中承式钢管混凝土拱桥.ppt

徐变对钢管混凝土拱桥静动力性能的影响研究 北京交通大学王元丰2008年5月18日 主要内容 1 钢管混凝土拱桥的发展现状2 钢管混凝土徐变的研究3 徐变对钢管混凝土拱桥静力性能的影响分析4 徐变对钢管混凝土拱桥动力性能的影响分析 钢管混凝土拱桥的发展现状钢管混凝土材料的优点 1 充分发挥钢材和混凝土材料的优点 弥补相互的不足2 力学性能好 受压 抗震3 便于施工4 经济 深圳彩虹桥 赛格大厦 广州新电视塔 钢管混凝土拱桥优点 1 提高材料强度 拱圈自重减轻 施工方便 2 跨越能力大 3 造价经济 4 外形美观 钢管混凝土拱桥的主要类型 按照钢管在结构使用阶段和施工阶段中所起的主要作用 钢管混凝土拱桥可以分为普通钢管混凝上拱桥和钢管混凝土劲性骨架拱桥 根据拱状结构与桥面的相对位置 钢管混凝土拱桥可以做成上承式 中承式 下承式拱桥 1990年我国建成第一座钢管混凝土拱桥 四川旺苍东河大桥 此后的近二十年间钢管混凝土拱桥迅速发展 据不完全统计 我国已建成钢管混凝土拱桥已达200多座 钢管混凝土拱桥简表 续上表 1990年四川旺苍东河大桥 我国第一座钢管混凝土拱桥 跨度为115m 下承式刚架系杆拱 由2 800 10钢管混凝土组成拱肋 2000年广州丫髻沙大桥 中承式钢管混凝土拱桥 跨度为360m 它由6根钢管混凝土管组成格构式拱肋 2005年 巫山长江大桥 主跨492m 中承式钢管混凝土拱桥 1997年建成的重庆万州长江大桥 跨度为420m 最大跨度混凝土箱形截面拱桥 以钢管混凝土肢管为劲性骨架 对于钢管混凝土拱桥 混凝土徐变会对结构产生影响 1 引起拱轴线的变形 降低拱的稳定和使用性能 2 在截面上产生应力重分布 在超静定结构中产生内力重分布 或使混凝土产生局部应力 3 在温度作用下产生附加内力的影响 如果不计入混凝土徐变的影响 则会对结构变形和内力的计算结果带来不可忽视的误差 造成主梁线形的偏差和结构的不安全 需要开展钢管混凝土拱桥徐变研究 2 钢管混凝土徐变的研究 钢管混凝土徐变的特点 1 由于核心混凝土的湿度变化受到钢管的限制 其干燥徐变和收缩徐变比普通混凝土的小 2 钢管混凝土构件在工作过程中 核心混凝土受到钢管的约束 使其经常处于三向受力状态 使得钢管混凝土的徐变更加复杂 3 钢管与核心混凝土之间存在的应力重分布现象 导致核心混凝土徐变减小 钢管混凝土徐变的实验研究 1 1967年Furlong第一次观察到了钢管混凝土徐变与收缩变形 2 1991年Nakai等对三个试件在不同含钢率情况下的轴压变形试验 提出了预测圆钢管混凝土徐变的粘弹性模型 3 1994年Terry等进行了包括圆钢管混凝土试件 素混凝土试件和沥青包裹混凝土试件长期荷载作用下的变形试验 结果表明钢管混凝土的徐变变形小于素混凝土的徐变变形 4 1996年Morino等进行了包括6个轴压 1个纯弯和2个压弯构件的试验 得出了只以持荷时间为变量的徐变变形计算方程 5 2001年Uy进行了6个钢管混凝土试件在长期荷载作用下的变形试验 并将变形试验曲线与ACI模型进行了比较 6 1993年王湛共进行了3组6个钢管混凝土试件的徐变试验 得出了钢管混凝土的徐变曲线 7 韩林海在2001年进行了矩形截面钢管混凝土轴心受压构件变形和承载力的试验研究 提出了考虑长期荷载作用影响时矩形钢管混凝土轴心受压柱承载力的简化计算公式 目前国内外进行的钢管混凝土徐变试验中 共有58个轴压试件和22个偏压试件 在这些试验中 徐变的影响因素考虑得并不全面 试验手段也有待于提高 基于已有试验研究 得到主要结果如下 钢管混凝土的徐变早期发展很快 60天后曲线减缓 一年后几乎停止 2 一般认为徐变将会降低钢管混凝土的承载力 3 钢管混凝土的含钢率 应力级别 加载龄期等都会对徐变产生影响 2 2钢管混凝土徐变的理论研究徐变计算理论主要有有效模量法 老化理论 弹性徐变理论 继效流动理论以及B3模型法 混凝土徐变的继效流动理论 在此模型中 混凝土徐变的表示为混凝土的弹性变形 混凝土的不可复变形 混凝土的滞后弹性变形 继效流动理论构造的混凝土在t时刻的徐变计算公式为 通过试验数据和理论值的对比 表明该理论适用于不断卸载的混凝土徐变 而钢管混凝土构件中核心混凝土在徐变过程中正是在不断卸载的 应用继效流动理论发挥了它的优点 B3模型 B3模型是基于固结理论得出的 它将徐变度分成了基本徐变和附加徐变两部分 上式中 三项分别代表了老化粘弹性柔量 非老化粘弹性柔量和流变柔量 B3模型特点 1 它比ACI CEB FIP模型有更多分析参数的计算式 2 它能合理的解释混凝土徐变的微观机理 3 考虑了更多的因素 相对湿度 干燥时暴露在外的湿度 混凝土尺寸 混凝土构件的形状 混凝土28天的强度 水灰比 骨料水泥比 混凝土干燥龄期及混凝土的加载龄期等 4 B3模型能根据短期徐变实验数据来预测长期徐变 北京交通大学对钢管混凝土的徐变理论进行了大量研究工作 采用混凝土徐变的继效流动理论 固结理论 三维应力状态下混凝土的徐变理论 结合钢管混凝土轴心受压 偏心受压和受弯构件的受力特点 对钢管混凝土构件的徐变从理论上进行了研究 推导出一维形式的钢管混凝土轴心受压 偏心受压和受弯构件徐变的计算公式 王元丰 2006 并且 将基于混凝土徐变继效流动理论的钢管混凝土轴心受压构件 压弯构件徐变计算方法和有限元方法相结合 建立了合理 简便的分析钢管混凝土拱桥 杜金生等 2004 钢管混凝土格构柱 韩冰等 2005 钢管混凝土框架结构 刘可为等 2005 的徐变影响方法 钢管混凝土构件的徐变研究成果 1 钢管混凝土轴心受压构件徐变的计算与设计方法2 钢管混凝土小偏心受压构件徐变的计算与设计方法3 钢管混凝土大偏心受压构件徐变的计算与设计方法4 钢管混凝土受弯构件徐变的计算与设计方法 多轴应力状态下混凝土徐变理论 在多轴应力状态下 混凝土在三个方向上的徐变度为 钢管混凝土轴心受压构件徐变的计算方法 钢管混凝土轴心受压构件徐变 钢管混凝土小偏心受压构件徐变的计算方法 钢管混凝土大偏心受压构件徐变的计算方法 钢管混凝土受弯构件徐变的计算方法 B3模型与其它模型比较曲线 1 基于ACI的徐变模型比其他模型的计算值偏大 早期发展很快 后期发展平缓 2 基于继效流动理论的徐变模型的计算值与试验值相比则偏小 3 整体上 基于B3模型的钢管混凝土徐变模型与试验值符合较好 钢管混凝土轴心受压构件徐变设计公式 数值计算曲线 回归曲线 数值计算曲线 回归曲线 钢管混凝土小偏心受压构件徐变设计公式 钢管混凝土大偏心受压构件徐变设计公式 数值计算曲线 回归曲线 钢管混凝土受弯构件徐变设计公式 数值计算曲线 回归曲线 主要成果 3 徐变对钢管混凝土拱桥的静力性能的影响分析 目前钢管混凝土拱桥的徐变分析很多是参考钢筋混凝土拱桥的徐变分析方法 但是 在考虑钢管对核心混凝土的紧箍力时 钢管混凝土构件的受力方式和钢筋混凝土的受力方式是不同的 因此 完全按照钢筋混凝土桥的方法进行分析计算是不合适的 对钢管混凝土拱桥的徐变问题应进行进一步的研究 在徐变对钢管混凝土拱桥的影响方面 尚未见到国外关于此方面研究的文献 在我国 主要有以下研究 1 上海交通大学顾建中等 2001a 2001b 采用普通混凝土徐变的计算模型对钢管混凝土徐变进行分析 而钢管混凝土中的钢管和混凝土均处于多轴应力状态 因此其计算模型不太合理 而且计算公式比较繁杂 计算量大 2 广西大学谢肖礼等 2001a 2001b 根据混凝土徐变的老化理论 推导出徐变对钢管混凝土截面引起的应力重分布的表达式 但老化理论在混凝土应力递减时高估了徐变变形 不适合应用于计算钢管混凝土徐变 3 北京交通大学王元丰等 2004 2007 根据混凝土徐变继效流动理论 结合钢管混凝土构件徐变的计算方法和有限元方法 建立钢管混凝土拱桥徐变影响的方法 但继效流动理论并不能研究混凝土参数对徐变的影响 且其是由水工试验结果回归出的公式 并不适用于桥梁结构 总的来说 这方面的研究还不够充分 需要进一步深入研究 轴心受压钢管混凝土拱桥徐变分析通过构建每个钢管混凝土单元发生徐变后的换算组合弹性模量公式 从而将采用继效流动理论的钢管混凝土轴心受压构件徐变的分析方法和有限元方法相结合 对钢管混凝土拱桥徐变影响问题进行分析计算 通过推导得出的每个钢管混凝土单元发生徐变后的换算刚度矩阵 从而将钢管混凝土压弯构件徐变的的计算方法和有限元方法相结合 对考虑弯矩影响的钢管混凝土拱桥徐变问题进行了分析计算 钢管混凝土压弯构件的徐变为 考虑弯矩影响的钢管混凝土拱桥徐变分析 考虑截面弹性模量变化的平面梁单元换算刚度矩阵 丫髻沙大桥全长1084米 主桥采用76m 360m 76m三跨连续自锚式钢管混凝土拱桥桥型 主桥采用中承式双肋悬链线无铰拱 计算跨度344m 矢高76 45 矢跨比1 4 5 应用上述方法 建立有限元模型 对丫髻沙大桥进行分析 丫髻沙大桥在竣工时和通车运营1年后 此时拱肋混凝土的加载龄期约为18个月 对主拱拱肋拱顶截面的应力和徐变总挠度进行了测量 其与计算结果的对比见下 跨中拱肋挠度随时间变化曲线 跨中拱肋处混凝土应力随时间变化曲线 跨中拱肋处钢管应力随时间变化曲线 拱脚拱肋处钢管应力随时间变化曲线 拱脚拱肋处混凝土应力随时间变化曲线 进一步对9个钢管混凝土拱桥算例进行计算分析 模型数据如下 徐变前和发生徐变后 360天 跨中拱肋挠度比较 徐变前和发生徐变后 360天 混凝土应力比较 徐变前和发生徐变后 360天 拱脚混凝土应力比较 徐变前和发生徐变后 360天 跨中钢管应力比较 1 钢管混凝土拱桥拱肋发生徐变一年后的挠度增加量比较大 最高时可以达到初始挠度的60 左右 2 钢管混凝土拱肋由于徐变 360天 产生的截面应力重分布非常大 核心混凝土的应力减小和钢管的应力增大幅度都很大 核心混凝土的应力卸载值最高的可以达到初始应力的40 左右 钢管的应力增加量最高的可以超过初始应力的50 3 徐变对钢管混凝土拱桥的影响在早期比较显著 挠度和混凝土 钢管应力变化明显 一年之后变化很小 其曲线的发展趋势和钢管混凝土构件徐变的发展趋势大致相同 4 考虑弯矩对徐变的影响后 拱顶挠度和钢管 混凝土的应力都有一定的变化 挠度增加幅度不大 随着持荷时间逐渐加大 考虑弯矩作用下拱桥跨中挠度比不考虑弯矩时增加3 混凝土的应力增加14 6 钢管的应力增加9 3 结论 5 拱脚处和跨中处的应力曲线发展趋势大致相同 但是由于拱脚处弯矩较大 混凝土的应力减小16 7 钢管的应力增加14 4 6 考虑弯矩作用后 核心混凝土的应力和钢管应力显然要比不考虑弯矩作用的大 从图中可以看出 对于混凝土来说 两者之间的差值是随着持荷时间的增长而逐渐减小的 而对于钢管来说 两者之间的差值随着持荷时间的增长而逐渐增大的 4 徐变对钢管混凝土拱桥的动力性能的影响分析 随着跨径的提高和规模的增大 钢管混凝土拱桥的动力性能和抗震性能研究日益显得迫切 而结构动力性能对于结构抗震性能分析十分重要 目前国内外对于结构徐变后的动力性能的研究还远未深入 1 Koh C G等 1997 采用BP模型的计算机程序来预测钢筋混凝土梁在静力荷载作用下添加反复荷载时梁的变形 运用数值迭代计算每单元层的应力和应变 2 Sapountzakis和Katsikadelis 2003 采用了Sapountzakis 2000 建立的模型 考虑了板的平面内力和变形 以及梁的轴向力和变形两者对结构的共同作用 分析钢筋混凝土梁板结构在徐变效应作用下结构动力响应 结果表明徐变发生1000天后结构自由振动位移是徐变前自由振动位移的2 05倍 是徐变前静力位移的4 51倍 3 周耀等 2006 采用继效流动理论分析徐变对钢管混凝土拱桥动力性能的影响 徐变后拱顶最大地震位移响应是徐变前的1 35倍 而1 4拱处徐变后最大地震位移响应是徐变前的1 53倍 可见徐变对混凝土结构动力响应影响显著 多自由度体系的运动方程可以表示为 丫髻沙大桥主桥有限元模型图 丫髻沙大桥的固有频率 徐变对桥梁固有频率的影响 徐变对自振频率的影响曲线 输入地震波取EL Centro波 地震加速度峰值为0 15g 取阻尼的形式为瑞雷阻尼 El Centro的加速度波形图 20s