迈达斯斜桥与弯桥分析.doc

斜桥与弯桥分析北京迈达斯技术有限公司2007年8月目 录1.斜桥11.1 概述11.2 斜交桥梁的受力特点11.3 建模方法22.弯桥32.1 概述32.2 弯桥的受力特点32.3 建模方法42.4 弯桥建模例题5北京迈达斯技术有限公司技术资料斜桥与弯桥1. 斜桥1.1 概述桥梁设计中，会因为桥位、线型的因素，而需要将桥梁做成斜交桥。斜交桥受力性能较复杂，与正交桥有很大差别。平面结构计算软件无法对其进行精确的分析，限制了此类结构桥型的应用。1.2 斜交桥梁的受力特点a) 钝角角隅处出现较大的反力和剪力，锐角角隅处出现较小的反力，还可能出现翘起；（图1.2.1） b) 出现很大的扭矩；（图1.2.2）c) 板边缘或边梁最大弯矩向钝角方向靠拢。（图1.2.3 图1.2.4） 图1.2.1 斜交空心板桥支点反力 图1.2.2 斜交空心板桥扭矩图1 图1.2.3 正、斜交板桥自重弯矩图（板单元） 图1.2.4 正、斜交空心板桥自重弯矩图（梁格单元）这些效应的大小与斜交角度大小也有很大的关系，斜交角度越大，上述效应就越大。一般来说斜交角度小于20度时，对于简支斜交桥的上述影响可以忽略。如果斜交角度超过20度就必须考虑上述效应的影响。设计人员还应根据实际情况，找出适当的处理方案。1.3 建模方法对斜交桥梁多用梁格法建立模型。可用斜交梁格或正交梁格来建模。对于斜交角度小于20度时，使用斜交梁格是非常方便的。但是对于大角度的斜交桥，根据它的荷载传递特性，建议选用正交梁格，而且配筋时也尽量沿正交方向配筋。 图1.3.1 斜交梁格与正交梁格22. 弯桥2.1 概述目前弯梁桥在现代化的公路及城市道路立交中的数量逐年增加，应用已非常普遍。尤其在互通式立交的匝道桥设计中应用更为广泛。目前出现了很多小半径的曲线梁桥，特别是匝道桥梁更是如此。此类桥梁具有斜、弯、坡、异形等特点，给桥梁的线型设计和构造处理带来很大困难。2.2 弯桥的受力特点a) 弯桥在外荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩，并且互相影响，使梁截面处于弯扭共同作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多（图2.2.1）； 图2.2.1 弯桥弯矩与扭矩b) 弯桥在外荷载的作用下，还会出现横向弯矩（图2.2.2）；图2.2.2 横向弯矩c) 由于弯扭耦合，弯桥的变形比同样跨径直线桥要大，外边缘的挠度大于内边缘的挠度，而且曲率半径越小、桥越宽，这一趋势越明显。d) 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，内侧甚至可能产生负反力，出现梁体与支座的脱空的现象。预应力效应对支反力的分配也有较大影响；（图2.2.3）；3图2.2.3 弯桥反力e) 因内、外侧反力的不同，也会使各墩柱所受竖向力出现较大差异。下部结构除了承受移动荷载制动力、温度变化引起的内力、地震力等外，还承受离心力产生的径向力等。根据以上受力特点，对于弯桥，在结构设计中，应对其进行全面的整体的空间受力计算分析，只采用横向分布等简化计算方法，不能满足设计要求。必须对纵向弯曲、扭转作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点才能得到安全可靠的结构设计。为了减少上述效应的影响，可以采取一些相应的措施：桥跨中间设置一些横隔板，提高桥梁的稳定性；设置偏心支座或非对称预应力钢筋，尽可能改善弯梁的受扭状态。2.3 建模方法及要点对于弯桥，可以把它简化为单根曲梁、平面梁格计算，也可以用实体单元、板单元计算。 单根曲梁模型。优点：简单，缺点：几乎所有类型的梁单元都有刚性截面假定、因而不能考虑桥梁横截面的畸变，总体精度较低。 梁格法。优点：可以直接输出各主梁的内力，便于利用规范进行强度验算，整体精度能满足设计要求。缺点：它对原结构进行了面目全非的简化，大量几何参数要预先计算准备，如果由计算者手工准备，不仅工作量大，而且人为偏差较难避免。实体单元、板单元模型。优点：与实际模型最接近，不需要计算横截面的形心、剪力中心、翼板有效宽度，截面的畸变、翘曲自动考虑；缺点：输出的是梁横截面上若干点的应力，不能直接用于强度计算；不能直接考虑预应力问题。a) 建立梁单元方法i. 导入CAD图的方法建立模型。此方法要求CAD图的桥梁中心线必须是line线或pline线（多根直线段代替曲线，精度越高越好），CAD中导入的线在Civil中自动生成单元，一条线对应一个单元。ii. Civil程序直接建立曲线单元。利用桥梁中心线的控制点坐标，在程序中直接建立曲线，然后分割生成多个线单元。b) 支座i. 单、双支座模拟。在实际支座位置建立节点，定义该节点的节点局部坐标，保证约束方向与曲梁的切向或径向一致，利用弹性连接（刚性）连接支座节点与主梁节点，然后利用一般支承来定义支座节点的约束条件。 4ii. 多支座模拟。对于多支座的情况利用单、双支座的方法会导致反力结果误差较大。因弹性连接（刚性）在程序中是一种刚度较大的梁单元，传递荷载时，也会发生微小变形，与平截面假定不符。此时，应在实际支座的顶、底位置分别建立节点，支座底部节点采用一般支承约束（约束D-ALL），利用弹性连接（一般）来模拟支座（输入支座刚度），支座顶节点和主梁节点通过刚性连接来连接。（图2.3.1）iii. 为了使约束方向与曲梁的切向或径向一致，各支座节点需要定义节点局部坐标轴。弹性连接模拟支座时，输入相应的Beta角即可。弹性连接（一般）+ 刚性连续一般支承 + 弹性连接（刚性） 图2.3.1 不同连接方法反力结果c) 预应力钢束任意线型的曲线桥可以当作是直桥来输入钢束形状。将坐标轴类型选择“曲线”或“单元”即可。d) 自重梁单元内外侧长度不等造成的扭矩，可通过施加偏心均布荷载或均布扭矩来调整。e) 离心力首先进行一般的移动荷载分析，利用移动荷载追踪器获得最不利加载位置。按照规范计算离心力系数，将其与最不利荷载相乘，再除于1+u（离心力不考虑冲击系数）。然后用梁单元荷载施加即可。2.4 弯桥建模例题a) 基本资料桥梁类型：4跨连续箱梁桥梁长度：L430m截面类型：单箱单室（图2.4.1）曲线半径：150m5图2.4.1 箱梁跨中截面（单位：m）b) 建立单元采用导入CAD图中心线的方法建立弯桥梁单元，具体步骤如下： 工具 / 单位体系长度 mm 模型 / 导入 / AutoCAD DXF 文件DXF文件名： （弯桥桥梁中心线.dxf）选择的层：CENTER （图2.4.2）图2.4.2 导入CAD图c) 边界条件本例题桥梁除了两侧桥台为双支座，中间桥墩支座均为单支座。为了保证每跨的扭矩分布均匀，对于中间桥墩安装了预偏心支座。首先利用程序中的旋转节点功能建立实际支座处节点，并利用一般支承定义各支座6的约束条件。（图2.4.3）模型 / 节点 / 旋转窗口选则 (节点 2)复制次数 1旋转角度 -90间距(径向) 1.55-0.4 （径向复制距离=支座至梁中心距离1号单元长度）旋转轴 绕 z 轴第一点：8 选择（节点 1）适用78节点1节点2支座节点图2.4.3 旋转节点利用模型边界条件弹性连接（刚性），把各支座节点与相应主梁节点刚性连接起来。（图2.4.3）Zoom Window 图2.4.4 支座布置图在主菜单中选择模型边界条件节点局部坐标轴，定义各个支座处节点的局部坐标轴，使约束方向与曲梁的切向或径向一致（图2.4.4）。具体步骤如下：模型 / 边界条件 / 节点局部坐标轴窗口选则 (桥台支座节点：133，134)选择 添加/替换输入方法 3点P0：8 选择（节点 1） P1：8 选择（节点 3） P2：8 选择（节点 2）适用7窗口选则 (桥墩支座节点：130)选择 添加/替换输入方法 3点P0：8 选择（节点 32） P1：8 选择（节点 34） P2：8 选择（节点 33）适用窗口选则 (桥墩支座节点：131)选择 添加/替换输入方法 3点P0：8 选择（节点 96） P1：8 选择（节点 98） P2：8 选择（节点 97）适用窗口选则 (桥台支座节点：135，136)选择 添加/替换输入方法 3点P0：8 选择（节点 127） P1：8 选择（节点 129） P2：8 选择（节点 128）适用8Zoom Window图2.4.5 定义支座局部坐标轴910d) 预应力钢束弯桥的预应力钢束线型是较复杂的空间线型，不仅有竖向弯曲，而且还有横向弯曲。将坐标轴类型选择“曲线”或“单元”，就可以把弯桥当作直线桥来输入预应力钢束的形状，无需考虑y坐标值。荷载 / 预应力荷载 / 钢束布置形状钢束名称 (N1-1-N) ； 钢束特性值15-9分配给单元 (1to128)输入类型 2D ； 曲线类型 圆弧布置形状坐标轴 曲线xyR10.5000 0.0000 0.0000 260.3000 0.0000 0.0000 3120.1000 0.0000 0.0000 xzR10.5000 1.6300 0.0000 25.2090 0.1000 20.0000 321.2770 0.1000 30.0000 428.6500 1.4000 10.0000 531.6500 1.4000 10.0000 639.0230 0.1000 30.0000 751.1440 0.1000 30.0000 858.8000 1.4500 10.0000 960.3000 1.4500 0.0000 1061.8000 1.4500 10.0000 1169.4560 0.1000 30.0000 1281.5770 0.1000 30.0000 1388.9500 1.4000 10.0000 1491.9500 1.4000 10.0000 1599.3230 0.1000 30.0000 16115.3910 0.1000 20.0000 17120.