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下承式钢桁架桥受力特性与钢桥面板铺装层分析 摘要 下承式钢桁架桥具有梁高低、自重轻、承载能力大、行车平稳舒适、施工 周期短等优点。在平原区桥梁建设中，跨线桥采用下承式钢桁架桥。因主桥梁 高低，能降低整个桥梁段的造价。虽然钢桁架桥在铁路工程中较多采用，技术 已较成熟，但在公路桥梁中因其横向跨度大、正交异性板钢桥面铺装层问题较 难处理。沥青铺装层铺设在正交异性钢桥面板上，正交异性钢板相当于柔性支 承，其受力特性明显不同于一般道路铺装层，两者的受力模式截然不同。桥面 铺装是钢桥建设中的一项关键技术，研究和分析铺装层的工作状态和应力应交 特性，可为桥面铺装设计提供必须的理论依据和设计指标。 本文以某高速公路跨线主桥项目为依托，采用土木结构有限元分析软件 m i d a s c i v i l2 0 0 6 对该桥进行力学分析，分析研究了桥梁结构的静力特性、稳 定性能和钢桥面板沥青铺装层的受力特性。桥面铺装是钢桥建设中的一项关键 技术，本文对其正交异性钢桥面板的横梁间距、u 肋厚度等进行了参数分析和 比较，得出了一些结论可供同类桥梁设计作为参考。 关键词：下承式钢桁架桥；正交异性钢桥面板；稳定性分析；沥青铺装层 m i d a s c i v i l2 0 0 6 。 r e s e a r c ho l lm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t e e ld e c kp l a t e s u r f a c i n go ft h r o g ht r u s ss t e e lb r i d g e a b s t r a c t s t e e lt h r o u g ht l r i s sb r i d g eh a ss o m ee x c e l l e n c e ，s u c ha sl o wg i r d e r , l i g h td e a d w e i g h t , 1 1 i g hc a r r y i n gc a p a c i t y , c o m f o r t a b l et r a v e l l i n gc r a n e ，s h o r tc o n s t r u c tp e r i o d s e s p e c i a l l yl o w h i g h n e s so fg i r d e r , w h e nw ea d o p ts t e e lt h r o u g ht r u s sb r i d g ei nc a m p a g n ab r i d g ec o n s t r u c t b e c a u s eo fl o wc o s t s t e e lt h r o u g i lt r t l s sb r i d g ei sw i d e l ya p p l i e di nr a i l r o a d i n g ，c e r t a i n l y t e c h n o l o g yi sm a t u r e l y , b u tt h e r ea r es o m ed i f f i c u l t yi nl l i g h tr o a d ，s u c h 罄l o n gt r a n s v e r s e s p a n ，s p h a hc o n c r e t es u r f a c i n go fo r t h o t m p i cs t e e ld e c kp l a t e s s p h a l tc o n c l - c t ep a v eo n o r t h o t r o p i cs t e e ld e c kp l a t e s ，t h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ci s d i f f e r e n tf r o mn o r m a lr o a d s u r f a c i n g t h es p h a l tc o n c r e t es u r f a c i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nc o n s t r u c ts t e e lb r i d g e ，w ec a l l f i n dt h et h e o r e f i c sa n dd e s i g nc r i t e r i o no fb r i d g es u r f a c i n gb ys t u d y i n gt h ew o r ks t a t ea n d s t r e s so ft h es n r f a g e t h i sp a p e ra n a l y s eas t e e lt h r o u g ht r u s sb r i d g eb yt h eb r i d g es t r u c t u r e a n a l y s i ss o f t w a r em i d a s c i v i l2 0 0 6 a n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t a t i c s 、s t a b i l i t y a n ds p h a t tc o n c r e t es u r f a c i n go f o r t h o 扛o p i cs t e e ld e c kp l a t e s t h es t a b i t i t ya n ds p h a l t c o n c r e t es u r f a c i n go fo r t h o t r o p i cs t e e ld e c kp l a t e si sav e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g yi ns t e e l b r i d g ec o n s t r u c t , a d o p taq u a r t e ro fm o d e l ，a n a l y s et h ep a r a m e t e ro fs t e e lt h r o u g ht r u s s b r i d g e ，g a i n e ds o m e c o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：s t e e lt h r o u g ht r u s sb r i d g e ；o r t h o t r o p i cs t e e ld e c k ：a n a l y s eo fs t a b i l i t y ； s p h a l tc o n c r e t es u r f a c i n g ；m i d a s c i v i l 2 0 0 6 插图清单 图2 1 桥梁结构离散方法8 图2 2 箱拱组合体系桥梁计算图式。l o 图2 3 变位计算结果1 1 图2 4 计算模型图1 3 图2 - 5 结构整体升温2 5 桥面系挠度图。1 5 图2 6 结构整体降温3 0 桥面系挠度图1 5 图2 7 结构整体升温2 5 主桁挠度变化图。1 4 图2 8 结构整体降温3 0 主桁挠度变化图1 6 图2 9 结构整体升温2 5 下弦杆单元轴力变化图1 6 图2 1 0 结构整体降温3 0 下弦杆单元轴力变化图1 7 图3 1 计算坐标系1 9 图3 2 框架的平面屈曲2 1 图3 3 平面杆单元的坐标2 1 图3 4 杆单元受力情况2 2 图3 5 稳定性计算流程图2 8 图3 6 稳定计算模型图2 9 图3 7 右侧桥门架面内失稳3 0 图3 8 左侧桥门架面内失稳3 1 图3 9 右侧桥门架扭转失稳3 1 图3 1 0 左侧桥门架扭转失稳3 2 图3 1 1 主桁面外失稳3 2 图4 1 铺装层分析模型3 4 图4 2 板划分为有限条3 7 图4 3 简支板式桥的典型有限条3 7 图4 - 4 荷位横桥向布置图4 4 图4 5 荷位纵桥向布置图4 5 图4 6 对应不同弹性模量各荷位作用下铺装层最大纵向拉应力比较图。4 6 图4 7 对应不同模量各荷位作用下铺装层底面最大剪应力比较图4 7 图4 8 对应不同模量各荷位作用下铺装层最大弯沉比较图4 9 图4 9u 肋截面5 3 图4 1 0 实桥u 肋截面尺寸5 3 图4 1 1 铺装层最大纵向拉应力折线图5 4 图4 1 2 铺装层最大剪拉应力折线图5 4 图4 1 3 铺装层最大弯沉值折线图5 5 表2 - l 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 - 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表格清单 各种温度特点汇总表1 4 稳定系数及失稳特性3 3 单轮荷载作用下铺装层最大拉应力表4 5 单轮荷载作用下铺装层与钢桥面板的层间最大剪应力表。4 7 单轮荷载作用下铺装层最大弯沉值表一4 8 荷位3 纵向变化铺装层的最大纵向拉应力表4 9 荷位3 纵向变化铺装层底面最大剪应力表5 0 荷位3 纵向变化铺装层表面最大弯沉值表5 0 铺装层厚度变化铺装层受力表一5 l 钢桥面板厚度变化铺装层受力表。5 2 横梁间距变化铺装层受力表5 2 u 肋厚度变化铺装层受力表5 3 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注和致谢的地方外，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 盒胆王些太堂 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。 黜一繇( 专_ 融一期：中，棚咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金b b 王些太堂可 以将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，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢卸j 傀 签字嗍冲堋啮 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：唯川 签字日期：口 年，填，日 螈) 55 易形r “ 邮编： 致谢 本论文从选题到撰写都是在导师胡成副教授的精心指导下完成的，在此致 以深深的谢意。 胡老师知识渊博、治学严谨、工程经验丰富、为人正直大方，是我以后所 追求的。在攻读硕士期间，胡老师在学习和生活上给予了诸多指导和关怀，并 让我参加工程实践，本文的写作，胡老师更是倾注了大量的心血。再一次表示 深深的谢意。 感谢提供实习机会的设计院，在实习期间给予业务上的指导和生活上的资 助，在此表示谢意。 感谢室友马飞、王远坤在这两年多研究生生活中所提供的帮助；感谢师兄 们、周亚锋、严辉均，他们经常和我讨论问题，给我提供了很多问题的思路。 向远在家乡的父母和弟弟致以深深的谢意! 感谢父母和弟弟在我的求学生 涯中给予的无微不至的关怀! 感谢父母和弟弟无私的奉献! 二十多年来，他们 教给我做人的道理和处世的原则，他们的牵挂和鼓励催我奋进。 郭东海 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 引言 平原区高速公路高路堤的主要原因是由于平原区地势平坦、人多地少、路 网密集，以及各种通道、立交区等被交道路的净空限制。如果平原区高速公路 设计能在保证通道、桥下净空的前提下，有效地控制桥跨结构物的建筑高度， 就能有效地降低路基填土高度。在控制点处桥梁或通道造价增加较少或不增加 的情况下，达到节省建设投资与土地占用，及改善环境的目的。和其它形式的 桥梁相比，钢桥具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好、环境污染 小、易修复、主梁高度低等优点。在平原区修建钢桥。跨越诸如铁路线、国道 时，因其主梁高度较低，相应引桥的里程缩短、引桥桥墩降低。从而达到降低 工程总体造价，与其它形式主桥相比经济效益非常明显。 某高速公路项目中跨京九铁路线主桥项目，为降低梁高、节省桥梁( 含引 桥) 的总体造价，主桥选用了下承式钢桁架桥。本文对该下承式钢桁架桥的初 步设计方案进行分析评估，结合国内外研究现状，在计算分析该桥受力情况的 基础上，重点分析了钢桥面铺装层的受力特性，对铺装层的影响参数进行了分 析比较，以得出各参数对正交异性钢桥铺装层受力特性的影响规律。 1 2 钢桁架桥的特性 1 2 1 一般钢桁架桥的特性 钢材具有高强、质轻、力学性能良好的优点，是制造结构物的一种极好的 建筑材料。钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，对于充任 相同受力功能的构件，具有以下特点【l 】： 结构质量轻、强度高 具有良好的塑性和韧性 材质均匀更接近于匀质等向体 具有不渗漏性便于作成密闭结构 结构制造简便，施工周期短，装配性良好 耐腐蚀性差，应采取保护措施 耐热但不耐火 由于钢结构的以上特点，所以钢桥的特点就非常明显。铜桁架桥的构件最 适合用工业化方法来制造，便于运输工地安装的速度快，因此，钢桁架桥的施 工期限较短，钢桁架桥在受到破坏后，易于修复和更换。 钢桁架桥也具有自身的缺陷，钢材易于锈蚀，需要经常检查和按期油漆， 故钢桁架桥的养护费用要比钢筋混凝土桥梁高。 1 2 2 平原区钢桁架桥的特性 由于铁路桥梁的横向宽度( 单幅铁路桥宽w = 7 6 米，双幅铁路桥宽w = 1 3 4 米) 较小，对横梁刚度的要求相对就较小，同时因钢桁梁桥具有结构相对 简单、受力明确、施工周期短且不受季节限制、易于工厂化预制生产、构件易 修复或更换等优点而应用广泛，而且设计方法成熟( 仅就单线铁路桥而言) 。 公路桥梁尤其是高速公路桥梁( 单幅公路桥宽w = 1 3 5 米，双幅公路桥宽 w = 2 8 米) 相对于铁路桥梁而言，其显著的特点就是横向宽度大，对横向刚度 要求自然就高，下承式钢桁梁桥其桥面标高最终由横梁高度控制，而且随着横 向跨度的增大，一系列结构构造问题接踵而来。但是，与常规设计方案的预应 力混凝土梁桥相比，下承式钢桁梁桥能够在满足桥下净空的前提下显著降低桥 面标高，在平原区高速公路控制点处桥梁方案比选中具有优势明显。同时钢桥 的耐久性较好，与系杆拱桥相比，虽初期投资稍大，但从全寿命角度分析其总 体造价较小，经济指标也较好 1 3 钢桁架桥的研究现状及前景 1 - 3 1 钢桁架桥的稳定性 钢材具有高强、质轻、力学性能良好的优点，是制造结构物的一种极好的 建筑材料。钢结构与在建筑中用应用广泛的钢筋结构相比，对于充任相同受力 功能的构件，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点。对于因受压、 受弯和受剪等存在受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构 出现整体失稳或局部失稳。失稳前结构物的变形可能很微小，突然失稳使结构 物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力，以致整体塌落。因失 稳而破坏钢结构的情况在国内外都发生过，有的后果还很严重【2 1 。 钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个特别重要的因素，稳定理论和设 计方法需要完善。近十几年来，在研究发挥钢结构稳定性能的潜力和完善稳定 计算的理论方面，国内外都取得了长足的进步。例如完善钢结构的弹塑性稳定 理论，研究有几何缺陷和残余应力的钢结构的实际受力性能和极限荷载，用数 值法来解决这类问题等都取得了不少研究成果。在作理论分析的同时进行稳定 性能的试验验证，以及将理论研究成果利用图表表示或演化为实用计算公式， 从而将弹塑性稳定理论用于解决钢结构设计中的问题都取得了丰硕成果。包括 我国在内的世界许多国家，最近1 0 年都相继修订了钢结构设计规范。在这些规 范中均反映了新的研究成果【2 j 。 1 3 2 正交异性钢桥面板的特点及研究现状 正交异性钢桥面板是指在钢桥面板内侧焊接纵向加劲肋，这些纵向加劲肋 与横隔板正交，由于其刚度在互相垂直的两个方向上有所不同，从而与钢桥面 板一起组成了正交结构异性板。正交异性钢桥面板具有众多突出的优点f 3 】： 2 自重轻且承载能力大 正交异性板的使用大大降低了桥梁自身静载，增大了桥梁跨径，对改善桥 梁结构受力，节约原材料均有很大的作用，这也是正交异性钢桥面板出现的初 衷。 适用范围广 正交异性钢桥面板高度低，纵横向尺寸选择性大，构件质量轻、运输与架 设方便、施工周期短等特点，因而越来越多地在跨径要求大、有净空限制地段 及旧钢桥改造等场合中采用，适用范围广。 极限承载能力大 作为主梁的一个组成部分，整体承受荷载。同时钢桥面板本身采用高强度 钢材。在保证焊缝质量的前提下，其极限承载能力必然比混凝土桥面板要高。 行车舒适性较好 钢桥面板顶板为一整块钢板，无需接缝处理，同时各个节段之间又可以焊 接连接，因此能够采用无断缝路面， 正交异性钢桥面板缺点也同样突出：存在大量焊接构造，制造施工要求较 高，疲劳问题突出，在车轮荷载长期反复作用下，焊缝易开裂，这些都会极大 的影响正交异性钢桥面板的使用性能及耐久性。同时疲劳断裂具有突然性，多 属于脆性破坏，危害性较大。 1 3 3 钢桥面铺装 钢桥面铺装不同于一般公路沥青混合料铺装，它直接铺设在正交异性钢板 上，正交异性钢桥面板直接决定了钢桥面铺装的性能，因此正交异性钢桥面板 的力学特性的研究对于桥面铺装而言至关重要。最早对钢桥面铺装体系开展研 究的是德国，其后美国、英国、丹麦、荷兰、日本以及其它一些国家和地区也 先后进行了研究。该方面的研究主要采用理论分析、数值计算和试验研究等方 法，以确定桥面板局部应力、位移及结构的可靠性，为桥面铺装设计提供有效 可靠的参数【4 j 。 桥面铺装体系由正交异性钢桥面板和铺装材料层组成。铺装材料层的主要 功能是为行驶车辆提供长期足够的稳定平整的行驶路面。这就要求铺装层具有 较高的强度及耐久性，较好的耐磨性及抗滑性，优良的高温稳定性、低温抗裂 性以及防水防渗透能力。沥青混合料具有优越的路面使用性能，且重量轻。世 界各国的钢桥面大多采用沥青混合料铺装。但这些在高等级公路上沥青混合料 面层比较容易达到的要求却由于钢桥面正交异性板的变形复杂、局部变形大以 及受自然气候影响大等因素而难以达到。因此作为桥面铺装材料的沥青混合料 的级配和各项性能得到了充分的研究。 桥面铺装层体系由桥面板与铺装层共同组成，钢桥面铺装的研究分析以钢 桥面铺装体系为研究对象。在早期研究中，人们虽然对桥面板和铺装层材料各 自的研究，取得了许多成果，甚至少数国家( 如德国、日本、美国等) 还制定 了相应的技术规范，但未能从根本上解决桥面铺装成套技术问题，其主要因素 之一在于桥面系统、铺装层材料以及铺装结构设计研究的脱节。近十几年来， 这一问题正被学术界和工程界所重视，钢桥面铺装研究已成为桥面系统、铺装 层材料以及铺装结构设计等一体的综合研究体系，并已成为钢桥建设的关键技 术之一。 我国对钢桥面铺装较系统的研究工作开始于广东虎门大桥。在该桥桥面铺 装课题中，交通部重庆公路科研所在广泛调查世界上各种铺装类型资料的基础 上，针对铺装层的变形稳定性、疲劳耐久性、高粘性性、不透水性和良好行驶 性能等技术问题进行了系统研究。它将德国和日本有关钢桥面铺装材料和混合 了技术规范和标准进行了较大程度的提高。根据提高后的材料技术指标，研制 了复合改性沥青混合料、改性沥青粘结剂和防水添缝料，并采用s m a 方案对广 东虎门大桥进行了铺装。广东虎门大桥通车后不久，桥面铺装层也出现了病害， 主要是产生横向推移的热稳定性问题、轮迹带上形成光面的泛油和车撤问题以 及防水胶底部脱层和鼓包问题”j 。 已建的南京长江第二大桥桥面铺装采用环氧沥青混凝土技术，环氧沥青由 美国进口，铺装技术研究和铺装工艺研究由东南大学和南京二桥指挥部共同承 担，由山东交通工程公司施工东南大学盆理。已建成的南京长江二桥桥面铺 装已达到设计要求，桥面使用性能较好。 在一大批大跨径桥建设的同时，我国很多工程技术人员对钢桥面铺装层受 力进行了分析研究。分析时多采用有限元法，在建立模型时，普遍将桥面钢板、 纵、横加劲肋、铺装层作为完整的结构体系，主梁腹板和横梁对桥面板的作用 简化为边界支撑条件来进行应力计算处理。然后在研究的基础上针对具体情况 进行应用。现在在力学方面的分析已经取得了很多成果；黄卫，胡光伟 6 - q 等从 铺装层材料厚度、横隔板阀距、钢板厚度以及梯形加劲肋刚度等方面，探讨了 正交异性钢箱梁桥面第二体系的优化设计方法，给出了正交异性钢板各个参数 的合理数值界限；钱振东，黄卫【8 】等将铺装层和正交异性钢桥面板作为受力整 体，采用通用有限元程序对铺装层进行受力分析，并针对正交异性铺装层体系 特定区域易发生破坏的特点，提出铺装层破坏控制指标及铺装层参数对于铺装 层受力的影响，为桥面铺装材料选用，钢箱梁结构构造设计及车道划分提供理 论依据；徐军、陈忠延1 9 】在具有相同截面面积的开口纵肋和闭口纵肋钢桥面板 静力试验的基础上，对正交异性钢桥面板弹性阶段的应力特性进行了分析，研 究了构造布置对铺装应变的影响；顾兴宇、邓学均i l o 等人以江阴长江大桥桥面 铺装为研究对象，运用有限条分析方法，分析不同轮载作用下铺装层的受力特 性，为交通轴载控制及确立合理的收费标准提供参考：李旭，邓学均【1 1 d2 】等从 钢箱粱结构计算的角度用有限元方法进行了分析，对铺装层应力应变变化规律 4 作了描述，指出车辆荷载对铺装层内力影响的范围是有限的。通过分析，比较 了产生的最大正负应变的位置，总结了钢箱梁上铺装对荷载的响应特点；方萍 ”1 等探讨了正交异性钢桥面板与沥青混合料共同受力时的计算模型及应力 分析方法，研究了正交异性钢桥面板与沥青混合料共同受力时的计算模型及应 力分析方法，研究了正交异性钢桥面板在加铺沥青混合料铺装前后的应变值和 分布规律，提出在做钢桥面和沥青铺装的结构设计时，应调整沥青铺装和钢桥 面板的相对刚度；沈桂平，曹学琴【”】针对广东江北大桥钢桥面结构及铺装层设 计情况，计算了钢桥面板局部应力，采用模拟钢桥面应力的方法进行铺装层与 钢板结合件的疲劳试验，得出了铺装层抗裂疲劳承载能力。 1 3 4 钢桁架桥的发展前景 我国钢桁架桥市场前景广阔，它符合保护环境和土地资源的国策。我国钢 铁产品总量居世界第一，为大力发展钢桁架桥提供了物质基础。钢桁架桥在桥 梁建设中将会发挥独特且日益重要的作用【1 7 l 。 钢桁架桥的发展前景主要体现在以下几个方面。 采用新的高性能钢材 深入研究钢桁架桥的真实极限状态 开发新的结构形式 钢桁架桥的制造和麓工技术的研究 结构和构件计算技术的研究和改进 正交异性钢桥面板改性沥青铺装层的受力分析研究 1 4 工程简介 本文是以某高速公路项目为依托，对某高速公路项目k 1 6 + 7 8 3 5 京九铁路 跨线主桥进行静力、稳定性及正交异性钢桥面板铺装层的分析。 本桥为上跨京九铁路分离立交，公路桥与铁路桥中心线交角约8 7 0 ，铁路 为双线、直线，坡度为2 。跨线主桥为4 0 m 下承式简支钢桁架桥。引桥为预 应力混凝土组合箱梁，每联6 x 2 5 、4 x 2 5 m 两种跨径组合，下部构造采用重力式 及桩柱式桥墩，肋板式桥台。本处铁路要求净高7 9 6 m ，考虑桥梁结构后期沉 降的影响，实际设计时主桥净高采用8 1 0 m 。主桥为2 双向横坡。 主桥设计荷载：公路i 级。分为上下行双幅，本文取单幅进行分析。单幅 设计车道为：3 车道，车道宽：3 7 5 m 。主桁桁高：8 m 。钢桥面板厚度：1 4 m m 。 主桥钢材为q 3 4 5 钢。桥面铺装层共5 层，钢桥面板上喷涂富锌漆：6 0 1 0 0 u m ， 防水粘接层：o 8 1 2 r a m 厚粘接剂上布满一层预拌沥青碎石，铺装下层( 保护 层) ：4 0 m m 厚改性沥青s m a l o ，粘层：o 4 o 6 m 2 改性乳化沥青，铺装上层 ( 面层) ：3 5 r a m 厚改性沥青s m a l 3 。 1 5 本文的主要内容 1 利用土木结构有限元分析软件m i d a s c i v i l2 0 0 6 对初步设计的下承式 桁架桥的静力特性进行分析，重点分析温度荷载对结构受力的影响规律。 2 针对下承式桁架桥的受力特性，根据相应的计算理论及计算方法，对结 构的稳定性进行分析。 3 正交异性钢桥面板沥青铺装层是该桥建设的关键技术，结合国内外的研 究成果，对铺装层进行分析。通过改变桥面系、桥面板和铺装层的各影响参数， 研究改性沥青铺装层的性能，以期得出桥面系、桥面板和铺装层各参数对改性 沥青铺装层性能的影响规律。 6 第二章结构静力特性分析 2 1 概述 本章介绍了桥梁空间结构分析的计算原理，借助土木结构有限元分析软件 m i d a s c i v i l2 0 0 6 对本文的下承式桁架桥的静力特性进行了分析。重点分析结 构整体温度升高2 5 c 和降低3 0 c 对桥面系标高以及对下弦杆所受轴力大小的 影响规律。 2 2 桁架桥杆件内力分析原理 2 2 1 桁架桥杆件内力简化分析方法 目前常用的方法是简化的计算方法。即将桥跨结构分成若干个平面结构： 纵梁、横梁、主桁、平纵横梁、桥门架等，然后按承受各自平面上的荷载来计 算杆件的内力。同时将平面内各杆件轴线所形成的几何图形作为该桁架的计算 图式，并假定桁架各节点均为铰接【l l 。 当同一杆件是两个平面结构所共有时，例如弦杆，它既是主桁平面内的弦 杆，又是平纵联桁架平面内的弦杆。对这类杆件，计算时应先将它在各个平面 桁架内的内力求出，而后相加，以其代数和作为它的计算内力。 但是，实际上的桥跨结构是具有刚性连接的空间结构，按上述假定所算出 来的内力必然产生一定的误差。当误差的影响较大时，应进行必要的修正。 由于桥跨的空间作用和节点的刚性连接所引起的对杆件内力的影响，主要 表现在下列几个方面： 由于主桁弦杆变形所引起的平纵联杆的内力： o 桥面系的纵、横梁和主桁弦杆的共同作用。在竖向荷载作用下，下弦杆 将伸长，这时，连接到下弦各节点的横梁将随着节点的移动而移动，但却受纵 梁的牵制。因此，纵梁将因横梁的移动受到拉力，横梁则纵梁的牵制而引起水 平弯曲，弦杆的变形也将因而减小这种共同作用通常应在计算中加以考虑， 但若纵梁的连续长度不超过8 0 米，可不检算桥面系与主桁的共同作用。 臼由横梁、主桁竖杆所构成的横向框架。当横梁在竖向荷载作用下梁端发 生转动时，竖杆的上端和下端均将产生力矩。在设计竖杆时，应考虑此力矩的 影响。 主桁各杆件是用许多高强度螺栓或焊接在节点板上，形成刚性的连接， 杆端不能自由转动。因此，当主桁在荷载作用下发生变形时，连接在同一节点 的各杆件之间的夹角不能变化，迫使杆件发生弯曲，因而在主桁杆件内产生附 加的应力。 2 2 2 桥梁结构弹性空间内力分析方法 7 利用有限元法分析桥梁结构内力时，有多种离散模型，常用的有空间梁单 元法、板壳元法、三维实体元法及较为实用的梁格法【19 1 ，如图2 1 所示： 二警 l ；l 蔚f *厮面 图2 1 桥梁结构离散方法 2 2 2 1 空间梁单元法 空间梁单元法用一维空间梁元对结构进行离散。这种方法的特点是能直接 给出计算截面的内力和变形。根据结构受载后截面是否保持平截面，可区分为 自由扭转理论和翘曲扭转理论两种。 空间梁单元法按自由扭转理论分析的基本假定为： 横截面尺寸与跨度相比很小，即可将实际结构视作位于剪切中心上的弹 古是照 拳 再 婚 酾 渐 性梁元： 平截面假定，即变形前的平截面变形后仍保持平截面： 刚性截面假定，即变形后梁截面周边形状不变( 无畸变) ： 截面剪切中心线与梁截面形心轴线相重合。 翘曲扭转理论考虑了受载后横截面不再保持平截面即发生了翘曲，增加了 截面双力矩阵和翘曲扭转两项内力。 对于混凝土桥梁结构，理论计算和试验均证明，截面翘曲引起的正应力与 按自由扭转理论所得应力值相比很小，通常误差不超过5 1 0 ，一般按自 由扭转理论进行分析便可以满足设计需要。但对于钢箱梁，则必须考虑用翘曲 扭转梁进行粱单元的离散。如图2 2 所示为一孔6 0 m 跨单拱面预应力混凝土 箱拱组合体系桥的空间杆系离散图。位移计算结果如图2 3 所示。由空间梁单 元法的离散图式及其基本假定可知，宽梁桥不满足基本假定1 及3 ；其次，该 方法不能得到横梁内力。图所示中对组合体系桥的分析也表明，用平面梁单元 离散结构，仅能得到系梁、拱、吊杆内力，而无法得到横梁的内力。 2 2 2 2 板壳元法 众所周知，有限元法是把原型的连续体分割成许多细小的单元，在称为节 点的离散点处连续起来分析复杂结构的方法。由于结构划分为简单单元的基本 原理可以应用到所有形状的结构。钢筋混凝土桥梁通常做成空间箱形结构，采 用板、壳单元进行离散，当板壳单元相当细密时，可以包括桥梁结构的各种受 力行为，如弯曲变形、扭转变形和局部变形。图2 2 为一孔6 0 m 跨单拱面预 应力混凝土箱拱组合结构的空间板壳元离散图。其位移分析结果见图2 3 。 由2 3 图知，板壳元法与空间梁元法相比，变位基本一致。 虽然板壳元法是分析梁上部结构最通用的一种方法，但在实际应用时，它需要 整理大量的输入、输出数据，容易出错，对计算结果作出正确评价及对结构受 力行为进行解释都感到非常困难，给不出与现行设计规范有直接联系的内力结 果，不便于工程技术人员使用。此外，板壳元法分析对有些结构也不是十分有 效，如对混凝土箱梁桥，一般比顶、底板大得多，用板壳元法模拟其受力，误 差较大。由于桥梁结构施工过程复杂，又承受汽车或列车活载作用，用此法求 各种工况下的最不利情况，计算工作量巨大，在应用上受到很大限制。因此， 对桥梁结构分析应寻求一种应用、简便、有效的方法。 9 坫构曩墨 图2 2 箱拱组合体系桥梁计算图式 i 0 一 巴 v 镰 疆 琦长( - ) 图2 3 变位计算结果 2 2 2 3 梁格法 梁格法是分析桥梁上部结构比较实用有效的空间分析方法。它具有基本概 念清晰、易于理解和使用等特点，因此在桥梁结构分析中得到了广泛的采用。 梁格法的特点是用等效梁格来代替桥梁上部结构，分析梁格的受力状态就可得 实桥受力状态。它不仅适用板式、梁板式及箱梁截面的上部结构，而且对分析 弯、斜梁桥特别有效。图2 2 所示为一孔6 0 m 跨单拱面预应力混凝土箱拱组 合结构的离散图。图2 3 列出了梁格法分析结果。由图可见，梁格法与板壳元 法计算非常接近。由于采用了纵向梁格和横向梁格，因此特别适合宽桥及系杆 拱桥，纵向梁格代表结构纵向内力，横向梁格代表结构横向内力。 2 2 2 4 三维实体元法 桥梁结构设计过程中，对受力复杂部位有时需要知道结构的局部应力状态， 以进行结构的合理配筋设计，如桥梁结构承台、斜拉桥塔柱及主梁锚固区段、 系杆拱桥拱梁连接节点、梁桥梁端牛腿等。对此类结构的局部分析可以从整体 结构中取出隔离体，按整体分析得到的隔离体截面内力或位移条件作为隔离体 边界条件，采用三维实体元进行子结构分析。实体元采用四面体或六面体单元。 从整体结构中取出隔离体进行局部分析时，隔离体的大小、内力、位移边 界条件等因素对分析结果影响很大。 复杂桥梁结构的空间分析方法应根据桥梁结构形式及不同设计阶段的设计 深度进行选择。一般来说，对于宽跨比比较小的桥梁结构，可以采用空间梁单 元法进行分析；对宽跨比比较大的宽桥应采用板壳元法或梁格法分析。因梁格 法比板壳元法在实际应用上更为有效，一般采用梁格法进行分析，作为结构设 计的整体控制。而对于一些受力特别复杂的区域，可迸行三维实体元分析，以 解决复杂部位的配筋设计等问题。 2 3 计算模型 2 3 1m i d a s 简介 m i d a s c i v i l 是为了能够迅速完成对土木结构的结构分析与设计而开发的 “土木结构专用结构分析与优化设计软件”。c i v i l 是“c i v i ls t r u c t u r ea n a l y s i s & d e s i g ns y s t e mf o rw i n d o w s ”的缩写。它是经过国内外专业技术人员和s w 专家 的共同努力，考虑实际设计人员的要求，v i s u a lc + + 在w i n d o w s 环境下开发的。 m i d a s c i v i l 针对土木结构，特别是分析像预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥 等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线 性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。 在m i d a s c i v i l 中可以执行m c t ( m i d a sc i v i lt e x t ) 格式命令输入模型数 据。通过m c t 文件，用户可以更方便的输入模型数据，该数据可以和已有的建 模数据整合在一起。用户使用单独建立的m c t 文件可以随时输入模型数据，例 如节点坐标，材料属性，截面数据，指定位移模式和设计参数等。有广泛的适 用领域。以下采用m i d a s c i v i l2 0 0 6 对结构进行分析。 2 3 2 本工程计算模型 该桥分为上下行双幅，两幅结构对称。故在计算过程中，对单幅桥进行结 构离散，将结构划分成1 3 9 8 个单元( 1 0 1 4 个梁单元、3 8 4 个板单元) ，桥面板 用厚板单元模拟，其余单元均用梁单元模拟，结构共5 4 4 个节点。静力计算模 型如图2 4 所示： 2 3 3 模型说明 1 材料 桥面铺装：o 18 m 厚改性沥青。 钢材：主桁及桥面正交异性板均采用q 3 4 5 c 钢材。 2 、参数 a 、混凝土材料力学特性： 铺装沥青混凝土容重：r f - 2 3 5 k n m 3 b 、钢材力学特性： 钢材弹性模量：e e = 2 0 6 x 1 0 8 k n m 2 钢材容重：7 6 9 8k n m 3 钢材线性膨胀系数：a = 1 - 2 x 1 0 巧 c 、荷载等级： 汽车荷载：公路i 级 图2 - - 4 静力计算模型图 2 4 温度荷载对结构受力的影响 温度变化对结构的影响是复杂的，因为温度变化本身呈某种周期性的变化； 不同尺寸的构件、不同部位的构件对温度变化的反应不同。目前，在考虑温度 对超静定结构桥梁影响时，通常采用近似简化的计算方法来考虑温度变化的影 响。 温度变化对结构内力的影响可分为两种情况：一是均匀温度的变化，即全 桥温度变化相同，这种温度变化会使超静定桁架桥产生变形而造成温度次应力。 由于温度的变化将引起杆件的伸长，由于杆件的伸长。将引起杆件内部更大的 压应力和节点位移。二是不均匀的温度变化，即桁架结构的不同部位或桁架不 同构件的温度变化不同，在结构内产生了温度差，因而使结构产生变形，比如， 桥梁朝阳一侧温度高，背阳侧温度低，杆件上表面温度较下表面温度高。由于 该桁架桥截面尺寸较小，截面四周所处的环境温度基本一致，局部温差不是很 明显，所以由不均匀温度引起的结构内力和位移变化不是很明显【| 9 1 。 对于一般桥梁结构，一年四季，每天日出日落都会产生气温的变化。温度 的变化对空气中结构物的影响通常包括三大类型：年温差影响、日照温差影响 和骤降温度影响，这三类温度荷载的特点见表2 1 。 表2 1 各种温度荷载特点汇总表 特点 主要影响 时间性 作用分布对结构的 复杂性 温度荷瓢 因素 范围状态影响 日照温度太阳辐射短时急变局部不均匀局部应力大 最复杂 骤降温度强冷空气短时变化整体较均匀应力较大较复杂 年温变化缓慢温变长期缓慢整体均匀整体位移大简单 对该桥，外界气温取一月份的平均气温为最低气温，取七月份的平均气温 为最高气温。依据公路桥涵设计通用规范该桥地处环境为温热地区，一月 份平均气温为一9 。七月份的平均气温为4 6 ，桥梁建成温度取为2 0 。 桁架梁桥中，由于桁架杆件截面较小，截面四周都与大气接触温度基本一 致，所以只考虑杆件的整体升温或降温效应，通常温度效应对桁架结构的节点 位移及杆件轴力有较大影响。杆件受力主要以轴力n 为主，节点位置尽管出现 较小的弯矩m ，但是弯矩影响很小，故在计算温度效应时可忽略弯矩m 影响， 只考虑杆件轴力。其温度变化下节点位移计算公式如 a m = o f o ) 肚= o f o ) 口工 ( 2 1 ) 式中： 口一钢材的线膨胀系数，取口= 1 2 1 0 - 5 ； 一主梁的长度； 毛一桥梁建成时计算温度； f 一最高计算温度或最低计算温度。 图2 - 5 和图2 - 6 分别为结构按整体升温( 2 5 。c ) 、整体降温( 3 0 ) 对桥 面标高的影响图式。通过在温度变化情况下对应的节点挠度值的影响变化，来 反映温度对该桥结构的敏感程度。 o51 01 52 02 5 3 0 3 5 4 0 主桁位置( m ) 图2 - - 7 结构整体升温2 5 c 引起的主桁挠度变化值 1 4 8 7 6 5 4 3 2 l o 口占趔尊锹趟臻州 图2 - - 5 结构整体升温2 5 引起的桥面系挠度图 图2 6 结构整体降温3 0 1 2 引起的桥面系挠度图 051 01 52 02 53 0 3 54 0 ， ， ， 主桁位置( m ) 图2 8 结构整体降温3 0 引起的主桁挠度变化图 依据图2 5 和图2 - 6 ，提取下弦主桁随温度变化而引起的挠度变化值，画出 结构整体升温2 5 和降温3 0 引起的主桁挠度变化图，如图2 7 和图2 8 所示。 可以看出结构整体升温2 5 ，主桁从两侧向跨中挠度增大，方向向下，且以跨 中为中心对称，结构整体升温2 5 主桁挠度最大值达到7 r a m ；结构整体降温 3 0 ，主桁从两俱0 向跨中挠度增大，方向向上，且以跨中为中心对称，结构整 体降温3 0 主桁最大挠度达到8 m m 。 2 邑 趔 r 暴 蜷 卅 k 05 1 0 1 52 02 53 03 54 0 一，、 、 主桁位置( m ) 图2 9 结构整体升温引起的下弦杆单元轴力变化值 o 1屯弋o咱1喝啕 (u占玛芒制罄辅蝽州 0 o 屯书q 咱书 7 6 善5 絮a 萎。 斗h2 卜l o o5 1 0 1 5 2 02 53 03 54 0 主桁位置( ) 图2 1 0 结构整体降温引起的下弦杆单元轴力变化值 由图2 - 9 和图2 1 0 ，可以看出结构整体升温2 5 1 2 下弦杆受压，所受轴力从 两端向跨中减小，结构整体升温2 5 0 下弦杆最大压力达5 k n ，最小压力为2 k n 结构整体降温2 5 0 下弦杆受拉，所受轴力从两端向跨中减小，结构整体降温 3 0 0 下弦杆最大拉力达6 k n ，最小拉力为2 k n 。 2 5 本章小结 本章运用土木结构有限元分析软件m i d a s ，c i v i l2 0 0 6 对该桥梁结构的静力 特性进行分析，提取结构整体升温2 5 和降温3 0 0 桥面系标高以及对下弦杆所 受轴力数值，得出以下结论： l ，结构整体升温2 5 ，主桁从两侧向跨中挠度增大，方向向下，且以跨 中为中心对称，结构整体升温2 5 0 主桁挠度最大值达到7 r a m 。 2 结构整体降温3 0 0 ，主桁从两侧向跨中挠度增大，方向向上，且以跨 中为中心对称，结构整体降温3 0 0 主桁最大挠度达到8 r a m 。 3 。结构整体井温2 5 0 下弦杼受压，所受轴力从两端向跨中减小，结构整 体升温2 5 下弦杆最大压力达5 k n ，最小压力为2 k n 。 4 结构整体降温2 5 下弦杆受拉，所受轴力从两端向跨中减小，结构整 体降温3 0 下弦杆最大拉力达6 k n ，最小拉力为2 k n 。 1 7 第三章结构稳定性分析 3 1 概述 桥梁结构的稳定性，是关系到桥梁结构安全与经济的重要问题之一，它与 桥梁结构的强度一样有着至关重要的意义。由于桥梁日益采用高强材料和薄壁 结构，稳定问题更显重要。 世界桥梁建设史上曾经出现过许多因结构失稳而出现桥梁垮塌事件。比如， 俄罗斯的克夫达敞开式桥，于1 8 7 5 年因上弦压杆失稳而引起桥梁破坏；前苏联 的莫兹尔桥，于1 9 2 5 年试车时由