桥梁工程PPT课件

.,桥梁工程,.,第一章：绪论,第一节桥梁在交通事业中的作用和桥梁的发展概况一、桥梁在交通工程中的作用1、是交通中的重要组成部分。2、在经济上，公路总造价的1020。3、在国防上，具有非常重要的地位。,.,二、桥梁建筑的发展简史,从设计方法上看，古代桥梁是以传统经验和技术来建造的。它代表作有：浮桥：架设简便快速，常被用于军事。古代的藤、竹吊桥发展到大跨径吊桥和斜拉桥。如大渡河铁索桥(1706年)；安澜竹索桥(1803年)：,.,石梁桥：福建泉州的万安桥、漳州的虎渡桥,.,拱桥：河北省赵县的赵州桥,.,近代桥梁是以材料力学、结构力学和弹性力学为基础的结构设计理论建造的。它的代表作有：国内：1957年，第一座长江大桥武汉长江大桥。1969年，南京长江大桥：,.,南京长江大桥,.,大跨径拱桥，渡口市6号桥是用钢拱架施工建成的箱形拱桥，跨径为146m(1972)。,渡口市6号桥,.,钢筋混凝土与预应力混凝土的梁式桥：公路上很普遍，已建百米以上跨径的拱桥占世界同类拱桥的三分之一以上。,.,国外：如法国博浪加斯脱桥，南斯拉夫克尔克大桥(l=390m)。,.,现代桥梁的发展(1)设计理论：以极限状态设计法代替以弹性理论为基础的允许应力法，普遍应用结构振动、稳定、疲劳和结构的非线性理论。实现的手段：借助计算机,.,(2)结构施工技术：借助预应力法采用悬臂法、顶推法、和机械化、自动、半自动化施工。它的代表作有：斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁。,.,现代斜拉桥。目前我国成为世界上建造预应力混凝土斜拉桥座数最多的国家。,.,公路吊桥也有十余座，重庆朝阳大桥。,重庆朝阳大桥(1969),.,施工上：简易支架法：,.,装配式简支梁桥的陆地架设法：,.,装配式简支梁桥的浮吊架设法：,浮吊船架梁,固定式悬臂浮吊架梁,.,装配式简支梁桥的高空架设法：适合于架设中、小跨径的多跨简支梁桥,小跨径桥梁的自行吊车桥上架设,.,悬臂和连续体系的梁桥的支架模板就地浇筑法：,T型梁桥的施工法：（如同高空架设法）,.,预应力混凝土悬臂体系梁桥的悬臂法施工,挂篮结构简图,.,重庆长江大桥施工中采用的斜拉式挂篮,对称浇筑,.,悬臂法建造连续梁桥的体系转换,.,顶推法施工：预应力混凝土连续桥架设。,.,4、未来发展,(1)中小跨径的梁式桥：标准化、整体化(由简支向连续化)方向发展；(2)建筑材料上：采用高强度、轻型材料、预应力钢材与钢筋混凝土，增大桥梁的跨越能力；,.,(3)桥梁设计上：更新计算图式及计算方法，运用计算机将之一体化。(4)施工上：标准化工厂预制，现场安装和无支架施工。,.,第二节桥梁的基本组成及分类,一、桥梁的基本组成部分上部结构也称桥跨结构，它包括承重结构(如梁、拱等)、桥面、支座等。,.,下部结构：桥墩和桥台及墩台基础。起支承桥跨作用。其它结构：导流堤、防洪堤、丁坝和护岸等。它们保护着桥头路堤或河岸。,.,二、桥梁分类1、按建筑材料分：钢桥：钢材为桥跨结构的材料，有板梁和桁梁两种：钢板梁，L40m。钢桁梁：跨度和梁高较大时采用。,.,上、下平面纵向联结系,立面图,下承式,.,混凝土桥:按材料分：普通钢筋混凝土桥和预应力混凝土桥两种；型式为梁桥、拱桥和刚架桥。石桥：石拱桥，有实腹式和空腹式。,.,2、桥面所在位置分：有上承式桥和下承式桥。,3、桥梁轴线与河流(道路等)的交角角度：有正交桥(交角为直角)和斜交桥(交角为锐角)。,立交桥,.,4、按桥梁所跨越障碍物分类：有跨河桥、立交桥等。5、按照桥梁长度分：按桥梁长度：特大桥：L500m；大桥：500L100m；中桥：100L30m；小桥：L30m。,.,6、按结构形式(结构体系)分类分类标准：以力学计算模式为基础，以受力方式明显差异为特征，广泛应用于桥梁的结构分析和设计中。有四种基本结构类型是：梁式桥；拱式桥；刚架桥和悬吊桥。,.,简支梁桥连续梁桥,悬臂梁桥,(1)梁式桥：,.,(1)梁式桥：承重结构：实体梁或梁式桁架；受力特征：竖直荷载作用下，支座有竖直反力,无水平反力；实体梁只受弯拉和剪应力，不受轴向力；形式分：简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥；建筑材料：钢筋混凝土和预应力混凝土。,.,(2)拱式桥：承重结构：拱(拱圈或拱肋)；受力特征：在竖直荷载作用下，支座有竖直反力和水平反力(推力)；,.,建筑材料用抗压能力强的圬工材料(如砖、石、混疑土)和钢筋混凝土；形式：三铰拱，两铰拱，无铰拱。,桥跨结构受力：与同跨径的梁相比，拱的弯矩和变形较小，以受压为主；,.,(3)刚架桥：显著特点：是桥跨结构(梁或板)和墩台连接成一整体；,.,受力特征：在竖直荷载作用下，有竖直反力和水平反力；无铰刚架还有支承弯矩。桥跨结构：刚架以受弯拉为主，也有轴向力和剪力，大小但于梁桥与拱桥之间。,.,优点：建筑高度小,降低线路标高,改善纵坡，减少路堤土方量，增加桥下净空。缺点：是粱柱刚结处较易裂缝。,.,(4)悬吊桥：承重结构为缆索、桥塔、加劲梁及锚绽。,结构自重轻，建筑高度小，跨径最大，近2000m。缺点是结构刚度差，在车和风荷载作用下，桥有较大的变形和振动。一般只在公路上修建。,.,(5)组合体系桥由几个不同体系的结构组合而成的桥梁。,.,第二章桥梁规划设计及荷载,第一节桥梁的总体设计一、桥梁设计的基本原则和要求(1)使用上的要求桥梁必须适用。满足交通安全、通畅、及泄洪、通航或通车等要求，并便于检查和维修。,.,(2)经济上的要求在经济上是合理的。在设计、施工及运输上取得最大经济效益。(3)设计上的要求满足施工和使用中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，并且要设计思想创新，设计合理。,.,(4)施工上的要求应便于采用先进技术，加快施工速度，保证工程质量和施工安全。(5)美观上的要求与周围环境相协调。,.,二、桥梁设计的基本资料(1)桥梁使用任务：交通种类和其它要求。(2)桥位附近地形：桥位线型、墩台位置。(3)桥位地质情况：地质不良现象。(4)河流水文情况：特征水位、河道情况。(5)其它资料：建材；施工情况；气象等。,.,三、设计程序初步设计：总体规划问题，初步拟定尺寸。它是控制建设项目投资和以后编制施工预算的依据。编制施工图：对技术方案和总投资等具体化。,.,目前，我国公路大桥的设计工作均采用两阶段设计。对技术简单的中、小桥可采用一阶段设计。,.,四、桥位及桥型的选择桥位选择：大、中桥的桥位服从路线总方向，路桥综合考虑，并以桥为主，尽可能建造直交桥。小桥的桥位是局部问题，完全服从路线走向，以路为主。,.,桥型选择：通常钢筋混凝土简支梁桥:L20m；预应力混凝土简支梁桥：30mL50m；石拱,双曲拱:30mL50m,箱拱:L100m,预应力斜拉桥:100mL400m；软基上建简支、悬臂梁等静定结构桥，良好地基上建连续、刚架桥及两铰或无铰拱等超静定结构桥。,.,五、纵、横断面设计技术术语：桥梁全长简称桥长，桥涵总长所占比例反映在整段线路建设中的重要程度。,.,净跨径l0；总跨径：l=l1+l2+l3计算跨径；桥下净空高度；建筑高度；标准跨径：净矢高；计算矢高：矢跨比；,.,梁式桥的纵向布置,拱式桥,.,纵断面设计确定桥梁的总跨径、桥梁的分孔、桥道的标高、标上和桥头引道的纵坡以及基础的埋置深度等。(1)桥梁总跨径的确定对于一般跨河桥梁，总跨径可参照水文计算来确定。,.,考虑：排洪、冲刷及河床土壤的性质和基础的埋置情形，综合确定。(2)桥梁的分孔决定于总造价。使上、下部结构的总造价趋向最低，同时考虑通航、冲刷等问题。大、中桥梁分孔是相当复杂的问题。,.,(3)桥道标高的确定必须根据设计洪水位、桥下通航(车)净空等需要，结合桥型、跨径等考虑，以确定合理的桥道标高。(4)桥头纵坡小桥，可做平坡桥；大、中桥梁，做成双向纵坡，桥上纵坡不大于4；桥头引道纵坡不宜大于5。,.,桥梁横断面设置桥梁横断面的设置决定于桥面的宽度和桥跨结构横截面的布置。桥面宽度决定于行车道的净宽度和人行道的宽度。桥梁的横向坡度为1.53。,.,桥梁平面设置桥梁的线形及桥头引道要保持平顺，使车辆能平稳地通过。大、中桥线形，一般为直线，如必须设成曲线时其各项指标应符合路线布设规定。一般小桥，斜度通常不宜大于45，在通航河流上则不宜大于5。,.,第二节桥面构造布置及细部,1、桥面构造组成与布置桥面铺装、排水系统、伸缩缝、人行道(安全带)、缘石、栏杆和灯柱等构造。,.,2、桥面铺装、防水排水系统(1)桥面铺装桥面铺装也称行车道铺装。作用：防止车辆轮胎(或履带)的直接磨耗行车道板，防止主粱遭受雨水的侵蚀，并能使车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用。,.,型式：普通水泥混凝土或沥青混凝土铺装在非严寒地区的小跨径桥上，不做专门的防水层。层铺法施工：单层(58cm)或双层式的(底层45cm，面层34cm)；水泥混凝土适用于重载交通。,.,防水混凝土铺装非冰冻地区需作防水处理时，铺筑810cm的防水泥混凝土，再铺磨耗层。,防水混凝土铺装,.,具有贴式防水层的水泥混凝土或沥青混凝土铺装,贴式防水层铺装,.,在防水程度要求高，或在桥面板位于结构受拉区而可能出现裂纹的桥梁上，需做贴式防水层。该层设在低标号混凝土排水三角垫层上面，再铺保护层。装配式梁式桥，宜在接缝处的混凝土铺装层内或保护层内设置一层(36)的钢筋网。,.,(2)桥面纵横坡对于沥青混凝土或水泥混凝土铺装，横坡为1.52.0%。行车道路面用抛物线型横坡，人行道用直线型。,.,(3)桥面排水原因：设置：桥长L100m)，多采用变截面箱形连续梁。施工特点：顶推法、悬臂浇筑法和拼装法等。适用性：跨径为40160m,.,3、悬臂梁桥和T形刚架桥单悬臂梁和双悬臂梁。特点：内力分布上，支点处同连续梁桥，挂梁上同简支梁桥；,.,挂梁和剪力铰处是受力薄弱处；接缝多，不利于高速行车。,适用性：钢筋混凝土悬臂梁桥：5080m以下；预应力混凝土悬臂梁桥：100m以下；,.,钢筋混凝土T形刚架桥：50m以下；预应力混凝土T形刚架桥：60200m。,.,三、截面类型,(一)板桥承重结构：特点：建筑高度较小，构造简单，施工方便。预制施工时，重量小，架设方便。,.,形式：整体式实心矩形板：刚度大，现浇，受季节性影响大，需模板、支架。受力方面：截面材料不经济，自重大，仅适用于小跨径6m。改进是矮肋式板，空心式。,.,装配式板桥：实心板(l8m)、空心板(l=613m)、预应力混凝土板(l=816m)。异形板截面：现代高架桥中用。有单波式和双波式。,.,异形板特点：桥下净空大，可布置与桥梁同向的线路，造型美观，但现浇，施工较为复杂。,.,(二)肋板式梁桥现浇混凝土肋梁桥有双T形，一般由工厂或现场预制T形，形构件，然后工地装配施工。,.,显著减轻了结构自重。增大了跨越能力。适合于预制、安装，控制主梁质量，加快施工速度。预应力或受拉区布筋，将肋下缘做成马蹄形。,一般特点：肋与肋之间处于受拉区域的混凝土挖空后，,.,形梁桥：块件之间用穿过腹板的螺栓连结，以使施工简化。形构件的特点是：截面形状稳定，横向抗弯刚度大，块件堆放、装卸和安装都方便。,.,形梁桥：但构件制造较复杂；梁肋以只配钢筋网，刚度小。,适用性：形梁桥一般只用l=612m的小跨径桥梁。,.,T形梁：装配式桥梁工程中最普遍；优点：以T形梁的翼构成行车道板；制造简单，肋内配筋可做成刚劲的钢筋骨架，主梁之间借助间距为46m的横用梁来连结，整体性好，接头也较方便。,b),a),.,缺点：截面形状不稳定，运输和安装复杂；构件在桥面板跨中有接头，对板的受力不利。,c)d),e)f),.,(三)箱形梁桥跨径(L050m)预应力混凝土、弯桥、斜交桥普遍采用。,形式及适用性：T形梁：装配式简支梁常用；钢筋混凝土梁桥，L0=7.520m；预应力混凝土梁桥，L0=2040m。,.,特点：(与T形梁相比)较大的抗正、负弯矩能力，底板受压区。抗扭能力大，故适用于偏心荷载作用下的宽桥。如大跨径预应力梁桥。横向刚度大，对抗弯、运输、安装阶段的稳定性好。缺点：箱形薄壁构件的预制、安装施工复杂，单根箱梁的安装重量大，只适用于较大跨径。,.,适用：中等宽度桥梁：单箱单室、单箱双室一般宽度桥梁：单箱多室、双箱单室现代城市高架道路：长悬臂斜腹形。,.,第二节简支梁式桥的设计与构造,简支板桥,梁桥,箱形梁桥。一、简支板桥设计与构造一般应用于小跨径桥梁中。由施工方式分，整体式板桥和装配式板桥。由跨越河流的角度分，正交板桥和斜交板桥。,.,正交桥：荷载作用后：双向受力；由弹性薄板小挠度弯曲理论计算应力应变。,特点：均布荷载作用：单向受力状态；车轮荷载作用于板中：双向受力状态，近似单向计算；,.,车轮荷载作用于板自由边：双向受力状态,同上；,总结：设计按单向板计算，简化方法有折算法；简化刚接板法。,.,配筋：纵向受力钢筋：由计算确定。横向分布钢筋：垂直于主钢筋，15，S25cm。板中间2/3处按计算配筋；板边两端1/6处增加15。,整体正交现浇板桥,横截面为等厚度矩形，或矮肋式板桥。,.,装配式板桥横截面有实心板和空心板两种。矩形实心板桥：施工方便，建筑高度小等优点，应用最广泛，跨径8m。,.,空心矩形板桥：自重小，可充分利用材料。跨径613m，预应力混凝土空心板桥在816m。目前使用较多。,.,装配式板的横向联结有企口混凝土铰联结和钢板焊接联结。企口混凝土铰联结：用C25C30以上的细骨料混凝土填实，或将钢筋绑扎后，再浇筑。,.,钢板联结：两构件的预埋钢板焊接。纵向中距通常为80150cm。,.,斜交桥的特点：理论和试验表明，在垂直荷载作用下：斜交角15，正交板桥设计。荷载有向两支承边之间最短距离方向传递的趋势。,斜板桥的最大主弯矩方向,.,各角点受力情况可以用比拟连续梁的工作来描述。,.,整体式斜板桥：由于l/b一般均小于1.3，主钢筋的配置有两种方案。A方案：按主弯矩方向的变化配置主筋，其分布钢筋与支承边平行。,底层钢筋,上层钢筋,.,B方案：在两钝角角点之间的范围内，主钢筋方向与支承边垂直。,底层钢筋,上层钢筋,.,装配式斜板桥：跨宽比(l/b)一般均大于1.3，主钢筋沿斜跨径方向配置，分布钢筋在钝角角点处与主钢筋垂直，在支承边附近，与支承力平行。,.,二、简支梁桥设计与构造,中小跨径桥梁中应用最广的桥型。简支梁桥按施工方式分有整体式和装配式简支梁桥。截面形式分：T形、工形、形肋梁和箱形。,.,(1)整体式简支梁桥：优点：现场浇筑，结构整体性好，刚度大；缺点：工期长，施工费用高，材料消耗大。应用：斜线桥，弯桥，一般用截面为双T形主梁。,.,(2)装配式简支梁桥特点：用合理的构造类型。构造类型：涉及装配式主梁的横截面型式、沿纵截面上的横隔梁布置、块件的划分方式以及块件的连结集整等几方面的问题。它是直接影响桥跨结构的受力状态及其内力计算的方法。,.,(3)构造类型主梁的横截面型式主梁的横截面型式有三种基本类型：形，T形和箱形梁桥。预制装配单元的划分,.,装配式梁桥设计中块件划分的原则是：现场实际的预制、运输和起重等条件，确定拼装单元的最大尺寸和重量；块件的划分应满足受力要求，拼装接头应尽量设置在内力较小处；拼装接头的数量要少，接头型式要牢固可靠，施工要方便；,.,构件要便于预制、运输和安装；构件的形状和尺寸应力求标准化，增强互换性，构件的种类应尽量减少。,目前，钢筋混凝土与预应力混凝土梁桥常用的块件划分方式有：纵向竖缝划分；纵向水平缝划分；纵、横向竖缝划分。,.,a)b),纵向竖缝划分简支梁桥中应用最普遍。单元体：各主梁整体，如形梁和T形梁；,.,a)b),优点：接头和接缝横隔梁和行车道板内，或直接用螺栓连结；结构部分为预制拼装。故主梁受力可靠，施工也方便。,.,应用：装配式钢筋混凝土和预应力混凝土T形简支梁桥。缺点：构件的尺寸和重量都很大，增加运输与安装上的困难。,改进：预制矩翼T形梁，并现浇部分翼板和横隔梁。,.,纵向水平缝划分,组合式梁,.,T形组合梁桥：钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁桥箱形组合梁桥：预应力混凝土梁桥。优点：安装单元尺寸小，重量轻。缺点：主梁的梁肋与翼板之间存在混凝土施工接缝。改进：加大肋顶宽度和伸出肋内钢筋。,.,.,纵、横向竖缝划分优点：块件尺寸小，重量轻，可以工厂化成批预制后，方便运输。,.,横向分段装配式梁或称串连梁,缺点：块件的预制精度要求很高。预制时，采用全梁预制的方法。国内应用很少。,.,构造布置定义：对于设计给定的桥面宽度，如何选定主梁的间距(或片数)。钢筋混凝土简支梁桥，T形最普遍。标准跨径为10、13、16和20m的四种。主梁布置：间距为1.52.2m，四梁式或五梁式桥，常用1.6m。,.,.,T形梁的横隔梁布置：作用：将各主梁连结成整体。无横隔梁时：翼板接缝处易产生纵向裂缝，且桥梁整体性不好。横隔梁布置：两梁端必须设置端横隔梁，中横隔梁：当跨径13m，在跨内的跨中、距支座l/4或l/3处设中间横隔梁13道，间距46m。,.,主梁的设计与构造：主梁尺寸：钢筋混凝土桥，l/11l/16，标准跨径为10、13、16和20m，这时主梁间距2.2m，相应梁高0.9、1.1、1.3和1.5m；预应力混凝土桥，l/14l/25，标准跨径为25、30、35和40m，这时主梁间距2.2m，相应梁高1.75、2.0、2.25和2.5m。梁肋宽常用1518cm。,.,横隔梁尺寸：跨中横隔梁的高度为主梁高度的3/4，端横隔梁与主梁近同高。横隔梁的肋宽常为1216cm，且上宽下窄和内宽外窄的楔形。横隔梁配筋与连接：以中横隔梁为设计计算对象；配筋：受力钢筋与构造钢筋，均由计算所得。,.,连接有两种：钢板接缝：先预埋钢板，再在预埋钢板上加焊盖按钢板或用螺栓与预埋钢板连接。,.,湿接缝：翼板悬臂边做成企口形，将伸出钢筋连接，或放置钢筋网，浇筑混凝土。,.,不等截面梁：简支梁桥在横截面上可采用不等截面梁，具体变化为：(1)变截面等高梁：沿纵向腹板厚度发生变化、马蹄部分也逐渐加高的变截面T梁。(2)变截面不等高梁：横截面由跨中向支点减小的鱼腹形变高度梁。,.,实例：(1)钢筋混凝土桥：跨径为20m。,.,实例2：预应力混凝土桥，跨径为30m。,.,第三节简支梁式桥的计算,一、计算内容简支梁桥设计计算的项目有主梁、横隔梁、桥面板和支座等。原因：,.,二、行车道板计算,.,荷载沿双向传递,.,二、行车道板计算1、行车道板的类型,单向板：la/lb2，四边支承板；悬臂板：将三边支承，翼缘端边是自由边的板沿短跨一端嵌固，另一端为自由端的悬臂板；,.,铰接板：将三边支承，翼缘端边是铰接的板沿矩跨一端嵌固，另一端为铰接的铰接板；双向板：la/lb2，四边支承；少用；两方向配受力钢筋。,.,2、板的荷载有效分布宽度,对于混凝土或沥青面层，荷载呈45扩散。沿纵向：a1a2+2H；沿横向：b1b2+2H；,式中：H为铺装层的厚度。,.,于是桥面板上作用于行车道板面上的局部分布荷载p为：,式中：P加重车后轴的轴重。,.,(1)单向板跨径为l、宽度较大的梁式行车道板的受力状态。当荷载以a1b1的分布面积作用在板上时，板在跨中弯矩的实际图形是呈曲线形分布的，在荷载中心处达到最大值mxmax，,.,.,式中：M车轮荷载产生的跨中总弯矩；mxmax荷载中心处的最大单宽弯矩值，可按弹性板的理论算得。,设想用矩形amxmax来替代此曲线图形：,.,此式为板的有效工作宽度，或荷载有效分布宽度，以此板宽来承受车轮荷载产生的总弯矩，它满足了弯矩最大值的要求。荷载有效分布宽度与板的支承条件、荷载性质及荷载位置有关。,.,根据最大弯矩按矩形换算的有效分布宽度aa)简支板，跨中单个荷载；b)固缝板，跨中单个荷载c)简支板，全跨窄条荷载；d)简支板，1/4跨径处单个荷载；,.,桥面板属于弹性固结支承，为了计算方便，对于单向板的荷载有效分布宽度，桥规规定：,荷载在跨径中间对于单独一个荷载：aa1+l/3=a2+2H+l/32l/3对于几个靠近的相同荷载：aa1+d+l/3=a2+2H+d+l/32l/3,.,荷载在板的支承处：aa1+t=a2+2H+tl/3式中：t板的厚度。荷载靠近板的支承处：axa+2x式中:x荷载离支承边缘的距离。,t,.,悬臂板受力状态,(2)悬臂板,.,(2)悬臂板由弹性板理论，板端作用P时，板条的最大负弯矩mxmax0.465P，而总弯矩为M0Pl0，因此，按最大负弯矩值换算的有效工作宽度为：,.,可见，悬臂板的有效工作宽度接近于二倍悬臂长度，即荷载可近似按45向悬臂板支承处分布。公路桥面设计规范对悬臂板规定的活载有效分布宽度为：,.,a=a1+2ba2+2H+2b；式中：b为承重板上荷载压力面外侧边缘至悬臂根部的距离。,.,履带荷载：取一米宽板条按实际荷载强度p进行计算。,单向板,悬臂板,.,3、行车道板的内力计算实体的矩形行车道板由弯矩控制设计。设计时，以每米宽板条来进行计算。(1)多跨连续单向板的内力,固端铰支弹性固缝,.,当t/h1/4时：跨中弯矩：M中0.5M0；支点弯矩：M支0.7M0；当t/h1/4时：跨中弯矩：M中0.7M0；支点弯矩：M支0.7M0；式中：M0M0p+M0g。,工程中，简化方法是先算出跨度相同的简支板的M0，然后修正。,.,(2)铰接悬臂板的内力T形梁翼缘板作为行车道板往往用铰按的方式连接，最大弯矩在悬臂根部。当车轮荷载对中布置在铰接处是最不利的荷载位置，这时铰内的剪力为零，两相邻悬臂板各承受半个车轮荷载，即P/4。由材料力学或结构力学可计算得跨中弯矩。,.,.,三、荷载横向分布计算,(一)概念结构内力是空间问题，但工程中合理转化成平面问题。并通过荷载横向分布系数考虑荷载的空间作用的影响。,.,对于横隔梁的刚度：设想五根主梁所组成的桥梁在跨度内承受荷强P的跨中横截面。,对于横隔梁的刚度为0；若中梁的跨中有P作用，则全桥中只有中梁受力，即中梁的横向分布系数m1，其它梁的m0；这种形式的整体性差，而且是很不经济的。,EIH=0，m中=1,wa,.,此时五根主梁的挠度均相等，荷载P由五根梁均匀分担，每梁只承受P/5，各梁的横向分布系数m0.2。,EIH=，m中=0.2,wc,若各主梁间的横隔梁刚度很大，可设想横隔梁的刚度接近无穷大(EIH=)，则在荷载P作用下，横隔梁无弯曲变形，所有五根主梁共同参与受力。,.,EIH=，m中=0.2,0EIH，0.2m中2，为窄桥，,.,故可按偏心压力法来绘制横向影响线并计算横向分布系数m。本桥各根主梁的横截面均相等，梁数n5，梁间距为1.60m，则：,.,第1号主梁的荷载的影响线竖标值11：,于是，1号梁的活载横向分布系数可计算：,.,汽15：m0=(0.575+0.350+0.188-0.038)/2=0.538；挂80：m0=(0.513+0.4+0.288+0.175)/4=0.344,.,于是，1号梁的活载横向分布系数：汽15：m0=（0.575+0.350+0.188-0.038)/2=0.538；挂80：m0=(0.513+0.4+0.288+0.175)/4=0.344,.,(2)修正偏心压力法由于横隔梁近似为绝对刚性和忽略主梁抗扭刚度，导致了边梁受力偏大。因此在实用中处理方法有：将偏心压力法求得的边梁最大横向分布系数乘以0.9折减方法。若考虑主梁抗扭刚度，则为修正偏心压力法。,.,.,第i号主梁的荷载的影响线ik：,.,(四)铰接板法,特点：对于用现浇混凝土纵向企口缝连接的装配式板桥以及仅在翼板间用焊接钢板或伸出交叉钢筋连结的无中间横隔梁的装配式桥。,翼板间伸出交叉钢筋连结,翼板间企口桥面接缝,.,装配式板桥纵向企口缝横截面及类型,翼板间用焊接钢板的中间横隔梁的装配式桥,.,特点：竖向荷载作用下，铰接纵缝内只传递向剪力。基本假定：对于简支梁桥，常截面横向传递的荷载为半波正弦荷载。(1)铰接板(梁)法首先来分析铰接板桥的受力特点。,.,某块板上有竖向荷载P作用时，通过结合缝所承受的内力在起传递板间荷载的作用。纵向剪力t(x)和法向力n(x)同竖向剪力g(x)相比，影响极小；在构造上，结合缝(企口缝)的高度不大、刚性甚弱，通常可视作近似铰接，则横向弯矩m(x)对传布荷载的影响极微，也可忽略。,.,表示结合缝上内力为竖向剪力g(x)、横向弯矩m(x)、纵向剪力t(x)和法向力n(x)。,.,简化计算时，就假定竖向荷载作用下结合缝内只传送竖向剪力g(x)，这就是横向铰接板(梁)计算理论的假定前提。把空间计算问题，简化为平面问题，应仍满足荷载、铰接力和挠度三者的协调性，即：,.,对于每条板梁有：,但是，实际上无论对于集中轮重或分布荷载的作用情况，不能满足上式的条件(在x方向为有限长度)。但当采用具有某一峰值p0的半波正弦荷载：,.,1)铰接板桥的荷载横向分布在正弦荷载p0psin(x/l)作用下，各条铰缝内也产生正弦分布的铰接力gigisin(x/l)。,.,对于具有n条板的桥梁，就有(n-1)条铰缝。因此就有(n-1)个欲求的未知铰接力峰值gi。求gi可按结构力学中“力法”原理求解。11g1+12g2+13g3+14g4+1p=021g1+22g2+23g3+24g4+2p=031g1+32g2+33g3+34g4+3p=041g1+42g2+43g3+44g4+4p=0,式中：ik铰接缝k内作用单位正弦铰接力，在铰接缝i处引起的竖向相对位移；ip外荷载p在铰接缝i处引起的竖向位移。,.,求得系数后代入即得正则方程：2(1+)g1-(1-)g2=1-(1-)g1+2(1+)g2-(1-)g3=0-(1-)g2+2(1+)g3-(1-)g4=0-(1-)g3+2(1+)g4=0即：,.,式中：(b)/(2w)=5.8I(b/l)2/IT。I：板的抗弯惯性矩；b：板宽；l：板的跨度；IT：板的抗扭惯性矩。详见材料力学计算。,.,求得gi后，根据力的平衡原理可得板块的竖向荷载的峰值pi1。1号板：p111g1；2号板：p21g1g2；3号板：p31g2g3；4号板：p41g3g4；5号板：p51g4g5。,.,2)铰接板桥的荷载横向影响线和横向分布系数弹性板的荷载与挠度成比例及变位互等定理(pikpki)，得1号板梁荷载横向影响线ik：,1号板:11p111g1;2号板:21p21g1g2;3号板:31p31g2g3;4号板:41p41g3g4;5号板:51p51g4g5.,.,铰接T形梁的计算特点,小跨径的钢筋混凝土T形梁桥：不设中间横隔梁，仅对翼板边连结，或仅由现浇桥面板连结各主梁。特性：横向连结刚度极强，如同横向铰接结构。此外，对于无横隔梁的组合式梁桥也近似作为横向铰接来计算。,.,铰接T形梁的计算特点,.,计算特点：半正弦荷载作用，求得正则方程：2(1+)g1-(1-)g2=1-(1-)g1+2(1+)g2-(1-)g3=0-(1-)g2+2(1+)g3-(1-)g4=0-(1-)g3+2(1+)g4=0即：,.,式中：f/w=390I(d1/h1)3/l4。,I：板的抗弯惯性矩；d1：翼板悬出长度；h1：翼板厚度，对于变厚度的翼板，可取距梁肋d1/3处的板厚；l：板的跨度。,.,(五)比拟正交异性板法,1、特点：各种体系的梁桥：悬臂、连续体系桥梁，主梁由多道横隔梁连接的钢筋混凝土宽桥。将横隔梁、主梁组成的纵横交错的梁格体系简化为一矩形的平板，用弹性薄板理论求解。,.,(2)比拟正交异性板的挠曲微分方程纵梁：b，Ix和ITx；横隔梁：a，Iy和ITy。将主梁的Ix和ITx平摊于b，将横隔梁Iy和ITy平摊于a，则比拟成一块理想平板。图中x和y方向的换算厚度不同，绘成虚线。,.,比拟板的纵横向每米长度截面抗弯惯矩和抗扭惯矩相应为：,对于肋梁式钢筋混凝土或预应力混凝土结构，忽略的影响。于是得比拟正交异性板。,.,比拟正交异性板的挠曲微分方程：,.,常数称为扭弯参数，它表示比拟板两个方向的单宽抗扭刚度代数平均值与单宽抗弯刚度几何平均值之比。对于常用的T形梁或I字形梁，在01之间变化。,.,可看出，当1，且两个方向的单宽抗弯刚度相同(Jx=Jy)时，便简化成各向同性板。(3)应用图表计算荷载的横向分布对于一块纵、横向截面单宽惯矩分别为Jx，JTx，和Jy，Jty的简支比拟板。当板上位置k作用荷载p1*sin(x/l)时，板在跨中就产生弹性挠曲：,.,.,首先将全板按横向不同位置分作许多纵向板条、.，并以单位板宽(简称板条)来考虑。于是，在k处有单位正弦荷载作用下，任一板条沿x方向挠度为：wi(x)wisin(x/l)式中：wi与荷载峰值1相应的第i根板条挠度峰值。,.,以板条在跨中(即xx/2)为研究对象，则可得荷载和挠度分布图形如上图所示。图中1k，2k，ik表示k点有单位荷载作用下各板条所分担的荷载。根据荷载与挠度的正比关系，显然有：1kC*w1，2k=C*2k，.，ik=C*ik式中：C为与跨度和截面刚度相关的常数。,.,(1k+2k+nk)*1=A()=1(C*w1+C*w2+C*wn)*1=C*wi=C*A(w)式中：A()和A(w)相应为跨中荷载横向分布图形的面积和强度横向分布图形的面积。由此可得：C1/A(w),.,则有：A(w)2B*w平式中：B是桥宽的一半。因此得到：C1/(2Bw平)于是得：ik=C*wik=wik/(2Bw平)由变位互等定理和反力互等定理，则：ki=wki/(2Bw平),.,将荷载作用在任意位置i时k点的挠度值wki与同一荷载下设想的平均挠度值w平之比定义为影响系数Kki，即：Kki=wki/w平于是：ik=C*wik=wik/(2Bw平)=Kik/2B这里ik为p1作用在任意位置i时分配至k点的荷载。,.,Kki是欲计算的板条位置k、荷载位置i、扭弯参数以及纵、横向截面抗弯刚度之比的函数。K0、K1曲线图表见规范。对于一般梁肋式结构所比拟成的正交各向异性板，的变化范围在01之间。而K可足够精确地由下式内插求得：,.,(4)计算步骤：1)计算主梁的Ix、ITx；JxIx/b，JTxITx/b；横隔梁的Iy，ITy；JyIy/a，JTyITy/a。2)参数和：,.,3)将桥的全宽分为八等分共九个点的位置来计算的，以桥宽中间点为0，向左(或向右)依次为正的(或负的)B/4、B/2、3B/4、B。由值查规范“GM”表得K0、K1值。,.,5)求影响线的竖标值ik：ikK/n式中：n桥梁的主梁根数。6)求主梁的分担荷载Rik：Rikik*b式中：b主梁宽度。,4)求K值：,.,(六)小结,由前面分析与计算可知：(1)荷载位于桥跨中间部分时，由于桥梁横向结构的作用，荷载的横向分布可用偏心压力法等计算横向系数。,.,(2)当荷载在支点处作用在某主梁上时，如果不考虑支座弹性变形的影响，荷载就直接由该主梁传至支座，其它主梁基本上不参与受力。因此，荷载横向系数计算可用“杠杆原理法”。,.,1)对于无中间横隔梁或仅有一根中横隔梁的情况，跨中部分采用不变的mc，从离支点l/4处起至支点的区段内mx呈直线形过渡。,(3)实际工程中的处理方法：,.,2)对于有多根内横隔梁的情况，mc从第一根内横隔梁起向m0直线形过渡。,.,(4)实用中，求简支梁跨中最大弯矩时，可按不变化的mc计算。其它截面的弯矩计算，一般也可取用不变的mc计算，但对于中梁，若m0与mc相差较大，且内横隔梁又少于三根时，以计及其沿跨径变化。在计算主梁的最大剪力(梁端截面)时，只考虑该段内横向分布系数变化的影响。忽略远端的荷载。,.,在设有横隔梁的钢筋混凝土或预应力混凝土梁桥上，在工程设计中有以主梁计算中的偏心压力法原理和比拟板法原理来计算横隔梁内力的两种实用方法。,四、横隔梁内力计算,.,力学模型：桥梁的中横隔梁近似地视作竖向支承在多根弹性主梁上的多跨弹性支承连续梁。,1、偏压法,横隔梁的计算图式,.,在计算中，首先求主梁荷载，再利用静力平衡条件来求出横梁的内力影响线。对于具有多根内横隔梁的桥梁，跨中横隔梁受力最大，一般只要计算跨中横隔梁的内力，其他横隔梁可偏安全地仿此设计。2、比拟板法同前面比拟板法，不同点是将求主梁荷载影响线换成求横隔梁荷载影响线。,.,第四节支座,一、概述钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥在桥跨结构和墩台之间均须设置支座。,.,1、作用：(1)传递上部结构的支承反力，有竖向力和水平力；(2)保证结构在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作用下的自由变形，以使上、下部结构的实际受力情况符合结构的静力图式。,.,2、分类：,传递荷载种类,位移,竖向压力和水平力,只有竖向压力,自由转动,自由转动且能水平移动,.,3、设置：简支梁桥每跨：一端设置固定支座，另一端设置活动支座。悬臂梁桥锚固跨：一侧设置固定支座，另一侧设置活动支座。,.,多孔悬臂梁桥挂梁：支座布置与简支梁同。连续梁桥：每联中只要一个桥墩(或桥台)上设置固定支座，其余墩台上均应设置活动支座。,.,注意：(1)悬臂梁桥和连续梁桥在某些特殊情况下支座需要传递竖向拉力时，尚应设置能承受拉力的支座。(2)相邻两跨简支梁的固定支座，不宜集中布置在一个桥墩上。(3)坡桥：应将固定支座布置在标高低的墩台上。,.,(4)连续梁桥，为使全梁的纵向变形分散在梁的两端，应将固定支座设置在靠中间的支点处；但若中间支点的桥墩较高或因地基受力等原因，对承受水平力十分不利时，可根据具体情况将固定支座布置在靠边的其它墩台上。,.,(5)特别宽的梁桥，尚应设置沿纵向和横向均能移动的活动支座。(6)对于弯桥，应考虑活动支座沿弧线方向移动的可能性。(7)地震地区的梁桥：支座构造尚应考虑桥梁防震和减震的设施。,.,二、支座的类型和构造(1)简易垫层支座对于标准跨径小于10m的简支板或简支梁桥，在板或梁的端部支承的简易垫层上。,.,弧形钢板支座,.,(2)弧形钢板支座对于标准跨径在1020m，支承反力不超过600kN的简支梁桥，可采用弧形钢板支座。弧形钢板支座上下垫板之间的摩擦系数为0.20。,.,标准跨径为16m的钢筋混凝土T形梁桥的弧形钢板支座,.,(3)钢筋混凝土摆柱式支座对于标准跨径20m的梁式桥，为了更好地保证梁端的自由移动，需用钢筋混凝土摆柱式支座来替代一般的弧形钢板活动支座。,.,摆柱式支座的摩擦系数只有0.05，而且能承受的支点反力可达50006000kN。支座的高度从2030cm起，甚至达到100cm以上。,.,钢筋混凝土摆柱式支座,.,(4)橡胶支座五十年代起优质合成橡胶来制造桥梁支座。橡胶支座的优点：构造简单，加工方便，省钢材，造价低，结构高度小，安装方便，能适应任意方向的变形，抗震性好。,.,目前用作支座的橡胶：化学合成的氯丁橡胶。特点：抗压强度、抗油蚀性、冷热稳定性、耐老化性。缺点：橡胶易老化。从适用和经济上看，依然值得推广。应用：宽桥、曲线桥和斜交桥。,.,在桥梁工程中使用的橡胶支座大体上可分成两类，即板式橡胶支座和盆式橡胶支座。板式橡胶支座,.,板式橡胶支座两种：无加劲层的纯橡胶支座：一般用于温度低于25C。容许压应力3000kPa，只适用于小跨径桥梁。,.,板式橡胶支座：由几层薄钢板或钢丝网作为加劲层。容许压应力10000kPa，支承反力达3000kN的中等跨径桥梁。,.,活动机理：利用橡胶的不均匀弹性压缩实现转角，利用其剪切变形实现水平位移。,.,盆式橡胶支座,.,盆式橡胶支座：特点：结构紧凑、摩擦系数小、承载能力大、重量轻、结构高度小、转动及滑动灵活、成本较低，不易老化。纵向位移量=40mm200mm。容许转角为40，可多方向变形，容许压应力25000kPa。应用：大、中型桥梁支座。,.,第四章圬工和钢筋混凝土拱桥,第一节概述一、拱桥的基本特点及其适用范围拱桥的优点：1)跨越能力较大。2)就地取材，节省钢材和水泥；,.,3)耐久性好，养护、维修费用少；4)外型美观；5)构造较简单；6)抗风稳定性强；(结构整体性好)。缺点：1)自重较大，水平推力大，增加下部结构的工程量；,.,2)传统支架施工,工序多,费用高,困难多,工期长。3)连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全；需采用措施或设置单向推力墩，增加了造价；4)建筑高度较高。适用性：拱桥，特别圬工拱桥广泛应用于公路桥梁。,.,.,二、拱桥的主要组成,桥跨结构,主拱圈：主要承重结构,拱上建筑,桥面系：,传力构件,传递压力的构件或填充物,行车道、人行道及两边的栏杆或侧墙等,下部结构,桥墩、桥台基础等,支承桥跨结构；传递桥跨荷载至地基；与两岸跨堤联结。,铰：设置于拱脚处,.,三、拱桥分类1、建桥材料(主拱圈的材料)分类：圬工拱桥、钢拱桥等；2、拱上建筑的形式分类：实腹式拱桥、空腹式拱桥；3、主拱圈的拱轴线的型式分类：圆弧拱桥、链线拱桥等；4、按结构受力图式分类,.,4、按结构受力图式分类按主拱圈与行车系结构之间相互作用状态分类，有简单体系拱桥及组合体系拱桥两大类。(1)简单体系拱桥：行车系结构不参与主拱受力，主拱是主要承重结构。按不同的静力图式，主拱圈可分三铰拱、两铰拱或无铰拱。,.,1)三铰拱：静定结构；(拱圈内无附加力)。缺点：构造复杂，整体刚度小。适用：地基条件很差或寒冷地区可修建三铰拱拱桥。用作空腹式拱上建筑的腹拱。,.,2)无铰拱：三次超静定结构。(拱内有较大的附加内力)。特点：整体刚度大，构造简单。适用性：使用最广泛，一般地基良好的条件时下修建。钢筋混凝土无铰拱是大跨径桥梁的主要桥型之一。,.,组合式体系拱桥：行车系结构与主拱圈构成整体，以共同承受荷载。,无推力,刚性系杆刚性拱,柔性系杆刚性拱,刚性系杆柔性拱,柔性系杆刚性拱,有推力,有刚性梁的柔性拱,桁架拱,拱片桥,.,第二节拱桥设计和构造,一、拱桥的总体布置拱桥的总体设计应按照适用、经济、安全和美观的原则，,桥址,桥位,桥梁的长度、跨径、孔数、桥面标高、主拱圈的矢跨比等,.,1、确定桥梁的设计标高和矢跨比(1)拱桥的标高有：桥面标高、拱顶底面标高、起拱线标高、基础底面标高。,拱桥桥面的标高：由两岸线跨的纵断面设计来控制；要保证桥下净空满足宣泄洪水或通航的要求。,拱桥的主要标高,.,拱顶上缘标高：拱顶底面标高：起拱线标高：,基础底面标高决定于基础、地基的稳定性。,.,拱圈的宽度：取决于桥面净空的宽度。中、小跨径拱桥：拱圈宽度等于桥面净空宽度减去栏杆宽。大跨径桥或跨径较小、桥面特宽的城市桥梁：拱圈宽度小于桥宽。,.,公跨拱桥主拱圈宽度一般均大于跨径的1/20。桥规规定当主拱圈宽跨比1/20时，则应验算拱的横向稳定性。拱圈的厚度：根据跨径大小、荷载等级、主拱圈材料规格等条件决定。,.,(1)石拱桥中、小跨径石拱桥主拱圈高度可按下式进行估算：,式中：l0主拱圈净跨径(cm)；d主拱圈高度(cm)；m系致，取4.56。k荷载系数。,.,大跨径的石拱桥，也可由其它经验公式进行估算。(2)箱形拱、双曲拱、桁架拱和刚架拱桥确定箱形拱、拱肋中距2.0m的双曲拱、拱片中距3.0m的桁架拱和刚架拱时，由经验公式计算主拱圈肋的高度。,.,估算的经验公式为：,式中：H主拱圈(肋)的高度(cm)；、系数，根据主拱圈的构造型式不同取值；k荷载系数，对于各级汽车荷载(汽车超20级外)。,.,.,矢跨比(f/l)：恒载的水平推力Hg与垂直反力Vg之比值，随矢跨比的减小而增大。推力大，拱圈内轴向力也大，对拱圈受力有利，对墩台基础不利。无铰拱：拱圈内的附加内力，拱愈坦(即矢跨比越小)，附加内力越大。,.,矢跨比过大，拱脚区段过陡，施工困难，不美观。应经过综合比较后进行选定。对于砖、石、混凝土板拱桥及双曲拱桥，矢跨比一般为1/41/6，宜超过1/8，箱形拱桥的矢跨比一般为1/61/8，圬工拱桥的矢跨比一般不宜小于1/10，钢筋混凝土桁架拱、刚架拱桥的矢跨比一般为1/61/10，不宜小于1/12。“大胆度”：l2/f：,.,2、不等跨连续拱桥的处理方法多孔连续拱桥：等跨分孔的方案。在受地形、地质、通航等条件受限制，可用不等跨的分孔。,不等跨分孔的拱桥,.,不等跨拱桥，相邻孔的推力不等：改善措施：不同的矢跨比在相邻两孔中，大跨径用较大的矢跨比(拱陡)，小跨径用较小的矢跨比(拱坦些)，使两相邻孔在恒载作用下的不平衡推力差尽量减小。,.,采用不同的拱脚标高大跨径孔的矢跨比大，拱脚降低，减小了拱脚水平推力对基底的力臂。大、小跨的恒载水平推力对基底的弯矩得到平衡。,但拱脚不在同一水平，使桥梁外形欠美观，构造也复杂。,.,调整拱上建筑的恒载重量如要满足美观要求等，可用调整拱上建筑的重量来减小相邻孔间的不平衡推力。于是大跨径可用轻质的拱上填料或空腹式拱上建筑，小跨径用重质的拱上填料或实腹式拱上建筑，以改变恒载重量来调整拱桥的恒载水平推力。,.,三种措施中，从桥梁外观考虑，以第三种为好，在设计中，可将几种措施同时采用。如仍不能达到完全平衡推力的目的，则需设计成体型不对称的或加大桥墩和基础尺寸来解决。,.,3、拱轴线的选择拱轴线的形状：直接影响着拱圈的承载能力；影响结构耐久性、经济合理性和施工安全性等。合理拱轴线：与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，这时拱圈截面只受轴向压力，而无弯矩作用，从而能充分利用圬工材料的抗压性能。,.,拱桥设计的拱轴线应满足四方面的要求：尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、均匀温降、混凝土收缩等影响下各主要截面的应力相差不大、且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力；,.,对于无支架施工的拱桥，应满足各施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施；计算方法简便，易为生产人员掌握；线型美观，便于施工。,.,目前常用拱轴线型有：(1)圆弧线线型最简单，施工最方便，容易掌握。但拱轴线与恒载压力线偏离较大，使拱圈截面受力不均匀。圆弧线常用于1520m以下的小跨径拱桥。,.,(2)悬链线实腹式拱桥恒载强度下的拱圈压力线是一条悬链线。因此实腹式拱桥采用悬链线作拱轴线。对于空腹式拱桥，恒载压力线与拱轴线偏离。但这对拱圈控制载面的内力是有利的。为了设计方便，空腹式拱桥也广泛采用悬链线作为拱轴线。悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线型。,.,(3)抛物线在竖向均布荷载作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于恒载强度接近均布的拱桥，例如矢跨比较小的空腹式钢筋混凝土拱桥的拱轴线可用二次抛物线。钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱上结构拱桥的拱轴线也用二次抛物线。,.,大跨径拱桥如果拱上建筑布置很特殊(腹拱跨径特别大)，为了使拱