 0 2 5沪蓉西龙潭河大桥 1 0 6 + 3 2 0 0 + 1 0 61 23 51 2 。56 52 84 m 0 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 高墩大跨度连续刚构桥的发展趋势3 】 1 ) 跨径可进一步增大 目前中国修建大跨度连续刚构桥的热潮仍在继续，跨径2 8 0m 的奉节长江 大桥、跨径2 0 01 1 1 、最大墩高1 7 5m 的沪蓉西龙潭河大桥等正在建造中，在伶 仃洋通道横门东航道桥工程中，已提出了跨径3 1 8m 的连续刚构方案。可以预 计在不久的将来，跨径在3 0 0m 以上的连续刚构桥必将在中国出现。 2 ) 上部结构不断轻型化 结构的轻型化，可以减少上部构造的自重和材料用量，可以减轻对施工挂 篮的要求。由于采用大吨位锚具、高强度混凝土和轻质混凝土，上部结构的不 断轻型化成为可能，也是连续刚构桥的发展趋势。 3 ) 简化预应力钢束类型 在连续刚构桥的设计施工中，已有很多桥取消了起束和连续束，以竖向预 应力和纵向预应力来克服主拉应力，极大地方便了施工，受到施工部门的欢迎。 4 ) 取消边跨合拢的落地支架 采用合适的边、主跨比，在导梁上合拢边跨，或与引桥的悬臂相连来实现 合拢。在高墩的场合，取消落地支架具有一定的经济效益，方便了施工。 5 ) 上部结构连续长度的发展 由于行车速度的提高，行车舒适性被提高到了重要的位置。国外在桥梁设 计中有增大上部结构连续长度的趋势，我国的设计者也注意到这一发展趋势， 连续刚构从洛溪桥6 5 + 1 2 5 + 1 8 0 + 1 1 0 = 4 8 0m 的连续长度发展到重庆黄花 园大桥1 3 7 + 3 x 2 5 0 + 1 3 7 = 1 0 2 4n l 的连续长度，上部结构的连续长度增加了 2 1 6 倍。在设计中如果再考虑些其他措施，在条件适宜的情况下，对连续刚构 桥而言，其连续长度可以发展到12 0 0 l5 0 0m 。 1 3 课题研究的目的、意义 1 9 8 8 年我国自行设计施工的第一座主跨为1 8 0m 的大跨径连续刚构桥 广东洛溪大桥建成通车后，连续刚构桥的突出优势使得这种桥型在我国得到了 广泛的应用和推广。1 9 9 7 年我国建成了主跨为2 7 0m 的虎门大桥辅航道桥更进 一步验证了连续刚构桥优越的跨越能力。随着大跨径连续刚构桥在我国的不断 应用，与连续刚构桥相关的各种问题受到了越来越多的关注和被深入研究。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l 、在国外，预应力高墩大跨连续刚构桥研究得比较早，但是没有见到在高 墩在6 0 m 以上布设的大跨径预应力刚构桥的有关报导。 2 、在国内，大跨径预应力连续刚构桥作为一种新的桥梁结构形式，从检索 资料来看，国内铁路桥中墩高最大为l o o m ，是南昆的铁路喜旧溪大桥，也是世 界是最高的铁路桥墩；公路桥中还没有建成墩高6 5 m ，桥高7 0 m 的薄壁柔性高 墩大跨径预应力混凝土连续刚构桥。 3 、高墩的纵横向风载、高墩日照温差、空间扭曲、高墩的特柔性等方面对 主体结构的影响的复杂问题没有现成的资料遵循，有待探索、研究。 1 4 本文的主要内容 本文以重庆郁江1 号特大桥为研究对象，通过该桥的施工设计图纸，按照 上构箱梁及主墩墩柱的实际尺寸和构造建立三维有限元计算模型，对该桥结构 在施工和使用阶段的强度、刚度( 变形) 、动力特性( 模态) 以及稳定性进行了 空间有限元计算和分析。参照公路桥梁的相关设计规范探讨了大跨径预应力连 续刚构桥的力学特点和使用性能、施工中对钢绞线施加的预应力问题、地震对 结构的影响，以及在悬臂施工中和正常使用阶段荷载的不利组合问题，为桥梁 的设计、施工及使用维护等提供科学数据，有力推动连续刚构桥梁的发展。主 要内容有： l 、建立模型。本文以8 个节点的六面体单元和五面体单元( 过渡及连接区 域采用) ，来模拟箱梁及空心薄壁墩柱的混凝士结构，以杆单元来模拟箱梁的预 应力钢束。 2 、计算荷载。根据施工和使用阶段的情况，载荷考虑结构自重、钢束拉力、 挂篮重量、横风、纵风等正常荷载，以及诸如不均匀静载、不同步施工、不对 称风载、偏心施工机具材料及其动力效应以及地震荷载等最不利受力状态的偶 然荷载，并将可能的荷载进行组合以寻求最不利的荷载组合，确保结构在最不 利的情况仍然可以正常的工作。 3 、处理结构的边界条件。 4 、用有限元软件对结构分析。对结构的进行安全计算分析、结构振动分析 计算、结构稳定( 屈曲) 分析计算，并得到结论。 5 、对全文作的工作进行总结，并对今后进行的工作作了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章重庆郁江1 号特大桥简介及有限元模型 2 i 郁江i 号特大桥结构概况 郁江l 号特大桥主桥为双幅9 01 1 1 + 1 6 0m + 9 0m 的变截面预应力混凝土连 续刚构箱梁桥【1 0 】，左右线桥均三车道，单幅桥宽1 2 0m ( o 5 + 1 1 o + o 5 ) 。桥面 纵坡1 2 ；桥面横坡：为单向2 ( 半桥) 。 上构箱梁采用c 5 5 号混凝土，单箱单室截面型式：顶板厚度2 8c m ；根部 ( 墩柱处) 箱梁高9 6 0 4m ，腹板厚o 7m ，底板厚1 0 5c m ；跨中箱梁高2 8m ， 腹板厚0 4m ，底板厚3 0c m 。箱梁高度按照1 8 次抛物线变化。箱梁一般构造 图如图2 2 。 根据桥址处的地形、该桥主墩( 3 号、4 号墩) 采用双肢空心薄壁墩，材料 为c 5 0 号混凝土；高度分别为7 0 m ( 3 号墩) 、8 8n l ( 4 号墩) ，每隔3 0r a 设 置o 5r n 厚的横隔板以改善分肢的刚度。墩柱纵桥向外侧按i ：1 0 0 放大，横桥向 两侧按i ：1 0 0 放大。主墩材料为c 5 0 号混凝土，采用滑模或爬模施工。各墩基 础为嵌岩桩。 上构箱梁采用对称悬臂浇注施工的方法，主跨对称分为1 9 个节段，边跨分 为2 1 个节段。空挂篮全重1 0 4 吨( 包括模板及机具设备) ，前支点距梁端o 5m ， 后支点距梁端5 2m 。合拢顺序为先合拢两个边跨，后合拢中跨。 郁江i 号特大桥桥型布置及结构形式如图2 1 及2 2 所示。 2 2 有限元模型 由于该桥为分离式双幅桥，两幅桥的上构和下构结构相对独立，所以计算 中取单幅( 右线) 的主桥箱梁连同主墩一起建立有限元模型。 计算使用阶段的强度、刚度、模态及稳定时，取单幅主桥的箱梁连同3 号、 4 号主墩一起进行计算。 依据郁江i 号特大桥设计图纸，按照上构箱梁及主墩墩柱的实际尺寸和构 造，用p a t r a n 建立三维有限元计算模型。计算模型中采用了两种单元： 武汉理工大学硕士学位论文 体( 块) 单元( s o l i d ) ：模拟箱梁及空心薄壁墩柱的混凝土结构。 杆单元( r o d ) ：模拟箱梁的预应力钢束。 其中体单元一般采用8 节点六面体单元，单元边长不超过1 0m ，棱长比尽 量接近1 ：1 ：1 。在过渡及连接区域采用少量楔形( 五面体) 单元。 为了建立模型方便，模拟预应力钢束的杆单元均分布在箱梁腹板中面( 忽 略平弯) ，节点与箱梁腹板体单元相应节点刚性连接。 模型中忽略结构中的钢筋( 但以增加混凝土重度的方法计及其重量) 和箱 梁的齿板。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 砸鲥培剐蜷蜷k馨申_目箍qn匝 匾帚f霉凝锵蜒鼙k誓妒_h肇_d匾 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 材料参数 主梁采用5 5 号混凝土，混凝土容重2 7 3k s m 3 ，混凝土弹性模量：3 0 1 8 0m p a 。 主墩采用5 0 号混凝土，混凝土容重2 6 0k n m 3 ，混凝土弹性模量：2 3 1 2 0m p a 。 钢绞线单股公称直径1 5 2 4 ，公称面积1 4 0r n r l l 2 ；标准强度1 8 6 0m p a ，张拉 控制应力1 3 9 5m p a 。弹性模量：1 9 5 e 5m p a 。 2 4 模型规模 3 号t 构施工阶段的计算模型如图2 3 。模型中共6 68 5 8 个节点，4 64 3 8 个 单元，1 9 9 4 6 1 个自由度。 4 号t 构施工阶段的计算模型如图2 4 。模型中共7 00 7 1 个节点，4 82 2 6 个 单元，2 0 95 5 9 个自由度。 使用阶段( 全桥) 的计算模型如图2 5 。模型中共1 4 11 9 0 个节点，1 1 68 6 0 个单元，4 2 21 3 0 个自由度。 2 5 载荷 施工阶段的各种计算中，考虑最大悬臂位置的3 号或4 号t 构，即1 8 节段 混凝土固结完毕，挂篮尚未拆除的状态。载荷考虑结构白重、钢束拉力、挂篮 重量、横风( 作用在箱梁和墩柱的同一侧面) 、纵风( 作用在墩柱顺纵坡的一侧) 等正常荷载，以及诸如不均匀静载、不同步施工、不对称风载、偏心施工机具 材料及其动力效应以及地震荷载等最不利受力状态的偶然荷载。 使用阶段的各种计算中，载荷考虑结构自重、钢束拉力、汽车载荷、二期 恒载、风载、制动力、温度荷载、主墩的不均匀沉降以及地震荷载等。并寻求 最不利的组合。 2 6 边界条件 旌工阶段计算时，在墩底各节点处施加固定边界条件( 参见图2 3 、图2 4 ) 。 使用阶段计算中，在墩底各节点处施加固定边界条件，并在箱梁两个端面 底部节点上施加简单支撑条件( 约束垂向位移) ，参见图2 5 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 33 号t 构施工阶段的计算模型 图2 4 4 号t 构旄工阶段的计算模型 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 剥 辎 琳 去 蜂 剞 吨 n 匝 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章结构强度计算分析 为了保证郁江1 号特大桥结构在施工阶段和使用阶段的结构安全，对该桥3 号t 构、4 号t 构的最大悬臂状态，以及合拢后使用阶段的强度进行有限元直 接计算。 在正常施工的各阶段中，最大悬臂状态( 及第1 8 节段混凝土固结完成，挂 篮尚未拆除的状态) 位移最大，应力最危险，所以选取上述最大悬臂状态的t 构进行计算分析。其中4 号t 构由于墩柱较高( 8 8 0m ) 而作为计算的重点。 施工阶段最大悬臂状态的强度计算时，载荷考虑结构自重、钢束拉力、挂 篮重量、横风( 作用在箱梁和墩柱的同一侧面) 、纵风( 作用在墩柱顺纵坡的一 侧) 等正常荷载，以及诸如不均匀静载、不同步施工、不对称风载、偏心施工 机具材料及其动力效应、地震荷载等最不利受力状态的偶然荷载。 用该桥上构箱梁连同两个主墩建立有限元模型，对该桥合拢后使用阶段的 结构强度进行计算。计算中，载荷考虑结构自重、钢束拉力、汽车载荷、二期 恒载、风载、制动力、温度荷载、主墩的不均匀沉降以及地震荷载等的最不利 组合。 3 14 号t 构施工阶段最大悬臂状态强度计算分析 3 1 1 计算模型 取右线桥4 号t 构最大悬臂状态进行计算，计算模型参见图2 4 。 3 1 。2 载荷 施加的载荷包括正常施工荷载和偶然荷载。 正常萄载龟括t 1 ) 结构自重( 1 l 】 采用重力加速度( i n e r t i a ll o a d ) 的方式施加g = 9 8 1m s 2 。材料的质量密度为： c 5 5 号混凝土( 主梁) ，p = 2 7 3t m 3 ； c 5 0 号混凝土( 墩柱