（工程力学专业论文）小半径曲线梁桥空间力学特性分析.pdf

合肥工业大学 i i h i l l l l l l f f l l l l l l l r i l l l l l f l l l l r f l l l i i i i ll l l l l l y 18 8 6 3 5 6 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 主 委 答辩委员会签名： ( 工作单位、职称) 席：夕榔 一 觅一午 岗数瓶鹆渺丧哎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒迓竖些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字跳黼期1 年绎月烀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿些太堂有关保留、 使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金旦垦王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 黻姥獬：班 签字日期：文口1 1 年午月a 矿日。 黧了鞯昌劫业 工作单位：第七睾固一。 力v 夕心i 糯名：豸湃 签字日期：力，f 年? 月0 扣 晰：i 媸斛叼 邮编： 小半径曲线梁桥空间力学特性分析 摘要 随着城市快速路的兴建和城市建设的发展，在城市道路网中高架立交桥日 益增多。为了满足线形要求或功能要求，曲线梁桥作为实现各方向交通连接的 必要手段，越来越多地被采用。但是曲线梁桥的设计计算很繁琐，其设计参数 大都参照已建桥梁、通过试验、或者试算来选取，工作量非常大。但是近年来， 各地先后出现了一些立交桥开裂、横向位移过大等问题，有的甚至严重影响正 常使用，这说明了，在曲线桥梁中仍然存在一些问题需要解决。 论文讨论了曲线梁桥有限元模型的建立方法并且结合现场实测数据对模型 的准确性进行检验，并且将就重力荷载、预应力荷载、车辆荷载等作用下，曲 线梁桥的力学性能进行研究分析。本文针对曲线梁桥在各种荷载组合作用下的 力学性能如扭转变形、径向位移、梁体应力等进行空间有限元分析，并探讨曲 率半径r 变化对曲线梁桥空间力学特性的影响。具体的研究工作如下： ( 1 ) 简要阐述曲线梁桥的计算理论和分析方法，以及曲线梁桥的有限元分 析原理，为后面的结构分析做铺垫。 。( 2 ) 依托安徽某座在建曲线梁桥施工过程，对该桥进行现场试验研究，采 集相关数据，为验证数值模型准确性提供依据。 ( 3 ) 依据曲线梁桥的设计，讨论空间有限元模型创建方法，找出空间曲线 模型模拟的方法。 ( 4 ) 分析自重、预应力、车辆荷载等荷载作用下曲线梁桥的扭转变形与梁 体应力的特点，研究不同荷载工况对梁体的变形受力的影响规律。 ( 5 ) 改变参数曲率半径r ，分析不同曲率半径的曲线梁桥的力学性能， 研究曲率半径的变化对桥梁结构的影响规律。 本文对曲线梁桥的现场测试进行了讨论，研究了曲线梁桥有限元模型的建 立方法并且通过对曲线桥梁结构受力与变形的分析，为曲线梁桥的设计和计算 提供依据，从而可以避免和减少该类桥梁病害的产生。 ，关键词：曲线箱梁桥；空间有限元分析；现场试验；曲率半径；荷载效应 a n a l y s i so fs p a t i a lm e c h a n i c a lb e h a v i o r f o rc u r v e dg i r d e r b r i d g ew i t hs m a l l e rr a d i u s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t i e sa n dt h ec o n s t r u c t i o no fu r b a ne x p r e s s w a y , e l e v a t e do v e r p a s si si n c r e a s i n gi nu r b a nr o a dn e t w o r k t om e e tt h eu s ea n dl i n e a r i t y r e q u i r e m e n t s ，c u r v e db e a mb r i d g e sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e da sa n e c e s s a r y m e a n so fa c h i e v i n gt r a n s p o r tl i n k s h o w e v e r , i t sd e s i g n c a l c u l a t i o ni sq u i t e c o m p l i c a t e d ，a n dt h ed e s i g np a r a m e t e r sa r es e l e c t e db yr e f e r r i n gt ot h ee x i s t i n gb r i d g e ， b yt r i a lo rb yt r y i n gc a l c u l a t i n gi nal a r g ea m o u n t , s ot h ed e s i g nw o r k i sv e r yt i m e c o n s u m i n g b u ta tt h es a m et i m e ，a l o to fi s s u e ss u c ha st h ec r a c k i n go fi n t e r c h a n g e s ， t h el a r g el a t e r a ld i s p l a c e m e n te t ce m e r g eo n eb yo n ei nr e c e n ty e a r s s o m ei s s u e s h a v ee x e r t e dan e g a t i v ea n ds e v e r ei m p a c to nt h en o r m a lo p e r a t i o n , w h i c hp r o v e st h a t t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m si e m a i n i n gu n s o l v e di nc u r v e db r i d g e s t h i sp a p e rd i s c u s s e dab u i l d i n gm e t h o do ff e m m o d e lo fc u r v e dg i r d e rb r i d g e ， m o r e o v e r , i tc o m b i n e sf i e l dd a t ao ft e s tt oi n s p e c ta c c u r a t e l ym o d e la n da n a l y z e d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u r v e db e a mb r i d g eu n d e rw e i g h t ，p r e s t r e s s ，v e h i c a ll o a d a n ds oo i lt h em a i nw o r ki np a p e ri sa n a l y s i so nt h eb e a mt o r s i o n a ld e f o r m a t i o n , r a d i a ld i s p l a c e m e n ta n ds t r e s si nd i f f e r e n tl o a d sc o m b i n a t i o n , a sw e l la se x p l o r i n g i i l f l 珊l n c eo fc u r v er a d i u s t h u ss o m eu n i v e r s a ll a w sa r es u m m a r i z e df o rd e s i g no f c u r v e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e rb r i d g e s s p e c i f i cr e s e a r c hw o r k i sa sf o l l o w s ： f 1 ) t h ec a l c u l a t i o nt h e o r i e sa n da n a l y s i sm e t h o d so fc u r v e db e a mb r i d g ew e r e s u 】砌a r i z e d a n dr e s e a r c hi nt h ef i e l do ff e mf o rc u r v e dg i r d e rb r i d g e s a l lt h e s e w o r kp a v e dt h ew a yf o rc o n s t r u ea n a l y s i s 但) t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sa t e s tr e s e a r c ho ne c c o n t i n u o u sc u r v e db o xg i r d e r b r i d g e ，r e l i e do no n e c u r v e db r i d g ei na n h u ip r o v i n c e a n dt h ed a t eo ft h et e x ti su s e d f o rc h e c k i n gt h em o d e l ( 3 ) b a s e do nt h ed e s i g no fac e r t a i nc u r v e db e a mb r i d g e ，s t u d yt h em e t h o do f b u i l d i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，f i n d o u tt h ew a yo fs i m u l a t i n gt h es p a t i a ls t e e lw i r e s ( 4 ) a n a l y z ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et o r s i o na n ds t r e s so fb r i d g e ，a n dt or e s e a r c h i n f l u e i l c eo fd i f f e r e n tl o a d sc o m b i n a t i o n so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u r v e db e a m b r i d g e ( 5 ) t h e n ，t h ec u r v er a d i u sw a sc h a n g e dt oa n a l y z em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c u r v e db e a mb r i d g eo fd i f f e r e n tr a d i u s ，s ot h ei n f l u e n c el a wo fc b i v er a d i u so nt h e k e yw o r d s ：c u r v e db o xg i r d e rb r i d g e ；s p a t i a lf e m ；f i e l dt e s t ；c u r v er a d i u s ；l o a d e f f e c t 谢辞 感谢我的导师方诗圣教授，本文之所以能顺利完成除了自身的努力外还得 益方诗圣教授的悉心指导。方老师严谨的治学态度，实事求是的研究精神，诲 人不倦的良好作风和循循善诱的授课方式以及精益求精的敬业精神、宽厚坦诚 的处世风范都使我深受感动和教育。本文从立题之初，到最后完成，无不浸透 了方老师的心血。在论文的撰写过程中，方老师对我的教导，使我可以把专业 知识灵活串连起来，在原有的基础上学到了更多有用的理论。同时方老师还对 我日后的继续学习和人生计划都给予宝贵的意见。 本文的顺利完成还离不开土木学院各位老师和同学的帮助，在此衷心感谢 王建国教授、牛忠荣教授、盛宏玉教授、刘一华教授、周焕林教授等多位老师 的关怀和教导，感谢他们在我的学习和论文工作中给予的指导和帮助。 感谢同门的兄弟姐妹们，李贺才师兄、潘强师兄、付一小师兄、任晓亮师 兄、咸玉席师兄、宋亚学姐、刘倩倩学姐、肖兵、许永永、张利、廖华平、何 翔、章晓晖、康小方、洪刚等，感谢他们在平时在学习和生活上对我的帮助。 感谢好友崔向斌、徐向前、童永耀、黄诗贤、王文斌、江沛华、覃单、闫 艳、陈勇、宋振宇等在学习和生活上的帮助。 感谢卢嘉欣小姐在我撰写论文时的帮助和对我关心关怀，在我迷惑和彷徨 时给予我鼓励和支持，陪伴我面对了许多不如意的事，给了我温暖和力量。 感谢我的父母的养育之恩，虽然他们的文化水平有限，但他们用实际的行 动和他们高尚的人格、艰苦创业的精神、诚实守信的品德、克己奉公的品质向 我诠释着何谓一个平凡但高尚的人；是他们用有限的物质给予我无限的爱，培 育着我成才；是他们用无声的语言教导我要成为一个有所为的人；是他们对我 的爱和期望支持着我走到今天。 最后衷心感谢本文引用的参考文献的作者们以及将审阅本文的老师，感谢 他们为本文所付出的辛勤劳动。 作者：吴少杰 2 0 1 1 年4 月于合肥 目录 第一章绪论2 1 1 课题的提出和意义2 1 2 国内外研究现状5 1 3 a b a q u s 的简介：6 1 4 本论文研究的意义和主要内容7 第二章预应力混凝土连续曲线梁桥的计算分析方法9 2 1 曲线梁桥的结构与受力特点9 2 1 1 小半径曲线梁桥的结构特点9 2 1 2 曲线箱梁桥的受力特点1 0 2 2 曲线梁桥的计算理论与分析方法1 1 2 2 1 曲线梁桥的计算理论概述1 1 2 2 2 单根曲线梁的力学性能1 2 2 2 3 圆弧曲杆的变形微分方程1 5 2 2 4 曲杆的有限元法( f e m ) 1 8 第三章小半径曲线梁桥现场试验及有限元建模研究2 4 3 1 现场试验的目的与意义2 4 3 2 工程概况2 4 3 3 试验方案2 5 3 3 1 监测截面的选择2 5 3 3 2 测量点布置2 5 3 3 4 布点时间2 5 3 3 5 安置方法2 6 3 3 6 数据采集的方案2 8 3 3 7 监测数据分析2 9 3 3 8 应力监测的注意事项2 9 3 3 9 测试仪器3 0 3 4 有限元建模的研究3 l 3 4 1 曲线梁桥主梁梁体的模型建立3 1 3 4 2 预应力钢绞线的模拟3 4 3 4 3 钢筋和混凝土的装配3 6 3 4 4 有限元建模的单元选取3 6 3 4 4 1 空间实体单元h 3 6 3 4 4 2 三维杆单元3 6 3 5 现场试验数据与理论分析数据相对比一3 7 第四章预应力混凝土连续曲线箱梁桥的有限元分析5 0 4 1 重力荷载5 0 4 2 预应力荷载5 4 4 3 重力和预应力荷载共同作用5 8 4 4 重力和预应力荷载和二期恒载共同作用6 2 4 5 车辆偏心荷载作用6 6 4 6 重力、预应力荷载、二期恒载和车辆偏心荷载共同作用7 0 第五章本文工作结论与展望7 5 5 1 结 沧7 5 5 2 展望7 5 参考文献7 7 插图清单 图1 1 合肥五里墩立交桥2 图1 2 津晋高速港塘公路互通式立交a 匝道桥坍塌事故现场4 图1 3 南京在建高架桥发生垮塌事故现场5 图2 1 曲线梁桥主梁的平面形状9 图2 2 单根曲线梁的力学模型1 3 图2 3 曲杆微段外力、内力、位移及正方向1 6 图2 4 挠曲扭转圆弧曲杆单元1 9 图3 1 a k l + 5 2 2 7 5 0 匝道桥平立面图2 5 图3 2 埋入式应变计安装示意图2 7 图3 3 埋入式应变计现场安装图2 7 图3 4 现场埋设应变计。2 8 图3 5 导线的布置和保护图2 8 图3 6 智能温度型弦式数码应变计3 0 图3 7 综合测试仪3 0 图3 8 梁体截面平面草图31 图3 9 旋转后的梁体模型3 2 图3 1 0 梁体被参考面划分不同的部分3 2 图3 1 1 梁体变截面段3 3 图3 1 2 梁体常截面段3 3 图3 13 梁体几何模型3 4 图3 1 4l 号截面钢绞线布置横截面图3 4 图3 1 5 钢绞线布置图3 4 图3 1 6 平面钢绞线空间布置图3 5 图3 1 7 空间钢绞线空间布置图3 5 图3 1 8 钢绞线和梁体的装配图3 6 图3 1 9l 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图3 8 图3 2 03 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图3 9 图3 2 l5 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 0 图3 2 27 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 1 图3 2 39 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 2 图3 2 4 1 1 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 3 图3 2 52 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 4 图3 2 64 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 5 图3 2 7 6 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 6 图3 2 88 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 7 图3 2 9l o 号截面测点布置及实测数据与计算结果比较数据图4 8 图4 1 梁体竖向变形云图5 0 图4 2 不同半径梁体的内外径竖向变形图5 l 图4 3 不同半径下的梁体竖向扭转变形51 图4 4 不同半径梁体的外径径向位移图5 2 图4 5 不同半径a 点径向正应力5 2 图4 6 不同半径b 点径向正应力5 3 图4 7 不同半径a 点顺桥向正应力5 3 图4 8 不同半径b 点顺桥向正应力5 4 图4 9 梁体竖向变形云图5 4 图4 1 0 不同半径梁体的内夕卜径竖向变形图5 5 图4 1 1 不同半径下的梁体竖向扭转变形5 5 图4 - 1 2 不同半径梁体的外径径向位移图5 6 图4 1 3 不同半径a 点径向正应力5 6 图4 1 4 不同半径b 点径向正应力5 7 图4 1 5 不同半径a 点顺桥向正应力。5 7 图4 1 6 不同半径b 点顺桥向正应力5 8 图4 1 7 梁体竖向变形云图5 8 图4 1 8 不同半径梁体的内外径竖向变形图5 9 图4 1 9 不同半径下的梁体竖向扭转变形图。5 9 图4 2 0 不同半径梁体的外径径向位移图6 0 图4 2 1 不同半径a 点径向正应力6 0 图4 2 2 不同半径b 点径向正应力，6 1 图4 2 3 不同半径a 点顺桥向正应力6 1 图4 2 4 不同半径b 点顺桥向正应力6 2 图4 2 5 梁体竖向变形云图6 2 图4 2 6 不同半径梁体的内外径竖向变形图。6 3 图4 2 7 不同半径下的梁体竖向扭转变形6 3 图4 2 5 不同半径梁体的外径径向位移图6 4 图4 2 9 不同半径a 点径向正应力6 4 图4 3 0 不同半径b 点径向正应力6 5 图4 3l 不同半径a 点顺桥向正应力6 5 图4 3 2 不同半径b 点顺桥向正应力6 6 图4 3 3 梁体竖向变形云图6 6 图4 3 4 车辆荷载的布置图6 7 图4 3 5 不同半径梁体的内外径竖向变形图6 7 图4 3 6 不同半径下的梁体竖向扭转变形6 8 图4 3 7 不同半径梁体的外径径向位移图6 8 图4 3 8 不同半径a 点径向正应力6 9 图4 3 9 不同半径b 点径向正应力6 9 图4 4 0 不同半径a 点顺桥向正应力7 0 图4 4 l 不同半径b 点顺桥向正应力。7 0 图4 4 2 梁体竖向变形云图71 图4 4 3 不同半径梁体的内外径竖向变形图7 1 图4 4 4 不同半径下的梁体竖向扭转变形7 2 图4 4 5 不同半径梁体的外径径向位移图7 2 图4 4 6 不同半径a 点径向正应力7 3 图4 4 7 不同半径b 点径向正应力7 3 图4 4 8 不同半径a 点顺桥向正应力。7 4 图4 4 9 不同半径b 点顺桥向正应力7 4 第一章绪论 1 1 课题的提出和意义 进入2 1 世纪，随着科技、工业和商业物流的不断发展，高速公路与城市道 路的发展速度与建设规模也配合着经济稳步提升而不断地提高和壮大。大、中 城市道路网通过建设公路立交桥来建立了快速交通网络。但由于地形、桥梁道 路的线形以及使用功能的要求，许多高架立交桥会采用曲线梁桥作为重要组成 部分。因为曲线桥可以克服地形的限制，避开地下埋管或下穿隧道，保护地下 文物和减小对道路两旁建筑物的影响【l 】。并且也能满足设计线形和功能使用的 要求以，从而可以减少因为桥梁道路建设所产生的拆迁费用和节约了建设用地； 在一些地形地貌比较复杂的地区的公路，如山区公路，如果在必要的路段采用 曲线梁桥，则大路展线的长度可以得到减少，避开泥石流、岩溶和滑坡等不良 地质路段。合肥五里墩立交桥( 图1 1 ) 在必要的路段采用了曲线梁桥，避开了周 边的建筑和减少对其的影响。 笙 l一 疆 ! 一1 f ? _ ri一飞 2 很多时候高架桥的选址会受到地物和地形的影响，曲线梁桥比起直线桥梁 能更好的适应或者降低那些因素的限制，而且曲线桥梁因为其独特的曲线构造 能给城市带来一道亮丽的风景线，因此在城市基础建设网络中，曲线梁桥已经 成为一种有效的替代常规混凝土板梁桥【2 j 。早在2 0 世纪3 0 年代，桥梁工程师 就已对曲线梁桥的有关问题进行了理论分析和研究，随着建筑材料科学的发展， 特别是预应力混凝土结构技术的普及和发展成熟，帮助了世界上的桥梁工程师 把想法转变成实际的工程，使曲线梁桥的修建和应用提供了有力的保障 2 】。世 界上第一座曲线梁桥是建立在德国，这座修建于1 9 1 4 年的桥梁其结构形式是钢 桁架。随着钢筋混凝土和预应力混凝土结构理论的发展和推广，在2 0 世纪7 0 年代，曲线梁桥在欧美国家得到很大的推广，在很多大城市的交通网络中都修 建了有曲线梁桥组成的城市立交系统。欧洲、美国和日等发达国家在上个世纪 7 0 年代未到8 0 年代建造了许许多多的曲线梁桥，箱型截面是主要的截面形式； 结构体系较多地采用连续曲线梁体系；最大跨径为5 0 - - 一6 0 m 左右；曲率半径最 小为3 0 - - 4 0 m 的情况；梁高一般较小；车道宽度为2 - 4 车道。小半径曲线桥 的典型代表的有：1 9 7 4 年建成的瑞士c a i l o n 桥、1 9 7 6 年建成的法国让纳维 利埃桥、1 9 8 2 年建成的加拿大b o wr i v e r 桥、1 9 8 5 年建成的美国l i n nl o v e v i a d u c t 桥和日本姬路港市中心饰磨港区的饰磨临海大桥等【3 j 【引。 我国在曲线梁桥的研究和应用总体来说较晚，相比于国外还存在一定的差 距。1 9 7 9 年来自美国马里兰大学c p h e i n s 教授来我国介绍了曲线梁桥的设 计理论开始，国内许多学者对曲线梁的设计计算理论【3 】，构造，施工工艺上都 做了很多摸索、实践与研究。如邵容光、姚玲森、邢志成、孙广华等在弯梁桥 的计算理论和设计方面都做了很多研究，使得我国的弯梁桥的理论和应用都得 以健康、迅速地发展f 5 】【6 】【7 】【8 】。自上个世纪最后2 0 年，我国综合国力不断提升， 经济不断发展，因此对城市交通运输带来很大的考验，为提升道路的运输能力， 在很多大中城市中修建了许多互通式立交桥，因此我国在曲线梁桥的研究和实 践领域中取得了令人兴奋的成绩。一些经济比较发达地区都规划设计并且建设 了由弯桥组成的互通立交交通系统，比如在天津的碟式立交桥就发挥了弯桥的 优点：成本低、占地少、外形优美【9 】。又如广东顺德立交桥、广州的中山路立 交桥、上海杨浦大桥的引桥部分等皆是曲线梁桥的典型例子【2 】。弯梁桥除了在 城市交通系统的得到广泛的应用外，在铁路上也得到很好的应用，因为铁路常 在山谷沟壑中穿越，虽然铁路的修建都是遇江修桥，逢山挖洞，但这使成本大 大的提高，因此在符合铁路对曲率半径的最小值规定下，修建曲线铁路桥，绕 考一些不利地形，这可以在某程度降低建筑成本，缩短施工周期。在施工工艺 上大多为现场立模浇筑，但顶推等施、工悬臂拼装、悬臂浇筑方法也逐渐得到 应用。我国的曲线梁桥建设起步虽较晚，但发展速度较快。1 9 9 0 年底竣工的山 西省平顺公路桥，曲率半径为r = 9 0 m ，跨径为2 8 + 3 5 + 2 8 m ，是我国首次成功采 用顶推法旌工的曲线梁桥结构实例l lo i 。 尽管近年来我国曲线梁桥得到了迅速发展，但我国设计规范中对小半径曲 线桥梁的结构计算、受力分析及简化公式都没有明确规定，表明我国对小半径 曲线桥梁的内在力学特征还没有获得统一的认识。我国某些曲线梁桥在结构设 计以及现场施工上仍然有所不足，很大原因是对桥梁结构的受力以及变形欠缺 全面的研究，致使这类桥梁普遍存在程度不一的病害，影响正常使用。 津晋高速港塘公路互通式立交a 匝道桥的总长度约为2 8 0 m ，桥梁项板宽 度为8 5 m ，上部结构箱体高1 ，3 m 。设计荷载为：汽车超一2 0 级标准，挂车一1 2 0 标准。在2 0 0 9 年7 月1 5 日，因为几辆严重超载的车辆比较集中的停泊在偏离 桥梁中心，外轮距离外径护栏小于一米，是一非常大的偏心车辆荷载，因此上 部结构向外径侧倾斜导致梁体倒塌。事故造成多人死亡，五辆车坠毁。 图卜2 津晋高速港塘公路互通式立交a 匝道桥坍塌事故现场 2 0 1 0 年1 1 月2 6 日，位于南京雨花台区小行地铁站附近南京城市快速内环 西线南延工程( 纬八路一绕城公路) 四标段在b 1 7 b 1 8 钢箱梁防撞墙施工时，钢 箱梁发生倾覆，导致桥上七名施工人员死亡，桥下另有三人受伤。此次梁体侧 翻坠落事故是由于桥面堆载严重偏心所造成的，是一起生产安全责任事故。 4 图卜3 南京在建高架桥发生垮塌事故现场 深圳市有5 0 的弯梁桥有程度不同的病害，如主梁向外径径向整体爬移； 梁体内侧支座脱空；墩粱固结处在墩柱的顶部( 与梁底衔接处) 产生水平环形裂 缝【l l 】【l2 l ；1 9 9 9 年，广东省深圳市一座立交桥的匝道桥的梁体部分产生了最大 外移将近5 0 c m ，使交通中断，不得不采取加固补救措施【2 】。 由于在以往的设计中对小半径曲线桥梁认识不足，在设计和施工过程中未 能有针对性地采取不同于直线桥的技术措施，致使这类桥梁普遍存在程度不一 的病害。据对国内几个大城市的已建小半径曲线梁桥的检测结果表明，部分曲线 桥梁的梁体内侧的支承处脱离了支座、上部结构产生径向侧移、上部结构翘曲 等不良现象。对小半径曲线梁桥进行加固和修复，不仅维修成本高，还会影响 城市交通系统的正常运作。因此研究弯桥的受力特点和目前设计中要重点对待 的问题，防止同类事故或损坏的出现，讨论研究设计施工中的相应方法有重要 的意义。 1 2 国内外研究现状 在曲线梁桥的设计理论方面，前人已做过许多研究，v l a s o v 和d a b r o w s k i 把曲线桥梁看成一根薄壁梁，运用弹性薄壁理论并且考虑翘曲扭转对结构的影 响进行分析，l y o u s ，s a w k o ，j i r o u s e k ，f a m 则提出了用于计算曲线梁桥的各 种单元【9 1 。 在分析方法上，国内外学者对于梁有限元法、有限壳元法、有限条元法等 作了一定的研究，得出梁有限元法在经济上和技术上有许多优势引。c e m t o p k a y a ，e r i cb w i l l i a m s o n 对曲线梁桥的分析软件的发展做了相应的研究l l 4 。 学者黄剑源和谢旭等在d a b r o w s k i 的研究成果上，梁格的空间分析方法运用在 曲线梁的分析上。朱金坤针对独柱单点角支承曲线梁桥在各种荷载工况下的稳 定性能进行研究，但其对于中间与两端都设抗扭支座支承形式的曲线梁桥，并 没有作分析【2 】。近年来，国内外一些学者对曲线梁桥结构的稳定性做了一定的 工作，研究影响曲线梁桥内力和变形的因素oe b e d i o 和t a r e ki 【l5 j 用选定了现场 5 实验桥梁，设定观察点的实验方法和有限元数值模拟相比较的方法，研究了曲 率半径对钢筋混凝土弯桥的结构稳定性的影响。k y u n g s i kk i m a 和c h a ih y o o b 1 6 】研究了体外支撑对钢箱弯梁桥的变形的影响。r h w a n g 和q s l i 1 7 】 采用了有限段的方法提出了考虑截面角刚度的模型，把三维模型简化成一维模 型来研究曲线箱梁的变形问题。蔡业青，吴玉财研究了粤赣高速公路河源互通 d 匝道桥产生扭曲变形的原因是因为内外侧日照引起的温度差异和预应力布置 不合理i l 引。李海沙研究了预应力混凝土连续弯箱梁静力特性与曲率半径存在的 关系，指出曲线梁桥的挠度、应力与曲率有着一定联系【1 9 】。文献 1 9 】也对在移 动车辆荷载下曲率半径的变化对曲线梁桥的影响作了研究。秦清波f 2 0 】分析了几 种主要荷载对曲线梁桥的影响，找出导致“爬移”问题的原因。周剑光【2 l 】通过对 比现场测量数据和理论分析结果，研究了不同工况下，曲线梁桥的挠度和内力 变化规律。吕婷，刘静参照多个国家的不同温度曲线，对结构进行了详细的温 度应力计算分析比较【2 2 1 。 虽然前人做了大量的工作，但在曲线梁桥的结构稳定性上还有很多不完善 之处。文献 2 l 】虽然选取了实验桥梁，贴了体外应变片并采集现场测量数据， 但主要目的是指导施工，而且只能测出梁体外的应变值，梁体内的应变值无法 测量。前人的工作已经揭示了梁体挠度、内力与曲率半径的关系，但所考虑到 的曲率半径情况还不足够，还没明确划分出较小半径和较大半径的分类界限。 许多学者对曲线梁桥的设计理论和设计方法进行了大量研究，发现对下部 独柱墩设置支点预偏心可以改善曲线梁桥扭矩沿顺桥向的分布，减小两端内外 侧支座竖向反力之差。但现在研究多是针对独柱点铰支承的曲线梁桥。对于联 长较大的曲线梁桥，仅在两端设抗扭支座时，弯桥受扭跨度较大，会使上部结 构内部产生过大的扭矩，因此并不能有效地改善全桥的扭矩分布。对于中间与 两端都设抗扭支座的较大跨径曲线梁桥，理论研究并不是很多。 1 3a b a q u s 的简介 有限元曲分析曲线梁桥的软件纵多，如a n s y s 、m i d a s 、a d n i a 等，本文 是使用有限元理论对小半径曲线梁桥就行模拟分析的，考虑到模型几何特征比 较复杂，体积尺寸比较大，而且为了提高计算精度，所以有针对性地采用了不 同的单元去模拟桥梁的不同部位。因此如果运用手动编程的话，程序编译工作 量大，调试程序复杂，外部数据输入困难，而且不便进行参数化建模。基于以 上理由，因此选择了功能强大的大型商业有限元软件a b a q u s 建立三维实体 建模，进行数值分析。因为国内业界运用m i d a s 和a n s y s 对桥梁就行有限元 分析居多，虽然有部分工程是运用a b a q u s ，但相对a n s y s 来说a b a q u s 还不够普及，因此下面对该软件作一个简单的介绍，使同行对这个软件有所了 解【2 3 1 。 。 6 随着工业技术的发展和电脑硬件性能的提高，计算机仿真模拟分析技术得 到了很大的发展，越来越多学者和工程师运用计算机辅助分析技术进行科学研 究，并且有限元方法在计算机辅助分析这个领域中得到很大发展，在许多行业 学科中起到很大的作用。本文所采用的a b a q u s 是世界上最先进、功能最全 的大型商业有限软程序之一。该软件具有先进的求解功能，尤其在分析非线性 问题时更能体现其世界一流水平。a b a q u s 因为拥有类型较全的单元库、材料 本构和针对不同领域的分析过程，因此该软件的模拟能力和分析功能非常强大。 不管是像分析线弹性梁杆问题那么简单，还是计算边界条件、几何、材料的非 线性问题那样复杂，使用a b a q u s 都能得到准确的分析结构。因此，国内外 的工程师和学者逐渐用该软件来研究工科问题的重要计算工具，经过多年来的 摸索和学习，使其在土木工程、机械制造、热工程等领域得到应用 2 4 o 因为a b a q u s 的单元库非常齐全，含括了不同领域，不同问题，不同材 料的单元库，除此以外，该软件的材料本构可以对常用的材料进行仿真模拟， 例如钢筋、混凝土、预应力钢绞线、各类岩土、金属等。因此a b a q u s 的功 能非常强大，如此优秀的软件，使用起来却不困难。由于界面友好，菜单清晰、 帮助文档详尽，因此很容易上手和提高。对于模型比较复杂的问题，该软件可 以把复杂的几何模型分成由简单的几何体来组合。而且在分析时，使用者只需 要准确地输入相对应的数据如：模型尺寸、材料属性、荷载和边界条件就可以 进行分析。 而且a b a q u s 还提供了用户子程序接口( u s e rs u b r o u t i n e ) 和应用 程序接口( u t i l i t yr o u t i n e ) ，因此当遇到软件没有提供的材料本构、荷载 类型、边界条件等，都可以通过子程序和其他应用软件进行补充或者配合使用。 因此该软件相当灵活和有许多潜在的功能。例如通过a b a q u s c a e 和修改 i n p u t 文件都不能实现温度场在空间的不均匀分布时，就要求助子程序。通过 编写相关的计算机语言，把想模拟的温度场的表达式编译成子程序，在求解加 载时，使软件自动调用程序就可以达到加载不均匀温度场的目的。而且 a b a q u s 的子程序是按照计算机语言f o r t r a n 来编写的，因此用户子程序程 序比较容易上手和掌握。 1 4 本论文研究的意义和主要内容 ( 1 ) 曲线梁桥的计算和分析方法 介绍结曲线梁桥的结构受力特点，阐述介绍了目前常见的曲线梁桥的计算 分析方法。选定本论文使用有限元方法分析曲线梁桥。介绍本论文所使用的曲 线梁桥的数值模型和本论文使用的模型的有限元单元形式并且归纳了曲线梁桥 的建模方法和空间预应力钢绞线的实现方式。 ( 2 ) 曲线梁桥的现场实验研究 。 7 选取一座在建的曲线梁桥为实验梁桥，在实验梁桥的上部结构立模绑扎钢 筋时预埋钢弦式数码应变计。讨论曲线梁桥的现场实验方法并且收集梁桥各个 施工阶段的应力结果，讨论施工工况对梁体的受力和变形的影响，为验证有限 元模型的数据提供依据。 ( 3 ) 曲线梁桥的参数影响分析研究 以现场采集的数据为依据，按照设计实验梁桥的实验图纸和施工顺序建立 三维有限元模型，用实验数据和理论分析数据作对比，验证模型的准确性。在 验证了模型的准确性的基础上调整模型的曲率半径。讨论模型在自重、二期恒 载、预应力、车辆活载等作用下所讨论曲率半径对曲线梁桥的结构受力特点的影响 规律。 8 第二章预应力混凝土连续曲线梁桥的计算分析方法 小半径曲线梁桥是三维立体结构，而且承受着弯扭耦合作用。其受力特点 与梁体的跨径l 、曲率半径r 、宽跨比b l 、抗翘曲刚度e 1 w 、截面形式、抗扭 刚度g i d 、抗弯刚度e i 及支承约束形式等因素有关。其主要的分析理论方法有 解析法、半解析法和数值法等三类。各种分析方法和计算理论有适用条件，在 分析研究时必须根据结构的具体情况予以采用，而数值模拟分析计算精确较高， 然而计算量庞大，不太适合手算，因此需要计算机程序协助才能求出拶】。 2 1 曲线梁桥的结构与受力特点 2 1 1 小半径曲线梁桥的结构特点 顾名思义，小半径曲线梁桥与直线梁桥相比在平面上呈现曲线形状。因为 主梁是曲线，为了行车舒适和行车安全保持线形的连续性，因此在在设计时应 做到平面顺畅、横截面合理和纵、横坡均衡。而箱形截面是曲线梁桥最常采用 的截面形式，只是因为箱形截面的良好结构优点p j ： ( 1 ) 截面抗扭刚度大，结构稳定性好； ( 2 ) 连续梁桥具有正负弯矩，箱梁截面的顶板和底板都浇筑面积较大的混凝 土，不但满足配筋的要求而且能有效地抵抗正负弯矩； ( 3 ) 桥的宽度比较大，抗扭刚度大，一般情况下跨中无需设置横隔板就能获 得满意的荷载横向分布； ( 4 ) 因截面底板厚度较大所以适合现悬臂施工法、顶推法等现代化旌工工艺； ( 5 ) 适合空间预应力混凝土结构，而且承重和传力结构相结合各部件共同受 力，截面效率高，经济效果不错； ( 6 ) 很好适应布置管线等公共设施并且适合曲线梁桥的修建，有较大适应性。 曲线梁桥的分类主要从主梁的平面形状、主梁的曲线形状、横截面形式、 材料种类、结构体系和施工方法等方面来划分。