（工程力学专业论文）先简支后连续桥梁施工中的力学问题研究.pdf

s t u d y o nm e c h a n i c a lp r o b l e m si nc o n s t r u c t i o no f s i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g e s b y l i ud e k u n b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t is f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c i v i le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rk u a ix i n g c h e n g m a y ，2 0 11 之。气鼍。萝i一， 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者答名。 日期：洲年 弓月。户 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：洲年s 月砷 嗍：沙1 年5 月甲 硕士学位论文 摘要 先简支后连续桥梁是近年来迅速发展起来的一种新的桥梁结构体系，以其独 特的优势在众多中等跨径桥梁的方案比选中胜出。它既具有简支梁的批量生产， 加工速度快，施工方便的优点，又具有连续梁受力性能良好、整体性好的特点。 对于先简支后连续桥梁的研究主要集中施工方面，关于该桥型系统的施工力学方 面的研究比较少见。 本文以某某高速公路先简支后连续桥梁的施工工艺及线形控制的研究项 目为研究背景，针对当前工程中出现的工程问题进行力学分析。作者在查阅了国 内外大量的先简支后连续桥梁的文献后，在掌握先简支后连续桥梁结构体系的基 础上，结合工程实际进行先简支后连续桥梁施工中的力学问题研究。采用桥梁结 构专业软件m i d a s c i v i l 和桥梁博士进行实际工程的有限元计算。其主要研究内 容如下： 1 在理解先简支后连续桥梁结构体系的基础上，对于5 3 0 m 预应力t 梁进行 基于施工程序的受力特性分析；针对目前工程中预应力梁体上拱度不够的现象进 行力学计算，并进行了影响预应力梁体上拱度因素的探讨；对先简支后连续桥梁 的桥墩进行计算，给出安全性评定；对不等跨布置的预应力钢束配置进行计算， 并给出机理性解释；对裸梁上运输梁板的工况进行计算，并给出合理化运输的建 议。 2 对预制构件进行了预应力计算，主要研究了其预应力钢束的预应力损失， 得出预应力的总体损失百分比以及各单项在总体预应力损失中的百分比。指出当 前预应力梁体混凝土的应力状态，得出混凝土徐变对梁体预应力的影响。 3 进行混凝土的弹性模量试验，将试验所得抗压强度与规范抗压强度进行对 比，得出混凝土的弹性模量与混凝土的抗压强度之间的关系；进行3 0 m 预应力t 梁的工地试验，测试预应力梁体张拉阶段的应变和挠度以及预应力混凝土梁体的 徐变，将试验所得数据与理论计算值进行对比，试验结果与理论有很好的吻合。 关键词：先简支后连续桥梁；力学分析；力学试验，徐变? 预应力损失 i i a b s t r a c t s i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g e ，a san e wb r i d g es t r u c t u r es y s t e mw h i c hi s d e v e l o p i n gr a p i d l yi n r e c e n ty e a r s ，w i n si nm a n ym e d i u m 。s p a nb r i d g e ss c h e m e s e l e c t i o nw i t hu n i q u ea d v a n t a g e s ，i t h a st h e a d v a n t a g e s o f s i m p l y s u p p o r t e d b e a m s ，s u c ha sm a s sp r o d u c t i o n ，h i g hp r o c e s s i n gs p e e d ，e a s i l yc o n s t r u c t i n ga n ds oo n ， b u ta l s oh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u sb e a m s ，s u c h a s g o o dm e c h a n i c a l b e h a v i o r ，g o o di n t e g r i t y t h er e s e a r c h e s o ns i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g e m a i n l yf o c u so nt h ec o n s t r u c t i o na r e a t h es y s t e m a t i cr e s e a r c h e so nt h em e c h a n i c si n t h ec o n s t r u c t i o no ft h i st y p eo fb r i g ea r es c a r c e t h i st h e s i st a k e st h ep r o j e c t “r e s e a c ho nc o n t r o lo fc o n s t r u c t i o nc r a f ta n d l i n e s h a p eo ft h e l i n e a r c o n t r o lo fs i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g ei n h i g h w a yc o n s t r u c t i o n ”a s t h eb a c k g r o u n d m e c h a n i c a la n a l y s i s i s p e r f o r m e d ， a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gp r o b l e m si n t h ec u r r e n tp r o je c t a c c o r d i n gt op r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga f t e rd o i n gs e a r c ho fal a r g en u m b e ro f d o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e a b o u ts i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g e sa n dl e a r n i n g t h es t r u c t u r es y s t e mo f s i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g e s ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e b r i d g e s t h ee n g i n e e r i n g i sa l s oa n a l y z e d b yu s i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e m i d a s c i v i la n dd r b r i d g ep r o g r a m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w h e ng r a s p i n gt h es t r u c t u r es y s t e mo fs i m p l y s u p p o r t e dc o n t i n u o u sb r i d g e s ， a n a l y s i so ns t r e s sc h a r a c t e r i s t i c sp r e s t r e s s e dt - b e a mo f5 木3 0 m ts i m p l y - s u p p o r t e d c o n t i n u o u sb r i d g e si sc a r r i e do u t f o rt h ep h e n o m e n o no fi n s u f f i c i e n tc a m b e ro f 口r e s t r e s s e db e a m si nt h ec u r r e n tc o n s t r u c t i o n ，m e c h a n i c a la n a l y s i si s c o n d u c t e da n d t h ei m p a c to ft h ei n s u f f i c i e n tc a m b e ri sd i s c u s s e d s t r e s so fp i e ro fs i m p l y s u p p o r t e d c o n t i n u o u sb r i d g e si sc a l c u l a t e da n dt h es e c u r i t ya s s e s s m e n ti sg i v e n m e c h a n i c a l a n a l y s i so fu n e q u a ls p a np r e s t r e s s e ds t e e l s t r a n d sc o n f i g u r a t i o ni sp e r f o r m e da n d m e c h a n i s t i ce x p l a n a t i o ni sg i v e n w o r k i n gc o n d i t i o n so ft h et r a n s p o r t a t i o nb e a ma n d p l a t eo nt h eg i r d e ri sc a l c u l a t e da n dr a t i o n a l i z e ds u g g e s t i o n s o ft r a n s p o r t a t i o na r e g i v e n 2 t h ep r e s t r e s s i n ga n a l y s i so fp r e f a b r i c a t e dc o m p o n e n t si sc o n d u c t e d t h el o s so f p r e s t r e s so fs t e e ls t r a n d si sm a i n l yr e s e a r c h e da n dt h ep e r c e n t a g eo f t h et o t a ll o s sa n d t h ei n d i v i d u a li nt h eo v e r a l lp e r c e n t a g eo fp r e s t r e s sl o s s e si so b t a i n e d t h es t r e s ss t a t e o fp r e s t r e s s e dc o n c r e t eg i r d e ri si n d i c a t e da n dt h ei m p a c to fc o n c r e t eo np e r s t r e s s e d h i 硕士学位论文 g i r d e ri so b t a i n e d 3 t h ee l a s t i cm o d u l u so fc o n c r e t et e s ti sp e r f o r m e d t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t i sc o m p a r e dw i t ht h ev a l u ef r o ms p e c i f i c a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c r e t e e l a s t i cm o d u l u sa n dc o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t h s i t et e s to f3 0 mt - b e a mi s p e r f o r m e da n dt h es t r a i na n dd e f l e c t i o no fp r e s t r e s s e db e a mi nt e n s i o np h a s ea n dt h e c r e e po fp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb e a ma r et e s t e d t h et e s td a t aa n dt h e o r e t i c a lv a l u e sa r e c o m p a r e d ，a n dt h et e s tr e s u l th a v eag o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r y k e y w o r d ：s i m p l y - s u p p o r t e d c o n t i n u o u s b r i d g e ； m e c h a n i c a l a n a l y s i s ； m e c h a n i c a lt e s t ；c r e e p ；p r e s t r e s sl o s s i v 先简支后连续桥梁施t 中的力学问题研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 论文的研究目的和意义1 1 2 先简支后连续桥梁的类型1 1 3 先简支后结构连续梁桥研究现状3 1 3 1 国外研究状况一3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 本文的主要工作5 1 5 本章小结5 第2 章先简支后连续桥梁力学分析的基础理论6 2 1 概j 莶6 2 2 有限元法一6 2 2 1 有限元法的基本思想6 2 2 2 杆系有限元法7 2 3 预加力等效荷载原理l0 2 3 1 曲线预应力筋的等效荷载1 0 2 3 2 折线预应力筋的等效荷载1 1 2 3 3 锚点等效荷载1 2 2 3 4 预加内力与截面核界距1 2 2 4 预应力损失的计算1 3 2 5 收缩徐变理论1 7 2 5 1 徐变的计算理论及方法1 7 2 5 2 徐变计算模式1 8 2 6 本章小结2 0 第3 章先简支后连续桥梁施工中的力学分析2 1 3 1 概j 峦2 l 3 2 结构受力特性分析2 l 3 2 1 有限元模型的建立2 l v 硕士学位论文 3 2 2 内力计算结果2 2 3 2 3 应力计算结果2 5 3 2 4 结论2 5 3 3 预应力梁上拱不足的计算2 7 3 3 1 基本概况2 7 3 3 2 计算结果及分析2 7 3 3 2 1 弹性模量变化的计算2 8 3 3 2 2 收缩徐变影响的计算2 8 3 3 2 3 摩阻系数影响的计算2 9 3 3 2 4 反拱设置影响的计算3 0 3 3 3 结语及建议3 1 3 4 不等跨负弯矩配束的计算3 1 3 4 1 基本概况3 2 3 4 2 疑惑的产生3 2 3 4 3 有限元计算3 3 3 4 4 力学分析3 3 3 5 桥墩保护层厚度偏大的验算3 4 3 5 1 工程概况3 4 3 5 2 有限元模型的建立3 4 3 5 3 荷载取值的确定3 4 3 5 4 计算结果及结论3 5 3 6 裸梁上运输梁板的计算3 6 3 6 1 概j 苤3 6 3 6 2 裸梁运梁的施工工况3 7 3 6 3 各工况下最不利位置的确定3 7 3 6 4 计算结果及建议3 8 3 7 本章小结3 9 第4 章预制构件预应力计算4 1 4 1 概述4 1 4 2 计算模型的建立4 l 4 3 钢束预应力计算结果4 3 4 3 1 各钢束总体预应力损失4 3 4 3 2 钢束各项预应力损失比例4 4 4 3 3 钢束有效预应力与钢束位置的关系4 7 4 3 4 钢束预应力计算结论及建议4 8 v l 先简支后连续桥梁施_ t 中的力学问题研究 4 4 梁体混凝土预应力计算结果4 8 4 4 1 目前工程中混凝土的应力状态4 8 4 4 2 混凝土的收缩徐变规律4 9 4 4 3 结论51 4 5 本章小结5 1 第5 章先简支后连续桥梁试验研究5 2 5 1 概述5 2 5 2 依托工程简介5 2 5 3 混凝土的弹性模量试验5 2 5 3 1 试验设备简介5 3 5 3 2 试验步骤5 4 5 3 3 试验结果5 4 5 3 3 1 抗压强度及弹性模量与时间的关系5 5 5 3 3 2 试验抗压强度及规范抗压强度的比较5 6 5 3 3 3 弹性模量与抗压强度之间的关系5 7 5 3 4 结论5 8 5 4 预应力混凝土t 梁试验5 8 5 4 1 试验简介5 8 5 4 2 分批张拉过程测试结果6 0 5 4 2 1 上拱度测试结果6 0 5 4 2 2 应变测试结果6 1 5 4 3 理论计算结果与试验的比较6 3 5 4 4 徐变观测6 6 5 4 4 1 徐变应变观测一6 6 5 4 4 2 上拱度观测6 7 5 5 本章小结一6 8 总结与展望：6 9 参考文献7 2 致谢7 6 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 7 7 v i i ，一 先简支后连续桥梁施t 中的力学问题研究 第1 章绪论 1 1 论文的研究目的和意义 先简支后连续施工的连续桥梁，先期结构是简支结构，在此阶段，主梁的恒 载效应为简支梁的内力分布，体系转换后，主梁的恒载效应才转换为连续梁的内 力分布。因此当跨径较大，预制梁自重所占总荷载的比重显著增大时，由于简支 梁跨中弯矩比连续梁的大很多，这种方法就不再适用。这种桥型的适当跨径是 2 0 5 0 米，国外最大跨径己达8 0 米，如葡萄牙里斯本的伽玛桥的引桥采用8 0 米 先简支后连续箱梁。为了使连续梁的内力分布更加合理，边中跨径之比一般为 0 6 - 0 8 ，但考虑到预制、安装的方便，对于中小跨径一般采用等跨度。我国河北 的滦河大桥、广东的三洪奇大桥、柳南高速公路上的洛维大桥、福宁高速公路八 尺门海湾大桥( 3 0 、5 0 m t 梁) 等都是早期采用此方法建成的连续梁桥。 随着我国高速公路的篷勃发展，桥梁建设进入前所未有的高潮时期。桥梁结 构的安全性已成为当今社会普遍关注的问题。湖北钟祥汉江大桥运行仅1 0 年后， 主桥箱梁腹板出现不同程度的开裂，中间跨中底板裂缝横向贯穿，跨中已有严重 下挠。经检测发现桥梁中部分预应力管道没有压浆，且伴有其他结构性的严重病 害。大桥最终于2 0 0 5 年拆除；2 0 0 9 年7 月1 5 日，津晋高速公路港塘收费站8 0 0 米外匝道连续箱梁桥垮塌，5 辆载货车坠落，造成6 人死亡，4 人受伤；美国明尼 苏达州明尼阿波利斯市横跨密西西比河桥梁于2 0 0 7 年8 月1 日下班高峰时段坍 塌，造成数十辆汽车掉入河中，l3 人死亡，6 0 人受伤。断裂的桥面压断了当时正 在桥下穿行的一列货运火车。还有其他一些预应力连续桥梁的损坏事故给我们当 前的先简支后连续桥梁建设敲响了警钟。 对于先简支后连续预应力混凝土桥梁而言，由于预应力损失的影响，结构的 实际应力与设计应力很难吻合，也就是计算应力不能很好的反应实际应力状态。 当前，由于在许多已建成运营中的先简支后连续桥梁出现了不同程度的开裂， 其多数原因是施工时没有进行必要的力学分析，凭直觉采用了不正当的施工工艺 造成的。如防止上拱过大往往施加的预应力度不够，在裸梁上进行大量的重物运 输等等，使得梁体在成桥后的荷载作用下很快就出现了病害。为确保桥梁结构在 实际运营过程中的安全性和可靠性，进行施工中的力学问题研究是十分必要的。 1 2 先简支后连续桥梁的类型 先简支后连续桥梁是高速公路中使用最多的一种桥梁，目前，先简支后连续 先简支后连续桥梁施丁中的力学问题研究 桥梁在铁路中也有应用，只不过是在铁路中使用时，由于梁体重量更大，所使用 的吊装设备要好一些。一般而言，其做法有以下几种类型： ( 1 ) 普通桥面连续 这种后连续的方法仅仅是桥面的连续，即下部结构按照简支梁桥进行施工， 只是在浇筑桥面混凝土时不设置伸缩缝。这样的连续方式，在跨径较小时( 一般 是1 5 m 以下) 能很好的解决桥面开裂的问题；由于跨度变大，内力也相应变大， 对于大于1 5 m 的简支梁桥的桥面开裂问题解决不了。 ( 2 ) 桥面板连续 这种做法的实质是使多跨简支梁的桥面板成为一个整体，与普通桥面连续没 有太大差别，只是在受力上更合理一些。在这种做法中，有时候为了抵抗支座处 产生的较大的负弯矩，在桥面板中放置大量的钢筋，从而使造价较高。这种做法 的局限性很大，其跨径需保证在3 0 m 以下。这种做法已逐渐被淘汰。 ( 3 ) 普通钢筋连续 国内的工程实践中较少采用这种连续方法，其设计和施工较前两者复杂，多 用于2 0 m 、2 5 m 、3 0 m 的多跨简支t 型梁桥。 前述三种类型，体系连接区都是采用的普通钢筋，因此在负弯矩作用下连续 区桥面很难避免开裂。 ( 4 ) 预应力结构连续 通过结构受力分析，用预应力使结构连续类型适用于2 5 m 以上的多跨简支变 连续梁桥。在负弯矩区施加预应力可以避免连续区的桥面开裂。1 9 9 9 年6 月，在 广西柳南高速公路洛维大桥采用了这种体系，属国内首创。这是由简支变连续体 系转换发展史上的一个里程碑。 ( 5 ) 组合粱的先简支后连续 国外采用该种结构体系的较为普遍，梁的类型基本上都是钢梁或混凝土梁( t 型截面、o 型截面、箱型截面、u 型截面) 简支。连续段上的混凝土板可以现浇， 也可以预制，桥面板与梁之间采用剪力连接件( 剪力钢筋、现浇时梁顶面凿毛) 连接，采用预应力使结构连续，且支座处同时配置正、负弯矩筋【2 引。 目前先简支后连续桥梁使用最多的当属预应力结构连续，其施工步骤为：一、 梁体预制，安装临时支座，架设预制梁；二、安装永久支座，浇注墩顶现浇连续 段及横向连接；三、张拉墩顶现浇连续段负弯矩钢束；四、浇注8 0 m m 混凝土现 浇层；五、拆除临时支座，形成连续体系；六、桥面系其余工序施工。 2 先简支后连续桥梁施工中的力学问题研究 1 3 先简支后结构连续梁桥研究现状 1 3 1 国外研究状况 国外，不管是日本、韩国等亚洲国家，还是美国、加拿大等美洲地区以及欧 洲地区，都出现了许多由先简支后连续施工工艺造成的桥梁实例。其中美国内布 拉斯加州林肯市建造的2 座人行桥在简支变连续结构体系中具有重要的意义，它 们分别是第十街的人行天桥和第五号街的天桥。此法建造连续梁的方案成了许多 建造方案的姣姣者：i 形钢连续梁、i 形预应力混凝土简支梁、i 形后张预应力混 凝土连续梁。而后世界上出现了大量的简支变连续结构体系桥梁。最近，世界各 国采用简支变连续方法建造的预应力混凝土连续桥梁的数量也在不断增多，此方 法建造的连续梁桥甚至在与钢结构的竞争中不落下风。 多年以来，许多国家采用这种连接方法已经成功的建设了众多桥梁实例。在 现浇连续段没有浇筑之前，预制梁作为简支构件承受一期恒载。一旦现浇连续段 ( 纵向的称作墩顶现浇段，横向的称作现浇湿接缝) 浇筑完毕，复合的梁、板截 面将作为连续结构承受活载和二期恒载。含时效应诸如收缩、徐变、温度梯度会 在连续性连接部位产生附加弯矩( 亦即二次力导致的内力重分配) 。墩顶的桥面板 内布置了钢筋以抵抗负弯矩，正弯矩钢筋从预制梁的端部延伸至横隔板的内部。 近年来，许多研究人员对这种连接类型进行了系统的研究。 4 0 年以前，波特兰混凝土协会进行了预制梁通过现浇桥面板和连续横隔板连 续方法的受力分析。通过分析得出，使用电弧焊连接的钢筋可以有足够的强度， 为防止钢筋的疲劳破坏，不应使用较小的弯钩。进行了两个双跨连续梁的模型试 验，通过实验对这种做法的特性进行了评价。在进行试验时，一个模型有弯钩钢 筋，另一个没有。试验桥梁的连续段都是同一时间浇筑的。结果发现，没有弯钩 钢筋的试件在活载作用下中间支座处有较多裂缝产生。而当裂缝闭合时，作为弹 性弯矩比例的连续性程度降低至1 7 ，正常使用中达到弹性矩的5 5 。可见正弯 矩裂缝不影响负弯矩连接的极限承载力【3 1 1 。 2 0 年前，美国内布拉斯加大学发明了一种新的连接方法，即使用u 型梁来进 行连接。同时，他们得出结论，不同的施工顺序对桥梁的受力有很大的影响。正 确的施工顺序应该是先浇筑横隔板，然后再浇筑桥面板，为防止桥面板混凝土和 已浇筑的混凝土由于收缩徐变的不同而出现开裂，建议其整个施工时间控制在6 个月内为宜。他们还建议如果先进行横隔板的浇筑，应该在梁之间提供负弯矩连 接，以防止横隔板和桥面板的开裂。鉴于相当一部分的桥梁出现了不同程度的病 害，他们还进行了预制混凝土板的力学研究，从而发现相邻的桥面板可以通过铰 进行连接。与此同时，他们也进行了相应的试验研究，对相邻的桥面板通过铰连 接的情况进行了分析，预应力的数量进行了计算。通过相关试验及计算以确定桥 3 先简支后连续桥梁施工中的力学问题研究 面板横向铰的刚度【3 1 】【3 2 1 。 1 3 2 国内研究现状 在国内，先简支后连续梁桥结构，首先研究的是先简支后连续t 梁、空心板 梁结构，尤其是t 梁，首先在铁路桥梁中应用。随着先简支后连续梁桥的不断应 用和研究，从铁路发展到公路，从t 梁、板梁逐步发展到箱梁，进而发展到小箱 梁。国内与国外采用此方法的时间相差并不长，但国内由于高速公路的发展相对 滞后，因而在先简支后连续梁桥的设计和施工水平上都与国外存在很大的差距， 国内对该种体系的研究比较落后，讨论此问题的文献近年来才见报道。 尽管简支梁桥桥面连续结构体系本身有着不同程度的缺陷，无法和连续梁桥 的优良性能相媲美，但是施工方便的优点使其在桥梁建设的发展过程中仍占有一 席之地，涌现了许多实际工程。 通常情况下，桥面连续部位的受力情况是只传递剪力，不传递弯矩，传递部 分轴力，即是一种“铰 的受力特性。一般而言，根据桥面连续部位的特点，将 其分为刚接和铰接的桥面板连续，有时候也会出现拉杆式的桥面板连续方式。刚 接板形式用钢量较多，同时接缝处的混凝土板承受较大的拉应力，很容易导致接 缝处混凝土板的开裂。裂缝的出现，导致钢筋与外界接触，出现锈蚀，钢筋体积 变大，将外面的混凝土涨裂，使裂缝开展，这样循环变化导致结构的破坏。如果 采用铰接方式，主跨的受力特性将会改变，即在桥面的接缝处不会出现负弯矩， 桥面混凝土就不会处于受拉状态，使桥面板的受力有了很好的改善，但是这种方 法施工十分复杂，工程进度很慢【3 。 经过分析，明显看出m 匣载简支、活载连续、支点不转换的连续梁”结构体系， 本质上就是在桥面连续部位浇筑普通钢筋混凝土，从而实现桥梁结构的连续。只 有这样保证桥梁结构的连续性，才能消除开裂隐患和满足高速行车的舒适性和安 全性。为了达到这一目的，在高等级公路桥梁中，当简支梁跨数较多时，常采用 几跨一联的形式通过施加二次预应力( 负弯矩钢束) 使结构本身实现连续，并在 支座处储备有一定的压应力，以抵抗汽车活载引起的负弯矩，由于负弯矩在支座 上方的桥面板上产生弯曲拉应力，这种结构体系即为“先简支后结构连续体系”， 也就是本文进行研究的结构体系。 目前工程中存在的问题有：对于各个施工阶段的受力特性不明确，往往采取 错误的施工顺序；由于缺乏对影响预应力梁体上拱值因素的把握，对实际工程中 预应力梁体上拱值与设计值不同的现象无所适从；在不等跨配置中由于负弯矩预 应力钢束的配置与等跨配置不同，给施工带来不便，缺乏力学分析时，不能接受 此种做法；施工中有时候出现桥墩中钢筋的保护层偏大，在缺乏精确计算时不知 是否可用；由于施工的需要，必须在裸梁上进行重物运输，不知裸梁是否安全。 4 先简支后连续桥梁施丁中的力学问题研究 1 4 本文的主要工作 最近1 0 年以来，“先简支后连续桥梁”在工程中得到广泛应用，先简支后连续 预应力混凝土桥梁跨度也在不断增大，然而现已建成的预应力混凝土桥梁开裂现 象严重。其设计理念已近乎完美，设计也基本没有问题，更多的问题出现在施工 中，本文将从施工的角度出发进行先简支后连续桥梁的力学分析。 第1 章绪论：介绍论文的选题背景，在阅读众多文献的基础上，总结先简支 后连续桥梁的国内外研究现状以及先简支后连续桥梁的类型。 第2 章先简支后连续桥梁力学分析的基础理论：介绍了本文研究所采用的计 算软件m i d a s c i v i l 和桥梁博士，并阐述了软件计算中需要用到的力学理论知识， 主要介绍有限元理论、预加力等效原理、预应力损失的计算及收缩徐变理论和模 式。 第3 章先简支后连续桥梁施工中的力学分析：进行先简支后连续桥梁旌工中 的力学分析：针对先简支后连续桥梁进行结构受力特性分析；对目前工程中出现 的上拱值不足的现象进行力学计算和探讨；对不等跨先简支后连续梁桥的负弯矩 配束进行计算和力学分析；对桥墩钢筋保护层偏厚的现象进行计算，并给出处理 方案；对目前工程中裸梁上运输梁板的工况进行计算，给出安全保障措施的建议。 第4 章预制构件的预应力计算：进行先简支后连续桥梁中的预制构件的预应 力计算，搞清预应力损失大小及百分比，得出目前预应力混凝土梁体混凝土的应 力状态，给施工单位一些指导性的意见。 第5 章先简支后连续桥梁试验研究：对依托工程力学试验进行总结，将在张 拉阶段测试得到的应变值和上拱值进行试验与理论的比较；将长期观测的应变趋 势和上拱值变化趋势与徐变理论的变化趋势进行比较。 最后，总结全文，并对以后的工作进行展望。 1 5 本章小结 本章介绍了论文的选题背景及意义，阐述了先简支后结构连续梁桥在国内外 研究状况，总结了先简支后连续桥梁结构的类型，最后介绍本文研究的主要内容。 本文的创新点在于将力学理论与工程实际相结合。 5 先简支后连续桥梁施工中的力学问题研究 第2 章先简支后连续桥梁力学分析的基础理论 2 1 概述 先简支后连续桥梁的理论研究较工程实践相对滞后。理论上来讲，它在施工 阶段具有简支梁的性质，成桥后具有连续梁的性质，但它又不同于简支梁和连续 梁；相同的是在进行工程分析时都采用有限元方法、梁( 单元) 理论，在有预应 力作用的构件计算时，预应力的施加采用等效荷载原理作为外荷载来施加，考虑 混凝土收缩徐变的影响，在计算有效预应力时，考虑各种因素的预应力损失。 在先简支后连续桥梁的计算中，由于变截面、预应力及混凝土收缩徐变等的 存在，导致手算十分麻烦，且计算精度不高。本文计算主要采用桥梁结构有限元 软件m i d a s c i v i l 和桥梁博士。m i d a s c i v i l 和桥梁博士都是桥梁结构专用有限元 软件，其不同点主要有：1 前者是国外开发，后者是国内开发；2 前者是空间有 限元软件，不仅能计算纵向力，还能计算横向力，比较适合空间分析。后者是平 面有限元软件，在计算纵向力方面有较好的精度。其相同点主要有：1 都具有变 截面梁单元，在梁单元的计算中都具有较高的精度；2 都具有预应力输入系统， 都能考虑混凝土收缩徐变的影响。下面就这两种软件的基本原理做一个简要的介 绍。 2 2 有限元法 2 2 1 有限元法的基本思想 当电子计算机问世以后，为了利用这一新的有力计算工具，在结构计算中首 先对杆系结构采用了矩阵方法，接着又将杆系矩阵分析方法推广应用于连续介 质，把连续介质离散成有限个单元的集合进行分析，这就是狭义的有限单元法。 连续介质有限单元法和杆系结构矩阵分析方法的基本概念是一样的，即把一个结 构看成是有限个单元的组合，这些单元在有限个节点上连接起来。其区别仅仅是， 对于杆系结构，可以直接把原来的杆、梁、柱等构件作为单元，而对于连续介质， 不存在这样的自然单元，必须把原来的介质人为的划分成有限个块体，以这些块 体作为计算的单元。在广义上来讲，杆系结构矩阵分析方法也可以包含在有限单 元法中。基于这个原因，加上通过杆系结构可以比较形象的说明有限单元法的概 念，所以我们首先说明杆系结构矩阵分析方法，依此作为连续介质有限单元分析 的导引。当然杆系结构矩阵分析方法本身在实际工程中也有很大应用价值。 在求解任何超静定的力学问题时，应兼顾平衡条件、变形条件及物理条件三 方面的要求。而解决问题的关键在于正确的分析变形条件。 6 先简支后连续桥梁施工中的力学问题研究 第一个采用有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这一术语的是飞机结构工程师 c l o u g h ，首先用有限元的思想求解了平面弹性问题。从那时开始，不但工程技术 人员开始了解有限元法的功效，数学家和力学家也看到了有限看作是由有限个力 学小单元相互连接而组成的集合体，每个单元的力学特性可以比作建筑元法的巨 大前景，相继从理论上对有限元法进行了深入的研究和探讨。数学家们发展了微 分方程的近似解法，包括有限差分方法、变分原理和加权余量法。从而使有限元 法建立在更为坚实的理论基础之上。在工程技术人员和理论工作者的共同努力下， 有限元法真正走入了连续介质力学之中，成为解决各种力学问题的最有效的方法 和工具。其中我国的力学工作者为有限元方法初期的发展做出了许多贡献，如钱 伟长的广义变分原理，陈伯屏的结构矩阵方法，钱令希的余能原理，胡海昌的广 义变分原理及冯康的有限单元法理论等等。 2 2 2 杆系有限元法 利用有限元进行分析时，首先建立总体坐标系o x y ，随后对结构作结点和单 元的划分。设定节点位移向量 d 和节点力向量f f j ： d ) = 4 d 2d 3 或以d 0 。， 引= u io t o , 1 1 ( 2 1 ) f = 互e e只ee ) 1 ， e ) = 置rm ，) 。 ( 2 2 ) 进行有限元分析的目的，一般情况下，就是建立单元的刚度方程， 其表示如下： k 】 d ) = f ( 2 3 ) 从上式可以看出，只要知道外力 f j ，对方程( 2 3 ) 进行求解，很快可以解 出位移f d ，也可以解出单元的内力。 有限元分析的过程就是结构的离散化，研究各单元在局部坐标x o y 下的刚度 矩阵，随后根据节点外力平衡和变形协调条件将单元刚度矩阵集合成总体刚度矩 阵。从离散的结构中任取一个单元e ，把单元的节点进行编号，分别记为f ，则 有： 同= f m ， m i