第三章 变截面高墩曲线连续刚构受力

同济大学申请工学硕士论文第三章变截面高墩曲线连续刚构受力分析PAGEPAGE26第三章变截面高墩曲线连续刚构受力分析在影响曲线刚构桥受力的众多因素中,曲率的影响是最明显的。由于曲率的影响，曲线梁桥产生弯扭耦合效应，结构受力复杂，并且产生扭转、径向偏位等变形。以前对曲线梁桥的分析多采用平面梁格或空间杆系程序，并且多是针对立交匝道上小跨径简支或连续弯桥，这样不能反映箱形截面上应力的分布规律，也很难体现弯曲、高墩连续刚构的受力特性。对曲线连续刚构来说，无论利用支架现浇还是悬臂方式施工，考虑混凝土长期徐变后结构受力都会趋近于一次落架状态，因此有必要了解成桥状态的曲线刚构的受力特性，本章主要分析平面弯曲、高墩对成桥状态下曲线连续刚构的影响。选取曲率半径分别为100m、300m、620m以及直线桥，墩高考虑为75m、50m、25m等情况下，利用空间板壳有限元分析连续刚构空间位移、应力分布规律。模型跨径、尺寸布置参考同济大学桥梁工程系实施施工监控的猫坑溪大桥（三福高速公路），按中心线展开跨径布置为85+150+85m，采用单箱单室截面，箱梁顶宽12.0m,底宽7.0m,两侧悬臂长度2.5m。墩顶处梁高9.5m，跨中梁高为2.5m，梁高从根部到跨中采用二次抛物线变化，主梁为50号混凝土，墩身为40号混凝土。模型示意如图3-1：图3-1计算模型在有限元模型中，中间两桥墩墩底设置为固结约束，两端桥台处箱梁腹板中心线上各有一竖向约束，不同曲率、墩高的计算模型，主梁跨径布置、截面尺寸均相同。3.1平面弯曲对高墩刚构自重变形的影响3.1.1竖向位移比较图3-275m墩高刚构中跨跨中顶板竖向位移图3-375m墩高刚构中跨跨中底板竖向位移图3-450m墩高刚构中跨跨中顶板竖向位移图3-550m墩高刚构中跨跨中底板竖向位移图3-625m墩高刚构中跨跨中顶板竖向位移图3-725m墩高刚构中跨跨中底板竖向位移从图中可以看出,曲线桥的跨中截面竖向位移要比同跨径的直线桥大一些，曲率半径愈小、墩身愈高，相应的跨中位移愈大，箱梁内外缘高差也增大。在75m墩高情况下，直线桥跨中自重产生的向下挠度约为17.3cm，在曲率半径为300m以上时（T构圆心角以下），跨中挠度略有增加；当曲率半径小于300m时，跨中挠度增加较快，反映出随着曲率半径的减小，结构弯扭耦合特性逐渐突出。从本桥计算结果来看，曲线连续刚构跨中附近主梁外边缘竖向位移要大于内边缘竖向位移，即梁体在扭矩作用下向曲线外侧扭转，并且随着曲率的增加，内外缘高差逐渐增大，扭转变形趋于明显。但是对于曲率半径在300m以上的连续刚构，和直线桥相比，曲率对结构竖向变形的增大影响很小，扭转变形也不突出。同时，随着墩高的增加，主梁跨中截面的竖向位移有所增加，内外缘高差也增大，分析原因在于墩身越高，产生的压缩变形越大，这时可以把曲线连续刚构看作一简支曲梁，并在曲线刚构的两中间墩处施加一较大的竖向赘余力，使结构产生较大的扭转和竖向变形。3.1.2径向位移比较泄图践3-875电m损墩高连续刚构帅中跨跨中径向摘位豆移芽变滋椒图洞3-950撤m荐墩高连续刚构霉中跨跨中径向盘位移闲从图中可以看号出：曲线连续柳刚构中跨跨中匹附近产生偏向锐平曲线外侧的损径向偏位，并床且曲率越小、对墩身越高，径道向偏位就越大党。梁体产生径冒向偏位的原因融在于墩顶部位类分配了主梁的狼部分扭矩，产洲生向平曲线内浓侧的横向弯曲裕，并带动了主安梁的径向偏位裂。贴对于直线桥，嫩则不存在径向锹偏移的问题，阵而对于曲线桥爱，曲率半径愈情小，径向偏位蜻的问题愈突出政，这个问题在洽曲线刚构悬臂停施工过程中变歪得愈发复杂，茅也是曲线桥线帖形控制的难点吼，有别于一般厨直线桥梁。蛙对于曲线连续选刚构来说，按俯一次落架分析锯，自重引起的姓径向变形是很涂小的，但应考圣虑到按成桥售状态分析径向霉偏位是偏不保端守的，原因在哑于成桥状态时虹结构刚度很大妹，施工阶段结们构处于静定体鉴系时刚度较小虽，结构径向偏执位效应会放大盟，这一问题将疗在下章分析。摊3限.1.3丢扭转角凡分布比较三图胖3-10育遥墩揉高呼75论m坏刚构顶板内外辨缘竖向位移比缝较旗图启赏名嫁图券3-1嫂1声扭转角分布图罢（讲75亏m集墩高曲线刚构舍）神图凶3-1测2拿扭转角分布图针（腊50溜m雹墩高曲线刚构案）淋卫搏英图敲3-1地3啦扭转角分布图口（碑25科m确墩高曲线刚构诞）昨在自重作用下点，曲线桥受弯尼扭耦合效应影赠响，主梁不但钞产生竖向弯曲岩，而且在扭矩泥作用下产生扭辱转变形。迎图蒸3-1召0责～漂1拦3稍显示了不同墩热高、不同曲率酷下刚构的扭转槐角沿桥纵向的忌变化。从中跨近跨中慌到惑L/粮4铜附近，产生外保侧低内侧高的汽扭转角，并在隔跨中为最大扭鉴转角；从主绘跨责L/飘4冷到边庭跨降L/图2腹范围，为内侧三低外侧高的扭驾转角，在墩顶句附近扭转角曲药线存在极值点砖。但从碌图位3-亲9恒内外缘竖向位牢移分布图来看矿，虽然墩顶附表近扭转角较大向，但从酷图赵3-1威0县可以看出内外植缘竖向位移高梯差绝对值是比窝较小的；跨中忠附近内外缘竖尼向位移高差相炊对较大。对于档不同曲率半径堡的曲线刚构来鄙说，扭转角沿栋纵向分布曲恒线是相似的，舍几乎在同一位涝置出现极值点钻和转折点，随冷着曲率的增大站，墩高增加，镜扭转角的绝对科值也逐渐增大忠，内外弧高差抵趋于明显。仪对行于欢75缸m什墩高叶、弦620狱m杨曲率半径的猫网坑溪大桥，按阳一次落架成桥车分析，中跨跨界中最大扭转角途为装0.0001最7户，内外弧高差省约评为明2.5mm芒,狭其扭转变形相艘对于竖向变形身可以忽略不计肚。喝3峡.2咸平面弯曲对刚薄构自重应力的什影响锣图摇3-1奖4均～悲1肾7枕为曲线刚亏构顽(75m纷)降在自重作用下蚊的正应力云图差：服图探3-14厚300岗m违半径下刚构顶找板上边缘正应结力图（单位践为求P没a帝）肠图秀3-15瞧620湾m肿半径下刚构顶叨板上边缘正应视力图（单位践为允P植a奏）州图珠3-16纪300偏m键半径刚构底板答下边缘正应力异图（单位砍为舟P如a声）模图允3-17垦620饭m困半径刚构底板泽下边缘正应力助图（单位勤为置P捷a铅）舱图督3-1捷8温～眼2旗5宫为中跨各截面蜜和墩顶截面处惠顶底板应力沿跪桥横向的分布手规律：谣图骆3-18愿彼中跨跨中顶板旨正应听力腔咱淋委夜卫印图狸3-19中刊中跨跨中底板吧正应力庆锡杆图规3-20积腊中筝跨练3/鞠8表跨处顶板正应稠力使已增删乱理图宋3-2份1纳中扶跨蛇3/崭8索跨处底板正应默力记图脖3-22刷老中绵跨房1/画4暖跨处顶板正应谜力片榨优用幕图禁3-23版躬中骆跨租1/爹4走跨处底板正应绍力拣扑图扇3-24增跪墩顶处箱梁顶解板正应洁力曾昌悔杠粘头图蕉3-25宅竭墩顶处箱梁底察板正应力浙从图中可以发梦现：能同直线桥一样箩，变截面曲线罪刚构桥中顶板吗正应力从跨中肿向支点由压应择力逐渐变为拉盖应力，所不同好的是，直线桥胶截面正应力在桨横桥向是对称疮的，而曲线桥秧由于弯扭耦合届效应的存在，菠截面内外侧正迎应力有所差别抱，并且曲率愈原大，此应力差祸别愈明显。隆跨中附近顶板点上边缘正应力滔内弧一侧较外角弧一侧为大，横而底板下边缘以正应力内弧一鱼侧小于外弧一功侧，反映出跨乒中附近主梁在裂自重作用下蚀内侧高外侧低竹的扭转变化的逝影响。孩与直线刚构桥尾相比，曲线刚惹构桥在相同跨石径位置处（按像中心线展开）婚截面最大拉、镇压应力绝对值暂要大一些，表爪现出曲率愈大结，则截面上最托大拉、压应力葬绝对值愈大。刚因此在曲线刚柴构设计中，其埋梁高等尺寸应编比相同跨径的盼直线桥大一些扔，以提供足够叔的承载力。旱曲线梁桥截面排正应力横向分普布不均匀，并欠且绝对值大于奉直线桥，应在姜设计中给予重蜜视。但在高速厌公路常用曲率叮半径范围内，阅应力分布情况醒与直桥相比差陶别不是很大。猜3.乡3障平面弯曲对边汪墩闹(昼台监)专支撑反力的影充响属表映3-1方局曲、直刚构边榜墩支座反力比巩较表就刚构墩身高度垮支座位置航半径扬100钱半径铲300测半径贯620壮直线箱梁但支撑反力亲比例恨支撑反力稠比例行支撑反力狭比例动支撑反力乎比例辅75m谦内边支座处2432矮81%枪2769匙94%法2852煎97%虏2944法100%梯外边支座目3558嗓119%贡3132家106%果3040灶103%移2944耀100%截反力差值障1126埋38%扭363将12%琴188护6%禽0窝0%胸50m浴内边支座秤2382赢80%宽2731激92%叹2859艺96%茅2995沫100%看外边支座商3601售120%猫3234呼108%妈3121着104%荣2995君100%仅反力差值禁1219灯41%眠503荒17%蚀262远9%忙0朴0%俯25m桐内边支座刑2322发78%锣2719珠90%余2878聋95%暑3055蛇100%详外边支座煤3663机122%衰3301王110%锡3205把105%作3055军100%壮反力差值坏1341天45%葛582纵19%舞326葱11%糖0挑0%聪说明立：闲1分.静所有支撑反力画均穗以晚K晨N财为单位披；缓2造.乱计算比例值均摸相对于内外弧赵支撑反力平均弱值。贩由于曲率的影极响，曲线箱梁纷桥的支撑反力帅与直线箱梁桥租不同，在本计盗算模型条件献下潮(开这时弯扭刚度挤比、边主跨径蹄比一嚷定撑)怜，边支撑的内谦弧支撑反力小意于外弧支撑反煮力，从表中可携以看出：在常饰规边主跨长比丙例哲(0.56阴)睡情况下，随着塌刚构桥曲率增句大，边支撑处悄内弧反力有卸犬载趋势，而外码弧反力有加载户趋势，因此内屋外侧反力差值腔随曲率增大有这加大的倾向；鉴而随着刚构墩确身高度的增加钟，边支撑反力远分布有明显变呢化，因此在高越墩弯桥计算支榆反力时必须考担虑高墩的影响挠。扒在常规曲率半叔径鲁（英R写＝渴60疼0穿以上）、常规飞墩高今（灾25m咬）禾情况下，自重总作用下引起的质内、外弧反力忍与直线桥相比盟有裕5石%购左右的差异，鸦在支撑设计时瓣可在直桥基础乞上考虑略大管于刮1侧的放大系数。塞但在小曲率半泼径情况下，内寻外弧支座反力等差别比较显著掉，甚至可能在靠与人群、汽车罗、温度等不利兼工况组合下出睁现负反力，即很支座脱空的情捕况，此时必须粗谨慎考虑支座皆的设计。药3.骂4男本章小结壮成桥阶段自重芒作用下，曲线你连续刚构跨中碰挠度比相同跨拿径直线桥的跨牢中挠度大。这零主要是因为曲谦线梁弯扭耦合史的作用，自重啊作用产生的弯鹅矩引起扭矩，适扭矩又使得曲轿线梁跨中弯矩丝增大，从而使中曲线桥产生较辜直线桥大的竖州向位移，并有皂扭角产生。貌成桥阶段的自悦重作用下，连兰续刚构受曲率午影响，产生弯谷扭耦合效应，节内外侧腹板应搅力存在酒差别，而且截暑面应力横向分座布的不均匀性被和应力的均值锡都大于直线箱绑梁。勒高墩对曲线刚触构的结构变形志有很大影响，绝在曲率半径、残跨径等条件一骂致情况下，墩宪身高度增加，搜结构的竖向变聋形、扭转角均精增大；墩身高挺度增加，其竖炭向压缩变形也覆增大，其影响复相当于把曲线泻连续刚构看成矿一等跨径的简前支曲桥，而在职墩身位置施加耻一竖向赘余力倘，由此引起结筹构较大的竖向投、扭转变形。蓬在高速公路主访线常用曲率半问径范围