（交通运输工程专业论文）连续弯箱梁刚架桥计算分析及施工监测研究.pdf

摘要 近年来随着我国公路和城市道路的飞速发展，为满足城市交通和美观的需要，弯箱 梁桥结构出现得越来越多。弯箱梁桥在平面上呈曲线线形，能较好地适应地形地物，服 从总体线路要求，提供线条平顺、流畅、明快、意境生动的交通线，能使建筑美与环境 美协调一致，给人们以美的享受，符合人们的审美要求，因此被广泛应用到高架桥、城 市大型互通立交和高速公路大桥的引桥匝道上。 本文在分析总结弯箱梁桥的发展及特点和计算分析理论之后，对预应力连续弯箱梁 刚架桥的施工监测进行了研究。根据连续弯箱梁刚架桥的特点，探讨了各计算中分析方 法的对比。针对连续弯箱梁刚架桥的特点提出了合理的监测方案，规划并实施了有效的 施工监测。在实际工程施工控制过程中，成功采集了施工过程的基础数据和技术信息。 通过平面和空间受力分析与实桥试验研究结果的对比，对预应力混凝土连续弯箱梁桥的 设计和施工提出了自己的体会和见解，并有针对性地提出优化措施，从而成功地完成了 实际工程。为以后同类型桥梁的施工提供可借鉴的设计方法和构造措施。 关键词：连续弯箱梁刚架桥空间分析施工监测 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yh i g h w a ya n dt h ec i t yr o a d ，t o s a t i s f yt h en e e do ft h ec i t yt r a n s p o r t a t i o na n db e a u t y ，t h eb e n d i n gb o xb e a mb r i d g ea p p e a r m o r ea n dm o r e t h eb e n d i n gb o xb e a mb r i d g ep r e s e n t sac u r v el i n ef o r mo nt h ef l a ts u r f a c e ， c a na d a p tg e o g r a p h ya n dg r o u n do b j e c tv e r yw e l l ，o b e yt h er e q u e s to ft h et o t a lc i r c u i ta n d m a k ee s t h e t i c so fa r c h i t e c t u r ea n de s t h e t i c so fe n v i r o n m e n tm o d e r a t ec o n s i s t e n t l y ，g i v e p e o p l ew i t he n j o y m e n to fe s t h e t i c s ，m e e tt h er e q u e s to fe s t h e t i c ss t a n d a r do fp e o p l e ，s oi ti s e x t e n s i v e l ya p p l i e dt ot h ev i a d u c t ，t h ei n t e r c h a n g eo ft h ec i t ya n dt h er a m po f t h e s u p e r h i g h w a yb i gb r i d g e a tf n s t ，t h i st e x ta n a l y z ea n dg e n e r a l i z et h ed e v e l o p m e n t 、c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et h e o r y o fc a l c u l a t i o no ft h eb e n d i n gb o xb e a mb r i d g e t h e n ，m a k ear e s e a r c ha b o u tt h ee x e c u t i o n m o n i t o r i n go fp r e s t r e s s e dc o n t i n u o u sb e n d i n gb o xb e a mr i g i df r a m eb r i d g e ，t h i st e x te x p l o r e s t h ec o n t r a s to ft h ec a l c u l a t i o nm e a n s a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t i n u o u sb e n d i n g b o xb e a mr i g i df l a m eb r i d g e ，p r e s e n tar o wr e a s o n a b l eo fm o n i t o rp r o j e c t ，p r o g r a ma n d c a r r i e do u tav a l i dm o n i t o r a n ds u c c e s s f u l l yc o l l e c t e di nt h ea c t u a le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n f o u n d a t i o nd a t aa n dt e c h n i q u ei n f o r m a t i o n f r o mt h ec o n t r a s to ff i a ta n ds p a c es t r e s sa n a l y z e a n dt h er e s u l to fr e a l i t yb r i d g ee x p e r i m e n t ，p r e s e n tt h ej u d g m e n t sa b o u tt h ed e s i g na n d e x e c u t i o no fp r e s t r e s s e dc o n t i n u o u sb e n d i n gb o xb e a mr i g i df r a m eb r i d g e ，a n dp r e s e n ta g a i n s t o p t i m i z a t i o nm a n n e r ，t h u ss u c c e s s f u l l yc o m p l e t e da c t u a le n g i n e e r i n g a n dp r e s e n tr e f e r e n t i a l e x p e r i e n c ef o rt h es a m ek i n dt y p eb r i d g e k e yw o r d s ： c o n t i n u o u sb e n d i n gb o xb e a mr i g i df r a m eb r i d g e s p a c ea n a l y z e e x e c u t i o nm o n i t o r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者繇蓼飞鸯 论文知识产权权属声明 哆年，月厶日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者繇辱乞为 汐7 年f ，月如日 论文作者繇雩乞为 汐7 年f ，月如日 导师签名： 钸比杉 d 年f r ，月幻日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百i 匕 1 1 弯箱梁桥发展概况 近年来随着高等级公路的修建，由于城市立交桥建设的需要，弯梁桥结构在我国已 被广泛采用。在进行公路的平、纵、横三方面综合设计时，应做到平面顺畅、纵坡均衡 和横断面合理。在平面线形设计时，应考虑车辆行驶时的安全舒适，以使驾驶人员的视 觉和心理反应能保持线形的连续性，并避免采用长直线等设计原则。现代公路对平面线 形的设计要求较高，不但要考虑行车的安全和舒适，还必须注意与周围环境相协调，以 提高对美观的要求。当弯道半径较小或者桥梁跨径较大时，为了保证桥梁与道路线形的 一致，常做成弯桥形式。在城市中的立交桥工程，由于房屋比较密集，各种公共设施和 管线密布，因而在设计立交桥时，各桥墩几乎都是预先设在指定位置；线形的曲折几乎 是不可避免的。在城市中弯梁桥的半径一般都很小，且有一定的纵坡要求，要求桥梁的 控制标高也比较严格，为了适应各种车辆的通行要求，又常设计成多层式立体交叉，因 而，在城市立交工程中经常会选用弯、坡、斜桥方案。近年来我国的各大中城市内都修 建了大量有代表性的立交弯梁桥结构。回顾弯梁桥发展的简史，则首先应归功于高等级 公路的发展和城市交通立体化建设的需要，从而促使弯梁桥建设的日趋成熟。国际上主 要是在7 0 年代得到了大发展，国内主要是在8 0 年代得到了迅速发展。经过了一段时间 的探索、实践和研究，在弯梁桥的研究方面做了大量工作，积累了相当多的经验，并且 还在做更为细致的研究和探索。在弯梁桥的计算理论方面，国内各大专院校、科研、设 计单位都已进行了一些探索，编制了一些计算机软件，可供内力分析或配筋设计之用， 对于弯梁桥的动力分析方面，国内学者也已着手研究，并取得了可喜的成果。随着我国 经济建设事业的迅速发展，我国建造的混凝土弯梁桥将会更多，在技术上也将会更接近 国际先进水平。 1 2 弯桥的受力特点和构造特点 1 2 1 弯桥的受力特点 1 ) 梁截面在发生竖向弯曲时，由于曲率的影响，必然产生扭转，而这种扭转作用又 将导致梁的挠曲变形，称为“弯一扭”耦合作用； 2 ) 由于弯扭耦合，弯桥的变形比同样跨径直线桥大，外边缘的挠度大于内边缘的挠 度，曲率半径越小、桥越宽，这一趋势越明显； 3 ) 弯桥即使在对称荷载作用下也会产生较大的扭转，通常会使外梁超载，内梁卸载； 4 ) 弯桥的支点反力与直线桥相比，有曲线外侧变大，内侧变小的倾向，内侧甚至产 第一章绪论 生负反力； 5 ) 弯桥的中横梁是保持全桥稳定的重要构件，与直线桥相比其刚度一般较大； 6 ) 弯桥中预应力效应对支反力的分配有较大影响，计算支座反力时必须考虑预应力 效应的影响。 1 2 2 影响弯桥受力特性的主要因素 除了影响直线桥受力特性的因素外，与弯桥有关的主要因素有： 1 ) 圆心角 主梁的弯曲程度是影响弯桥受力特性最重要的因素，但是曲率半径并不能全面 地反映弯曲程度，曲率半径相同时，跨径越大弯曲程度越大。能全面反映主梁弯曲 程度的参数是圆心角，它是跨长与半径的比值，反映了与跨径有关的相对弯曲关系。 如果桥梁跨长一定，主梁圆心角的大小就代表了梁的曲率，圆心角越大，曲率半径 就越小，所显示的弯桥的受力特点就越明显。如图1 1 所示的简支超静定曲梁，其 跨中挠度影响线为： 式中： 图1 1 集中荷载p 作用下的变形计算 刁吕= w ( 致= 警，p = l ， = 百r 3 ( c ，。+ ) q 。- ( 等如导+ 鲫s 纬一譬s m 鲫s 妙击一3 s 渤i n q p 如导 q ，= ( 鼍等s ；n 警+ 纬c o s 纬s i n 譬一譬s ；n 纬c 。s 譬 面1 一豢鬻s 幻导+ 警 2 长安大学硕士学位论文 k = 口么，一一弯扭刚度比。 l r jo 由图中可以看出，当圆心角较小时( ( o o 3 0 。) 时，系数c n 极小，也即当 3 0 。时可以忽略扭转对挠度的影响。实际上当够。5 0 。时，弯梁的纵向弯矩可以足够精 确地用跨径为2 _ r 矿。的直线梁来计算。 在对曲线梁桥进行计算时，应充分考虑桥梁宽度的因素，尤其是宽桥，车辆荷载偏 载时，将会加剧曲线梁桥的扭转反应。随着圆心角的减小，则曲线梁的性质就愈接近直 线梁的情况。由此，可以得出结论，在相同跨径情况下，曲线梁桥的截面内力较同跨径 的直线梁桥要大，因而，其截面尺寸和用钢量等指标都将有所增加。 曲线梁桥中的挠曲变形和扭转变形是耦合的。在计算曲梁的竖向挠度时，可以理解 成是由“挠”和“扭”两者叠加而得。对于曲线梁桥的外侧边梁的竖向挠度一般较同跨 径的直梁桥为大。所以当r 愈小，l 愈大时弯扭效应更加明显，也即曲线梁桥的力学特 性更加突出。 2 ) 弯扭刚度比k = e i g i 。 曲线梁桥中的弯扭刚度比对结构的受力状态和变形状态有着直接的关系。由于曲 率因素而导致的扭转变形显著增大。因此，对于弯梁桥而言，在满足竖向变形( 抗弯刚 度e 1 ) 的前提下，宜尽可能地减小日值，增大饼d 值。所以在曲线梁桥中，宜选用高度 较矮的梁和抗扭惯矩较大的箱形( 封闭形) 截面。 3 ) 其它特点 内梁和外梁受力不均： 在曲线梁桥中，由于存在较大的扭矩，因而通常会使外梁超载，内梁卸载，尤其在 宽桥情况下更会增大内、外梁受力的差异。由此，在进行截面设计时常会增加复杂性， 甚至构成明显不经济的断面尺寸和配筋。内、外梁的支点反力有时会相差悬殊，当活载 偏置时，内梁甚至有可能产生负反力。当曲率半径小、跨径大、恒载小时，更应注意在 设计计算上控制内梁支点反力的问题，必要时应在构造上采取相应措施给以保证。 曲线梁桥中横梁的功能 曲线桥梁中横梁的功能，除具有直线桥梁中功能外，还担负着保持全桥稳定性 的作用，尤其对于薄腹箱梁来说，增设横隔板是减小截面畸变变形的最优方案。 曲线梁桥中均布恒载的横向分布 在直线梁桥中，均布恒载可以假定各根主梁均匀受力，但在曲线梁桥中各根主 第一章绪论 梁的恒载内力很不均匀，尤其在多梁式开口截面的情况时，其恒载也存在荷载横向 分布的计算问题，外侧边梁受力最大，因而，常需在构造上采取措施以增加整个桥 梁的抗扭刚度，以弥补上述各梁内力分布不均的问题。 1 2 3 弯梁桥的构造特点 据受力特性，其主要的构造特点为：支座设置的特点；车辆在圆曲线上行驶时必须 设置超高和加宽的特点，外弧长内弧短的特点，上部结构和下部结构必须构成有利于抵 抗“弯扭剪 的特点，在构造上必须能适应纵横向平面位移和转动的特点等。 根据弯梁桥支座设置方式的不同，可以构成各种不同的计算图式。例如单跨简支曲 梁桥，可以布置成一端抗扭约束、另一端自由转动的简支静定曲梁桥；也可布置成两端抗 扭约束的简支超静定曲梁桥。显然，也可在支点处构造成完全嵌固的方式，也即在支点 处既是抗扭约束也是抗弯约束等。改变支承条件是调整结构内力的有效方法之一。静定 形式的简支弯桥在实际中是不可取的，因为不抗扭的梁端将产生扭转变形，这给设置伸 缩缝带来困难。采用何种支承形式，应根据具体设计条件而定。 对于连续弯桥，从理论上讲所有支承均可以采用点铰支承，但是在荷载作用下，粱 端将产生扭转变形，从而在梁端与桥台背墙间产生上下相对变形，这将导致伸缩缝破坏。 为了保证伸缩缝正常工作，一般在梁端的桥台设置能抵抗外扭矩的抗扭支座，中间支承 可以采用抗扭支承，或点铰支承，或交替使用两种支承形式。支承形式对弯矩的影响很 小，对扭矩的分布和峰值影响也不大，主要对支承附近断面的扭矩有一些影响。因此， 对于连续弯桥，特别是在曲率半径较小的情况下，中间桥墩可以采用独柱墩，这样，在 不大量增加上部结构造价的情况下节省了下部结构的造价。但是，在曲率半径较大时， 中间采用独柱墩与采用双柱墩，虽然弯矩与剪力差别不大，但扭矩是有明显区别的。曲 率半径较大时弯扭藕合作用减小，如果中间均设独柱墩，活载偏心所产生的扭矩大部分 传递到相邻孔，所有中间孔的扭矩最终累积到梁端的抗扭支承上。因此，在曲率半径较 大时不宜设计中间独柱墩的多跨连续梁，尤其是在较宽的直桥不应设置多跨中间独柱 墩。在独柱墩较高的情况下，可以采用“墩一梁”固结的构造，充分利用桥墩的柔性来 适应上部结构的变形要求，省去价格昂贵的支座，同时简化了墩梁连接处的施工，从而 获得较好的经济效益。但是在设计墩梁固结桥梁时必须考虑上部结构对桥墩受力的影 响，保证桥墩有足够的强度。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 计算理论综述 弯梁桥的受力特性与其各方面的特征有关，如曲率半径r ，跨径l ，截面型式，宽 跨比b l ，抗弯刚度e i ，抗扭刚度g i d ，翘曲刚度e i 。及支承型式等。国内外许多专家 学者针对不同的弯梁桥结构型式，相继提出了各种各样的计算理论和分析方法，归纳起 来大致可分为如下三类，即解析法，半解析法和数值法。 实际上，每一种计算理论或分析方法都有其各自的特点与适用条件，因此在决定采 用何种分析方法之前，首先应判定计算对象对所采用的分析方法的假定条件是否满足， 这对于使计算结果更好地符合计算对象的实际工作状态是十分重要的。以下是实际工作 中常用的理论： 1 ) 单纯扭转理论 这种理论把弯梁桥结构当作集中在梁轴中心线处的弹性杆件来处理，并认为受载后 横截面仍保持平面( 即不发生翘曲) ，且截面形状保持不变( 即不产生畸变) 。单纯扭转理 论概念清楚，计算简便，为广大工程技术人员所乐于接受。这种理论一般能适用于跨长 大于横截面尺寸四倍时的所有实体截面及箱形截面的混凝土弯梁，此时所引起的误差一 般均在工程设计容许范围内。目前较常用的基于单纯扭转理论的结构力学方法以及m r 法，都是建立在单纯扭转理论基础上的。另外，不考虑翘曲影响的传递矩阵法、三力矩 方程法、力矩分配法和传递矩阵法等也属于单纯扭转理论范畴。 2 ) 翘曲扭转理论 当弯梁桥的截面为开口薄壁或分离式闭口薄壁截面等形式时，翘曲扭矩在总扭矩中 将占有相当大的部分，故此时必须考虑翘曲扭转的影响。考虑翘曲扭转影响的弹性薄壁 曲杆理论也将弯梁桥视作单根薄壁弯梁进行分析，因此适用于宽跨比b l 较小的窄弯梁 桥或多主梁桥中的单根弯梁的力学分析。应予说明的是，弯梁桥的一个主要受力特性 就是弯扭耦合，即在竖向荷载作用下弯梁桥中同时产生弯矩和扭矩，在扭矩荷载作用下 同时产生扭矩和弯矩，并且相互影响。这一特性不但使弯梁桥的分析比直梁桥复杂，而 且使弯梁桥中扭矩无时没有，无处不在，且数值较大。因此对弯梁桥中的扭矩应予以足 够的重视。在弯梁桥中，扭转引起的截面翘曲和畸变一般均较直梁桥为大。但由于截面 畸变的影响可通过设置足够的横隔板予以减小，或者可单另考虑，故分析时一般可以暂 按刚性截面考虑( 即不计畸变的影响) 3 ) 梁格系理论 梁格系理论是将桥梁上部结构用一个等效梁格来代替，分析这种等效梁格后再将其 5 第一章绪论 结果还原到原结构中就可得到所需的计算结果。此法易于理解，便于使用，应用范围广， 而且是比较精确的方法，因此在各种类型的桥梁分析中得到了广泛使用。一般说来，等 效梁格的网格越密，计算结果的精确度就越高。根据梁单元有限元法利用计算机分析梁 格是一种比较有效和常用的方法，国内已有许多单位编制了这类计算机程序。 4 ) 梁系理论 此方法是将弯梁桥沿主梁梁宽用纵向竖缝分开，在切口处代人赘余力函数弯矩、竖 向剪力、水平剪力等，并以正弦级数形式表达荷载、内力和位移，利用能量原理或其它 方法求解赘余力函数，进而求得各主梁的内力与位移。这一方法适用于肋板式弯梁桥， 对于有横梁的弯格子梁桥也近似适用。上述方法的基本原理常用于荷载横向分布计算。 5 ) 正交异性板理论 这一理论将弯梁( 板) 桥转换成在极坐标下的正交异性板。由于弯主梁、横梁的几何 特性不同，加上桥面板在各个方向的构造不同，这种各向异性实际上是构造上的各向异 性，并用平板理论来求解板的挠曲微分方程。我国姚玲森教授等不仅提出了横向等截面 曲线梁桥的实用计算方法一比拟正交异性曲板法，面且利用正交异性板理论分析了横向 变截面的曲线梁桥，使正交异性板理论的应用范围更加广泛。正交异性板理论不仅考虑 了板的双向作用，也考虑了泊松比的影响。因此其精度通常能够满足弯板桥和弯格子梁 桥的设计精度要求。由于这一理论需求解比较复杂的微分方程，因此最好能编制出实用 计算图表，但这项工作还需做进一步研究。 6 ) 空间有限单元法 6 0 年代以来，有限单元法在工程结构领域中得到了广泛的使用。有限单元法的应用 范围极广，几乎所有型式的弯梁桥都可以用有限单元法分析。这种方法，将弯桥结构离 散成什么样的单元是分析问题的关键。用于分析弯桥的各种单元大致可分为面( 壳) 状单 元和线状单元两大类。鉴于采用面状单元时计算时间较长，占用计算机内存较多，数据 处理比较复杂，故在工程设计中的应用受到一定限制，当采用板壳单元或块体单元对弯 梁桥进行离散时，可以充分计入翘曲、畸变、剪力滞、泊松比等的影响。但是此种计算 模型输出结果为应力状态，其与现行桥规按内力进行配筋的方式不匹配。若将应力空间 积分为内力，则工作量大和复杂性高。 1 4 本文研究目的及研究内容 本课题以山东某桥为例，主要研究连续弯箱梁刚架桥的合理实用的计算方法及对应 的监测手段。首先，针对连续弯箱梁刚架桥的特点，用平面和空间有限元计算模型分别 6 长安大学硕士学位论文 计算分析，然后有针对性的提出合理的监测方案，对各阶段位移、应力进行观测，并进 行静载试验检测桥梁实际受力性能。对采集的数据进行分析处理，分析理论计算与实际 施工情况之间的差异，对误差进行识别判定。最后根据结果对比提出合理的设计方法和 改进措施。 本课题的目的是对连续弯箱梁刚架桥的计算方法及模型参数调整等方面进行研究。 并运用到实际工程中，通过实际工程的监测，总结经验和教训，为以后同类型桥梁的设 计和监测提供可借鉴的方法。 第二章弯刚架箱梁桥结构分析实例 第二章弯刚架箱梁桥结构分析实例 2 1 计算实例介绍 本案实例属济南市顺河高架桥北延工程，高架桥全长4 1 2 k m ，全部采用高架桥型 式。路线起终点分别设北绕城互通立交和北园路互通立交，其中北园路立交为5 层全定 向互通立交，为目前山东省内规模最大、国内领先水平的城市立交。北园路作为济南市 的东西向快速干道，要求桥梁跨越该路时既要注意交通因素，也要考虑景观因素。经过 多方案比选，最后确定跨越北园路的2 座主线桥和4 座匝道桥均一孔跨越；采用三跨变 截面预应力混凝土连续弯箱梁刚架结构。其中a 匝道桥平面设计线半径仅为1 2 0 m ，跨 径组合为3 3 + 5 0 + 3 3 = 1 1 6 m ，箱梁底缘从根部到跨中按二次抛物线变化。本桥采用两阶段 满堂支架对称施工，施工接缝设在边跨距中墩l l m 处，接缝处设置张拉横梁，中跨设置 三道构造横梁。( 见图2 1 ) - 婴 i 型 必 1 墩顶断面跨中断面 图2 1 桥梁纵横向断面图( 尺寸单位：e r a ) 2 1 1 技术标准 1 ) 桥梁横断面：单向双车道标准宽度9 0 m ( 含2 x o 5 m 防撞护栏) 。 2 ) 设计汽车荷载：汽车一超2 0 ，验算荷载：城- a 。 3 ) 设计速度：6 0 k m h 。 4 ) 桥梁平曲线半径：1 2 0 m ( 设计线处) 。 5 ) 桥面铺装：沥青混凝土铺装ll c m 。 6 ) 桥下车辆通行净空：h 5 0 m 。 8 长安大学硕士学位论文 7 ) 地震：地震烈度为v i 度，桥梁按v i i 度设防。 8 ) 环境类别：i 类。 2 1 2 桥梁采用规范和标准 1 )公路工程技术标准 2 )公路桥涵设计通用规范 3 ) 、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 表2 1 材料设计参数表 j t j0 0 1 9 7 j t j0 2 1 8 9 j t j0 2 3 8 5 材料 项目参数备注 抗压设计强度群 2 8 5 m p a 5 0 号 抗拉设计强度群 2 4 5 m p a 混凝土抗压弹性模量e h 3 5 0 0 0 m p a 抗弯弹性模量e 2 9 7 5 0 m p a 0 8 5e h 计算材料容重p 2 6 t m 3 线膨胀系数qi 0 e - 5 混凝土 弹性继效系数 o 3 特性参数 徐变速度系数 o 0 2 l 徐变终极值。 2 5 收缩速度系数0 0 2 5 收缩终极值( f ，) 0 0 0 0 1 5 标准强度r y 1 8 6 0 m p a 符合a s t m a 4 1 6 标准 低松弛 控制张拉应力o ： 1 3 9 5 m p a 0 7 5r y 钢绞线 弹性模量e y 1 9 0 e 5 m p a 松弛率 0 0 2 5 钢束管道摩阻系数u 0 3 锚具及 钢束管道偏差系数忌 0 0 0 3 波纹管 单端锚具变形及回缩值a f 0 0 0 6 m 2 1 3 桥梁计算荷载 1 ) 恒载：自重+ 二期恒载( 包括l l c m 沥青混凝土铺装和两侧护栏) 2 ) 活载：汽车超2 0 ，双车道布载计算； 3 ) 温度荷载：考虑体系升温2 0 c 、体系降温2 0 c 、按规范取梯度温度； 4 ) 不均匀沉降：边墩、固结墩各下沉l c m ； 9 第= 章弯刚槊箱粱桥结构分析实倒 5 ) 荷载工况组台： 恒载+ 活载； 恒载+ 活载+ 整体升( 降) 温2 0 度+ 升( 降) 温梯度+ 不均匀沉降组合 214 桥梁计算模型均考虑了以下计算工况： 1 )在支架上浇注5 0 米主跨及其两侧”米跨的1 1 米悬臂段； 2 )混凝土强度达到8 5 以后，张拉预应力钢束，张拉完毕后及时封锚灌浆： 3 )使用联接器接长预应力钢柬，在支架上完成两侧边跨合拢段浇注： 4 )混凝土强度达到8 5 以后，张拉预应力钢束，封锚灌浆，并一次落架； 5 )浇注桥面铺装，安装护栏，全桥形成。 22 平面杆系建模分析 采用桥梁博士平面计算程序对a 匝道桥旆工过程和使用状态进行了分析。全桥共离 散为粱单元2 4 6 个。计算模型如图22 图2 2 平面杆系计算模型 22 1 成桥状态 由于支架在全桥形成一次拆除，粱体的应力变化较均匀稳定，故在以下的计算结果 中，仅给出成桥时的内力和应力状态。 本阶段施工结束后，结构整体内力、应力和竖向位移如图23 27 及表22 ： 最大恒载正弯矩出现在中跨跨中截面，太小约为9 3 9 6 k n m ，最大负弯矩位于2 号、3 号墩墩顶截面，大小约为- 3 5 8 3 1 k n m ； 最大恒载剪力出现在2 号、3 号墩墩顶截面，大小为3 8 4 4 k n ； 成桥状态结构上缘储备了4 g m p a 的压应力，最大值在边跨跨中处，大小为 8 9 m p a 左右。结构下缘储备了6 9 m p a 的压应力，最大值出现在中跨跨中附近，大小 为8 5 m p a ； 结构整体主压应力为6 - - 9 m p a ，最大值在近边墩处，大小约为8 8 m p a ；整体主 拉应力较小，最大值在3 号墩墩项处，大小约为- 0 9 m p a ： 结构的竖向位移很小，中跨四分跨处最大竖向位移8 m m ( 向下) 。 * 安大学硕学位论文 图2 3 成桥状态下恒载弯矩 f 卞1 图2 4 成桥状态下恒载剪力 图2 5 成桥状态下正应力 卿岫驷唧衄瞬 图2 6 成桥状态下主应力 图27 成桥状态竖向挠度 表2 2a 匝道施工阶段1 4 号墩支反力表汇总 ， 一 公1 一 第二章弯刚架箱粱桥# 构分析宴例 2 22 使用阶段计算 当计入可变荷载效应和基础变位效应时，各组合情况下全桥截面上下缘应力包络图 如28 21 2 所示。 1 ) 组合i 作用下应力状态 荷载组合i 情况下，截面上缘正应力在3 9 m p a 左右，最大正应力在边跨四分点附 近，大小为9 3 m p a ；截面下缘正应力在3 9 m p a 左右，最大正应力在边跨近边墩四分 点截面附近，大小约为92 m p a ：全桥上缘主压应力在9 1 2 m p a ，最大值位于边跨跨中 截面，太小为1 21 m p a ；主拉应力为q4 o m p a 左右，梁体上主拉应力较小，墩顶稍大， 最大值在3 号墩墩顶截面，大小为一1 4 m p a 。 厕隔榔孵黝嘲溉麟 _ o _ i o n “净_ _ “o u u l e m 4 “q ： 一i 。“：，。：+ 一x2 一：? i ，一、，? 7 。q i 7 一“1 一 f i ：1 图2 8 组合一作用下正应力 m m 阳腑胁删m m 佩f m 图2 9 组合一作用下主应力 2 ) 组合作用下应力状态 荷载组合情况下，截面上缘正应力在0 4 9 m p a 左右，最小正应力在墩顶，大小 为04 m p a ；截面下缘正应力在2 9 m p a 左右，最小正应力在中跨跨中截面附近，大小 约为1 7 m p a ；全桥上缘主压应力在9 1 6 m p a 左右，最大值位于边跨跨中截面，大小为 1 56 m p a ，主压应力较大：主拉应力为一14 o m p a 左右，粱体上主拉应力较小，墩顶稍 大，最大值在墩墩顶截面，大小为一l _ 4 m p a 。 图2 1 0 组合二作用下正应力 爨。| 蝴j ，卿搿 哩一 攀静 嘤 纛 长安大学硕士学位论文 - 1 4 - l4 图2 1 1 组合二作用下主应力 根据规范规定，以汽车荷载( 不计冲击) 计算的主粱跨中最大竖向挠度允许值l 6 0 0 = 5 0 0 0 6 0 0 t83 3 c m 2 1 + 0 4 = 25 c m ，满足规范的要求。结构重力与汽车荷载( 不计冲 击) 产生的向下挠度；o8 + 2 1 = 29 c m l 1 6 0 0 = 5 0 0 0 1 6 0 0 = 3 1 2 5c m ，所以无需设置预 拱度。 圈2 1 2 活载作用下最大最小竖向位移 23 空间有限元建模分析 采用通用有限元程序a n s y s 对a 匝道施工过程和使用状态进行了分析。在通用有 限元计算中，弯箱粱项、底、腹及各种隔扳采用空间壳单元模拟计1 0 3 5 2 个；预应力 钢柬的作用采用等效应变法来模拟，中墩采用空间实体单元模拟，计2 2 4 个。全桥总计 单元1 2 2 3 2 个，节点3 2 4 2 1 个。计算模型如图2 1 3 所示。 计算模型均考虑了以下计算工况： 1 ) 在支架上浇注5 0 米主跨及其两侧”米跨的l l 米悬臂段； 2 ) 混凝土强度达到8 5 毗后，张拉预应力钢束，张拉完毕后及时封锚灌浆； 3 ) 使用联接器联接预应力钢束，在支架上完成两侧3 3 米跨浇注； 4 ) 混凝土强度达到8 5 以后，张拉预应力钢束，封锚灌浆，并拆除支架； 5 1 浇注桥面铺装，安装护栏。 考虑到支架在全桥形成后才拆除，梁体的应力变化较均匀稳定，故在以下的计算结 果中，直接给出成桥时的内力和应力状态。 第二章弯刚架箱粱桥结构分析实侧 采用空间有限元通用计算程序计算完毕后，得各阶段应力位移图，如图2 1 4 22 7 所示。单位约定：应力以p a 计，位移以米计。 231 成桥状态 1 ) 成桥应力 成桥时，结构整体应力情况为： 结构上缘储备了2 8 m p a 的正压应力，最大值在中跨四分点处，大小约为7 8 m p a 左右。结构下缘储备了3 s m p a 的正压应力，最大值出现在边跨四分点附近， 大小约为8 0 m p a ；局部区域( 如锚固区、中墩处) 出现高应力； 整体主拉应力较小，最大值在2 号、3 号墩墩顶处，大小约为- 06 m p a ；同时局 部区域( 如锚固区) 小范围应力稍高。( 注：图中在施工接缝出现的局部高应力， 是由于建立模型时模拟预应力对两侧梁体的压应力作用而造成的，此处与实际 情况不符。) 图2 1 4 主跨顶扳切向应力图21 5 边跨顼扳切向应力 iffge岜目gi目| 长安大学硕学位论文 i 图2 1 7 边踌底板切向应力 图2 2 0 主跨外腹板主拉虚力图2 2 1 边跨外腹板主拉应力 2 ) 成桥变形 成桥阶段结构各方向位移均较小，竖向位移最大值出现在中跨跨中附近，大小约为 07 e r a ，方向向下；切向变形最大o7 c m ( 顺桥向) 。 第= 章弯架箱粱桥结构分折实例 、幞 图2 2 2 成桥变形图图2 2 3 成桥切向变形云图 图2 “成桥竖向变形云图 232 使用阶段计算 ( 以下各关键断面应力图中，左侧为桥梁外侧，右侧为桥梁内侧) 1 ) 汽车荷载作用下关键断面应力 取两个跨中以及一个支点为控制截面，按其内力影响线的最不利位置分别进行内侧 以及外侧布载，求得各控制截面在恒载与汽车荷载共同作用下项、底板的 蠢翠玉 瑾蕊 】圈d 图2 2 5 主跨踌中断面应力 ifi-g=l-=xm 昌_昌昌昌昌吕吕吕昌- 长安太学硬学位论文 图2 2 6 边跨跨中断面应力 图2 ”墩项断面应力 最大以及最小应力图。图2 2 8 23 3 中的上图为汽车荷载与恒载共同作用，引起该控制 断面最小弯距时的正应力分布情况，下图为弯距最大时的应力分布情况，左侧为桥梁外 侧，右侧为桥梁内侧。 由图22 8 22 9 可以看出，边跨跨中截面上缘正应力为3 9 m p a 左右，当汽车荷 载布置在外侧时顶板出现应力最大值，约为96 2 m p a l 控制截面下缘正应力为1 8 m p a 左右，当汽车荷载布置在内侧时底板出现应力晟大值，约为85 9 m p a 。 由图2 3 0 23 1 可以看出，墩顶截面上缘正应力为2 - 一4 m p a 左右，当汽车荷载布 置在内侧时顶板出现应力最大值，约为45 m p a ；控制截面下缘正应力为2 l l m p a 左右， 当汽车荷载布置在外侧时底板出现应力最大值，约为1 1 m p a 。 由图23 2 23 3 可以看出，中跨跨中截面上缘正应力为4 l o m p a 左右，当汽车荷 载布置在内侧时项板出现应力最大值，约为l o m p a ；控制截面下缘正应力为o 8 m p a 左右，当汽车荷载布置在外侧时底板出现应力最大值，约为77 7 m p a 。 l 口 口 口 口 口 口 弟= 章弯刚架箱粱桥结构分析实例 _ 口 口 囝 日 口 口 口 _ 图22 8 汽车荷载布于内侧时，边跨跨中截面顶、底板正应力 重翼 罾 b 3 3 e + 0 7 旨s 5 6 m e + 0 ，7 _ 日 口 日 目 亡 口 曰 - 图2 2 9 汽车荷载布于外侧时，边跨跨中截面项、底板正应力 l e 豳汪一 _ _ 口 口 日 口 口 口 - 篇篇篇篇器 鲇“”印虬弛弛 椰帅帅加柚巾加加帅帕蛇盯舱船卵盯卯 篇嚣麓篇嚣 8 7 7 6 5 5 3 3 2 长安大学碗学位论立 堡 面 i i 蕾 一 图23 0 汽车荷载布于内侧时，墩项截面项、底板正应力 一 贯 菌 赢 匿 i 看 赢 一 圈 日 圈 目 口 口 口 _ 图2 3 1 汽车荷载布于外侧时，墩项截面顶、底板正应力 _ 圈皇 口 目 目 口 口 口 _ +十+十 b 8 9 l 2 日6 7 9 0 们蝴加帅柏蜘蝴帅柚椰 8 7 7 6 s 5 4 3 3 2 椰蚰帕蝴帅柏蚰们们帅 3 5 6 8 0 1 3 5 6 日 # = 弯刚架箱粱桥结构分析宴例 图23 2 汽车荷载布于内侧时，主跨跨中截面顶 _ 日 口 圈 j 圃 l 口 l 口一 l 圈一 i o 底板正应力 圈豳豳嘲 目 口 口 目 口 口 口 二二= 二：二二一一一虽鍪i 丁r 一良攀i l _ j 虽嚣黧 长安大学碰学位论文 正号向上) ，当汽车荷载布置在内侧时，内侧翼缘端部出现向下的竖向位移最大值，约 为0 5 2 c m ；控制截面底板竖向位移为- 02 0l c m 左右，当汽车荷载布置在内侧时，底 板与内腹板交接处出现向下的最大位移，约为- 0 2 7 c m 。 由图23 8 23 9 可以看出，中跨跨中截面项板竖向位移为- 3 0 4 c m 左右( 负号向 下，正号向上) ，当汽车荷载布置在外侧时，外侧翼缘端部出现向下的竖向位移最大值， 约为32 c m ；控制截面底板竖向位移为- 0 3 0 4 e m 左右，当汽车荷载布置在内侧时，底 板与外腹板交接处出现向下的最大竖向位移，约为04 c m 。 - 口 口 口 日 口 口 口 _ 目 目 日 目 口 口 口 圈2 3 4 汽车荷载布于内侧时，边跨跨中截面顶、底板竖向位移圈 豳i 夏至二型 _ 目 口 日 口 口 口 3 9 6 3 0 7 3 0 7 4 0 o 0 0 0 0 0 口0 0 加呻 z 7 2 7 2 ，2 8 3 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 第= 章弯h u 箱粱桥镕构* 析宴“ 匿耍二= ，【互! 】l e 二 臣薹i 互型 口 口 口 目 口 口 口 圈23 5 汽车荷载布于外侧时，边跨跨中截面顶、底板竖向位穆国 一 _ 日 口 口 目 口 口 口 - 醛| | | | 图2 j 6 汽车荷载布于内侧时，墩顶截面顶、底板竖向位移圈 - 曲 日 口 口 口 口 口 - 5 1 7 3 9 5 l 一一0 长安大学硕士学位论文 - 口 口 目 日 口 口 口 _ 图2 3 7 汽车荷载布于外侧时，墩顶截面顶、底板璺向位移图 图2 3 8 汽车荷载布于内侧时，主跨跨中截面顶、底板竖向位移图 图2 3 9 汽车荷载布于外侧时，主跨跨中截面顶、底板竖向位移图 3 ) 支座沉降效应计算 图2 4 0 24 3 为不计恒载的情况下，3 号墩发生向下的位移，位移量为l c m 时，结 口四囹口口口一 _恤口团圈口口圈_ 一圆口团圃口口口i _圃团圆固口口口i 第= 章弯刚架箱粱桥结构分析实例 构顶、底板的切向应力云图、结构整体的变形图以及竖向位移云图。从图中可以看出， 当支座发生l c m 的沉降时，结构顶板切向应力变化量在05 ( 压应力) - 03 ( 拉应力) m p a 左右：底板切向应力变化量在0 7 ( 压应力) f 09 ( 拉应力) m p a 左右；竖向位移 最大为11 e r a ，在发生沉降的支座附近截面。 n 。一j 爹 露 图2 4 23 号墩位移时底板切向应力圈 图2 4 33 号中墩位移时竖向位移云图 4 ) 整体升温效应计算 图24 4 2 4 7 为不计恒载的情况下，结构整体升温2 0 度时结构顶、底板的切向 应力云图、结构整体的变形图以及结构竖向位移图。 从图中可以看出，当整体升温2 0 度时，结构顶板切向应力变化量在0 1 ( 压应力) 02 ( 拉应力) m p a 左右；底板切向应力变化量在10 8 ( 压应力) 一10 7 ( 拉应力) m p a 左右；竖向位移最大为05 c m ，发生在中跨跨中截面。 长安丈学硕士学位论文 图2 “整体升温2 0 度对整体变形圈图2 4 s 整体升温2 0 度时顶板 蘸 i 鋈 切向应力图 嚣 圈2 4 6 整体升温2 0 度时底板切向应力图图2 4 7 整体升温2 0 度时竖向位移云图 2 33 桥墩计算 北园路a 匝道桥的计算按原施工工况进行，结构离散如图，2 、3 号桥墩与主粱固 结，1 、4 号墩设纵向活动支座。各工况反力汇总如下： 边m 图2 4 8 通用有限元计算模型 1 ) 各桥墩在成桥时的反力 下表为按照施工过程计算到成桥时各桥墩的反力汇总，边墩外侧支座反力明显大于 内侧，支座选型时必须注意。 鼎篓翔豢蒜鞭 昌昌-z=昌瞢暑昌 第二章弯刚架箱粱桥结构分析实 表2 3a 匝道各施工阶段l 4 号增支座反力袁汇总 窠 边堪i中墩2中墩3边增4 内( 1 n )外( k n ) ( k n )( k n ) 内( k n )外( k n ) 5 5 ”5 7 8 3 6 0 581 4 0 76 5 9 3 6 8 4 64 0 881 5 1 92 7 3 2 91 5 6 91 7 m 7 图2 4 9 4 25 1 为成桥时，3 号中墩整体变形示意图。视角如图所示，径向变形以向 圃弧外侧为正，切向以1 号墩向4 号墩为正。 从图中可以看出，成桥时： 3 号增整体向2 号墩方向倾斜，并有外倾趋势，整体位移最大处位于墩项，小于l c m 。 切向位移最大值在墩顶，约4 n u n ；径向变形几乎没有。 3 号墩整体变形略呈s 形，垮顶主要趋势为向2 号墩方向倾斜，最大变形、切向变 彤以及径向变形均小于42 r a m 。 圈2 4 93 号中墩整体变形 长安人学碗学论女 图2 5 03 号中堪切向变形图2 5 13 号中坶径向变形 3 ) 成桥时桥墩的应力 图2 5 2 2 5 5 为成桥时，3 号中墩应力图。从计算结果看出： 3 号墩整体应力水平不高，墩身切向应力大部分区域在1 m p a 以下，墩顶和墩底有 部分高应力区域，墩项有48 m p a 的压应力，距墩顶处有近07 m p a 的拉应力。墩身的径 向应力大部分是拉应力墩身应力不高约- 0 3 3 m p a ，墩项有31 m p a 的压应力。墩身的 竖向应力大部分为3 m p a 的压应力，墩项局部出现7 m p a 压应力的高应力区域。墩身绝 大部分范围的主应力不高，在4 - 1 m p a 左右，只在墩顶和墩底有部分高应力区域，峰值 拉应力约0 7 m p a ，压应力约2 3 m p a 。 图2 5 23 号中墩切向应力图2 5 33 号中墩径向应力 图2 5 43 号中墩竖向应力图2 5 53 号中墩主拉应力 赫豢掰 l 昌- 葛署- 昌吕口j _ _ = =： = 昌昌昌- = 昌昌口= 懋嚣曼昌昌_ 吕昌 麓豁嚣 - - _ 置吕雹 第二章弯刚架箱粱桥结构分析实例 2 3 4 、计算结论 通过平面杆系和空间板单元的计算得到如下结论： 1 ) 在目前的施工工况下，成桥时项板正压