第1讲曲线梁桥简介市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

1混凝土桥梁（2）湖南大学土木工程学院桥梁工程系二O一四年四月第二部分：曲线梁桥、斜梁桥及刚架桥湖南大学土木工程学院桥梁工程专业关键课程讲义《混凝土桥梁（2）》主讲：刘志文E-mail：zhiwenliu@手机1页2第一讲曲线梁桥定义、分类及应用现实状况（4.11，单周）第二讲曲线梁桥结构受力特点与结构（4.14，双周）第三讲曲线梁桥结构力学分析方法（4.21，4.24讨论，单周）第四讲曲线梁桥结构有限元分析方法——单梁法（4.25，单周）第五讲曲线梁桥结构有限元分析方法——梁格法（4.28，双周）第六讲曲线梁桥预应力配筋与结构（5.5，5.8讨论，单周）第七讲斜梁桥介绍（5.9，单周）第八讲斜拉桥近似计算介绍（5.12，双周）第九讲刚架桥介绍（5.19，5.22讨论，单周）混凝土桥梁（2）第二部分课程内容目录第2页3上课纪律要求按时上课，认真听讲，不迟到；自己认真、按时完成作业，不剽窃；计划随机抽查五次，有三次无故不到者平时成绩记为零分。第3页4推荐参考书及期刊杂志邵旭东桥梁工程（第二版），人民交通出版社，HiroshiNakai,ChaiHongYoo.AnalysisanddesignofCurvedSteelBridges,1988刘效尧赵立成公路桥涵设计手册——梁桥，人民交通出版社，姚玲森，曲线梁，人民交通出版社，19895.邵容光混凝土弯梁桥，人民交通出版社，19916.《世界桥梁》（国外桥梁）7.《桥梁建设》8.JournalofBridgeEngineering9.中国土木工程学会桥梁及结构工程分会全国桥梁学术会议论文集（历届)，该会议每两年举行一次。第4页5第一讲曲线梁桥定义、分类及应用现实状况1.教学目标了解曲线梁桥基本概念、分类、发展历史及应用现实状况。2.教学任务（1）曲线梁桥介绍；（2）曲线梁桥发展历史及应用现实状况；（3）曲线梁桥设计现实状况；（4）曲线梁桥研究现实状况；（5）曲线梁桥经典事故分析。

3.课后作业查阅资料，了解一下国内外曲线梁桥工程事故，试分析其发生原因。第5页6曲线桥是指主梁轴线在水平面上投影为曲线桥梁，称为曲线桥，又称弯梁桥（Horizontalcurvedbridge）。曲线梁桥采取不但可使道路布置更趋科学、合理；而且能够与周围环境协调一致，给人以美享受。在桥梁工程中主要应用如立交桥、曲线刚构、斜拉桥等。

图1立交工程中大量应用曲线梁桥图2曲线斜拉桥一、曲线梁桥介绍第6页71.1曲线梁桥平面形状一、曲线梁桥介绍实际曲线梁桥平面形状非常多，基本形式有以下三种：a）平面扇形（正桥，轴线与支承线正交）;b）斜交曲线桥（受力复杂）;c）斜交曲线桥（受力复杂）;图3曲线梁桥平面基本形状第7页8实际曲线梁桥普通由图1所表示三种基本形状组合而成，以下列图所表示。图4实际曲线梁桥平面形状一、曲线梁桥介绍第8页91.2曲线梁桥主梁截面形式一、曲线梁桥介绍曲线T（或I）形梁：抗扭刚度小！曲线梁板格子梁：梁本身抗扭刚度小，但横梁与T梁形成梁格体系，整体抗扭刚度较大。曲线箱梁桥：闭口截面，抗扭刚度大！小跨度曲线梁桥。小跨度曲线梁桥。跨度较大曲线梁桥。图5曲线箱梁桥第9页10ConcretedeckSteel-concretedeckSteeldeck一、曲线梁桥介绍因为曲线梁桥特殊受力特点，普通跨度较大曲线梁桥采取箱型断面。工程实践中经常采取箱型断面类型以下列图所表示。图6曲线梁桥惯用箱梁断面图第10页11图7曲线I型梁照片第11页12图8单箱曲线梁桥照片第12页131.3曲线梁桥结构体系1）简支曲线梁桥

受力简单，计算较为简单，施工方便！主梁端部存在较大扭矩，梁端支座易产生负反力（即上拔力），支座易疲劳！2）连续曲线梁桥

受力较为复杂，需借助有限元方法进行分析，施工较方便。受力较为合理，可经过调整支座预偏心来调整主梁扭矩分布，从而改进其受力。需要关注梁体变形和支座脱空问题，设计适当支座布置方式十分主要。3）曲线连续刚构、曲线斜拉桥第13页14acurved,two-lanehighwaybridgewithsimplysupported,composite,plate-girderstringerswillbedesigned.AsindicatedintheframingplaninFig.12.25a,thestringersareconcentricandthesupportsanddiaphragmsareplacedradially.OutergirderG

1spans90ftandhasaradiusofcurvatureR

1of300ft.Spacingofdiaphragmsalongthisspanisd

1=15ft.DistancebetweeninnerandoutergridsG

1andG

3isD=22ftctoc,andG

2ismidwaybetweenthem.ThetypicalcrosssectioninFig.12.25bshowsa22-ft-wideroadwayflankedbytwo3-ft3-in-widesafetywalks.第14页15Thearticulationofcurvedbridgedecksneedstobeconsideredcarefullytoavoidproblemswithunwantedtransversedisplacementswhilstminimizingtransverseforcesduetorestraint.GuidanceontheoptionsavailableisgiveninSCIP393andinGuidanceNote1.04.连续曲线梁桥合理支座布置方式图9曲线连续梁桥支座合理布置方案第15页16二、曲线梁桥发展历史及应用现实状况2.1曲线梁桥发展原因

从二十世纪六十年代开始，曲线梁桥得到了快速发展，其主要原因以下：（1）公路线形要求图10立交工程示意图

从“桥梁决定路线”向“路线决定桥梁”转变。伴随城市规模和高速公路发展，城市快速干道与平面街道立体交叉（立交程）越来越多；城市交通量大平面路口建设置交工程。在公路线形设计中，普通要优先考虑交通工方面问题来决定路线形状（出于行车性能考虑）。第16页17

（2）节约空间、造型美观曲线梁桥能够节约建筑空间，且线形优美，与传统“以直代曲”（注：早期曲线梁桥是采取这种方法实现桥梁转向，受力本质上为直线桥。）桥梁相比，含有造价低、环境友好等优点。（3）有限元分析方法出现曲线梁因为有“弯扭耦合”受力特点，故在荷载作用下曲线梁结构分析要比直线桥复杂多。在有限元分析方法出现之前，桥梁工程师在进行曲线梁桥结构设计时无法对曲线梁桥结构进行准确分析。二、曲线梁桥发展历史及应用现实状况第17页182.2曲线梁桥发展历史及特点20世纪30年代，人们已对曲线梁桥相关问题进行了理论分析和研究。这一阶段研究集中在试验研究和理论分析方面，侧重研究曲线梁桥荷载横向分配、曲线梁桥支反力分布以及曲线梁桥结构分析实用方法方面。20世纪70~80年代，国内外修建了大量曲线梁桥。这些桥梁特点简述以下：（1）大多数采取箱形截面；（2）结构体系较多采取连续曲线梁体系；（3）跨径普通在50~60米左右；（4）曲率半径最小为30~40米；（5）曲线梁桥结构建筑高度普通较小；（6）桥宽普通为2~4个车道；（7）曲线梁桥施工方法多为现场满堂支架施工，另外有一部分采取顶推和悬臂施工方法。二、曲线梁桥发展历史及应用现实状况第18页19三、曲线梁桥设计现实状况（设计规范介绍）

曲线梁桥因为存在“弯扭耦合”特点，使得其力学特点与直线桥梁存在本质差异，使得曲线梁桥设计含有一定复杂性。当前尽管工程实践中已建设了许多曲线梁桥，但世界各国对曲线梁桥设计规范制订工作显著晚于直线桥。现就各国规范关于曲线梁桥设计规范进行简明综述。3.1美国曲线梁桥设计规范1980年，第一次在AASHTO设计规范中对曲线梁桥设计进行了专门要求，《AASHTO曲线公路桥梁设计指南》（AASHTOAASHTO’sGuideSpecificationsforHorizontallyCurvedSteelGirderHighwayBridges），后分别于1986、1993、年进行了修订。第19页20美国版AASHTO曲线梁设计规范介绍

版AASHTO规范“AASHTOGuideSpecificationforHorizontallyCurvedSteelGirderHighwayBridges”分为设计篇、施工篇、钢工字梁设计示例及附件组成。设计篇：设计极限状态、荷载（恒载、施工荷载、风荷载、活载、热荷载）、结构分析、腹板、剪力连接键、支座、I字型梁、闭口箱梁、横撑、变形、可施工性；施工篇：概述、安装、交通计划、钢结构施工、桥面板；钢工字梁设计示例：目标、设计参数、钢结构及施工设计、钢结构施工图设计等，详细内容参见文件[3]。三、曲线梁桥设计现实状况第20页213.2日本曲线梁桥设计要求

JapaneseSpecificationforHighwayBridges(日本公路桥梁设计规范)中关于曲线梁未做明确要求。而在HanshinExpressPublicCorporatation.（1）曲线半径确定标准之一——超高设计标准三、曲线梁桥设计现实状况第21页22三、曲线梁桥设计现实状况第22页23（2）曲线半径确定标准之二——行车视觉净空第23页24（2）曲线梁桥类型选择另外，从支座反力设计、荷载计算等角度对曲线梁桥设计进行较为详细要求。三、曲线梁桥设计现实状况第24页25

加拿大三、曲线梁桥设计现实状况第25页26一、立项依据3.3中国曲线梁桥设计要求我国当前在《公路桥涵设计通用规范》与《钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中对曲线梁桥设计均未作明确要求。综合以上各国关于曲线梁桥设计要求能够看出：

1）因为曲线梁桥结构存在“弯扭耦合”效应，各国规范对曲线梁桥在何种参数条件下能够按直线桥进行设计做了对应要求，尽管不一样国家规范详细参数存在一定差异；

2）美国AASHTO规范和FHWA规范主要针对钢曲线梁桥进行了较为系统要求，对混凝土曲线梁桥设计较少；

3）我国公路桥梁设计规范关于曲线梁桥设计要求近乎空白。三、曲线梁桥设计现实状况第26页27

从1843年圣•维南（BarrédeSaintVenant）第一次提出曲线梁分析方法以来，关于曲线梁研究一直受到关注，并已经有大量研究文件。

1914年第一座曲线梁在德国诞生，是一座钢桁架铁路桥。从20世纪30年代，人们就已经开始对曲线梁桥相关问题进行了理论分析和研究。美国对曲线梁桥进行设计和分析研究则开始于1969年，美国联邦公路局(FHWA)组织美国多所高校对曲线梁桥进行系统研究。美国土木工程协会（ASCE）和美国公路运输者协会（AASHTO）将关于曲线梁桥1976年以前研究结果写入规范，第一次对曲线工字梁设计进行了规范层面要求。四、曲线梁桥研究现实状况第27页28

早期曲线梁桥研究集中在曲线梁桥基本力学特点、曲线梁桥荷载横向分配等问题研究，经过多年研究已经积累了一定研究结果。当前关于曲线梁桥研究主要集中在以下三个方面：理论研究及近似分析方法、数值分析以及试验研究。4.1理论研究及近似分析方法

理论研究是借助结构力学中各种分析方法，基于一定假定，建立起结构荷载与内力、位移关系方法。主要方法有：纯扭转理论、翘曲扭转理论；梁格系理论、折板理论、正交异性板理论、梁系理论、板梁组合系理论，国内外许多学者在这方面进行了大量研究。经典理论分析方法主要特点是概念明确，但只能分析非常简单结构、超静定次数比较低曲线梁结构，几乎无法直接应用于复杂工程实践中。四、曲线梁桥研究现实状况第28页29近似分析方法早期：曲线梁按直线梁桥计算，无法考虑其“弯扭耦合”效应影响，分析精度低；20世纪70、80年代

V-LOAD方法（该方法是由美国钢铁企业于1984年提出，并广泛应用于曲线工字梁桥近似分析）；M/R方法（对曲线箱梁桥考虑曲率影响所建立一个近似分析方法（TungandFountain,1970）。四、曲线梁桥研究现实状况第29页304.2数值分析伴随有限单元法出现以及计算机普及，曲线梁桥结构数值分析方法研究逐步成为曲线梁桥结构研究另一个主要方面，数值方法主要包含有限条法和有限元法两大类。

1968年张佑启首先提出了有限条法，其实它可看作有限元法特殊形式。因为有限条法单元划分是形成有规则窄条，所以它们二者区分在于单元位移函数不一样。从精度和效果来说，有限条法被公认为分析规则结构很有效方法。大量有限元方法：曲线梁单元模式、大型有限元分析软件等。四、曲线梁桥研究现实状况第30页31

黄剑源、张罗溪等学者提出每节点4个自由度薄壁曲梁单元。张叔辉演引出了一个新单元，这一单元每一个结点除保留通常六个位移度外，还引入三个附加位移自由度，用来考虑截面翘曲和畸变作用。孙广华在其著作中系统地介绍了钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土曲线梁桥计算，并开发了对应曲线梁桥结构分析与设计程序。戴公连等则主要应用空间梁格法对曲线梁桥结构进行有限元分析，最终给出了普通钢筋混凝土、预应力混凝土及异形箱梁结构曲线连续梁桥计算实例。刘志文、贺栓海等应用曲杆有限单元法建立了曲线梁桥实用分析方法，并编制了曲线梁桥结构分析程序系统CCBS。该系统采取模块化设计方法，利用横向分布理论来分析多主梁曲线梁桥空间受力问题。四、曲线梁桥研究现实状况第31页32一、立项依据四、曲线梁桥研究现实状况

D.Nevling等采取数值模拟与实桥实测相互验证方法，针对曲线梁桥各种分析方法精度进行了系统研究。以某三跨钢工字梁曲线桥为例，分别进行了三种分析精度分析：即水准1：按AASHTO曲线梁桥设计规范所提供直线梁分析（alinegirderanalysismethods）、V-load方法；水准2：应用大型商业有限员分析软件SAP、MDX、DESCUS建立梁格模型进行分析（grillagemodels）；水准3：采取SAP、BSD13D建立三维（壳或实体单元）有限元模型。针对详细荷载与详细截面位置，将各种分析精度对应分析结果分别与现场实测结果进行对比。结果显示水准2精度很好。第32页33

以上关于曲线梁桥结构分析研究在一定程度上为曲线梁桥设计提供了参考，但这些研究往往重视分析方法和程序编制，其通用性较差，尤其是要同时考虑各种影响原因（如温度效应、预应力效应以及支座摩擦效应等）时，存在一定不足。另外，针对不一样桥型要求桥梁工程师去学习、应用不一样结构分析软件，在一定程度上增大了这种软件推广难度。伴随大型有限元分析软件在桥梁工程师中普及，如ANSYS、ABAQUS等软件在结构分析领域广泛应用，怎样在现有大型软件平台基础上，建立适当有限元模型，并针对工程实践中惯用一些桥梁进行研究，总结不一样参数改变对曲线梁桥结构力学性能影响规律对于曲线梁桥结构设计而言是十分主要。四、曲线梁桥研究现实状况第33页344.3试验研究曲线梁桥试验研究方面，普通是以模型试验为主，实桥试验为辅，并同时与数值分析结果进行对比。

美国联邦公路局从1992年开始，就针对曲线钢桥设置专门课题进行研究，其最为主要研究目标就是：跟好地了解这类桥梁结构基本力学行为。详细研究内容包含：

1）曲线钢梁桥结构理论分析；

2）曲线钢梁桥桥线性、非线性数值分析；

3）曲线钢工字梁模型试验与实桥试验研究。四、曲线梁桥研究现实状况第34页35

美国佐治亚理工大学ZureickA.针对钢曲线梁桥进行了数值分析与试验研究，其研究主要内容与目标以下：1）曲线箱梁、工字梁稳定问题，如系杆、横撑、加紧板对曲线梁桥结构稳定性影响；2）对曲线梁桥内力、变形进行现场实测，以校核数值分析结果；3）建立经济有效地曲线梁桥施工方法；4）经过试验验证不一样长细比对应局部屈曲、侧扭屈曲分析方法有效性，假如现有方法存在不足，则需要建立新分析方法；5）经过试验检验横向与纵向加劲板之间设计参数；6）经过试验来确定曲线工字梁和钢箱梁上混凝土板有效分布宽度。四、曲线梁桥研究现实状况第35页36图11钢曲线梁桥模型试验照片四、曲线梁桥研究现实状况第36页37

高墩大跨径弯桥设计与施工技术研究

由交通部公路科学科研院和长安大学合作完成交通部西部交通科技项目，针对西部桥梁“大跨”、“高墩”和“弯梁”等区域性特点提出来，其目标就是为西部山区建桥提供有效新技术和新工艺。主要研究内容以下：1）高墩大跨径弯桥上下部结构形式研究2）高墩大跨径弯桥预应力设置及分析研究3）高墩大跨径弯桥收缩徐变、温度效应分析研究4）高墩大跨径弯桥箱梁薄壁墩空间分析研究5）高墩大跨径弯桥全过程稳定分析研究6）高墩大跨径弯桥支撑布置对箱梁结构影响研究7）高墩大跨径弯桥施工方法和监控方法研究”四、曲线梁桥研究现实状况第37页38图12高墩大跨连续曲线梁桥依靠工程与模型试验照片四、曲线梁桥研究现实状况第38页39

钢混组合曲线箱梁桥结构力学行为与设计

年美国UniversityofCentralFlorida大学针对“钢混组合曲线箱梁桥结构力学行为与设计”进行了初步研究。详细从一下三个方面进行研究：1）非均匀分布扭矩对现有曲线箱梁力学行为影响；2）曲线箱梁桥横向分布系数计算精度研究；3）曲线钢钢箱梁桥检验入口合理位置确定研究。四、曲线梁桥研究现实状况第39页40

预应力混凝土连续曲线箱梁桥结构受力行为研究一、立项依据

武汉市政工程设计研究院联合中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院、武汉天兴洲道桥投资有限企业针对“预应力混凝土连续曲线箱梁桥结构受力行为研究”进行了数值分析研究。该项目研究主要目标为：1）充分掌握小半径、大跨度预应力混凝土等高度连续箱梁结构受力特征；2）结合天兴洲大桥引桥匝道道桥工程，有针对性进行详细分析，指导结构设计；3）全方面深入掌握不一样曲线半径、不一样跨度条件下结构受力特征改变规律，为以后类似工程提供可靠理论依据。四、曲线梁桥研究现实状况第40页41

总而言之，关于曲线梁桥结构力学行为研究受到国内外桥梁工程师重视。美国以钢工字梁研究为主，近年来逐步开展预应力混凝土曲线梁桥研究，主要研究内容侧重于曲线梁桥结构力学性能规律，研究方法则采取数值模拟与试验相结合方法。国内侧重于预应力混凝土曲线梁桥研究，主要研究内容亦侧重于曲线梁桥结构力学规律，当前主要研究方法多采取数值模拟方法为主。四、曲线梁桥研究现实状况第41页42曲线梁“弯扭耦合”曲线梁预应力效应曲线梁温度效应曲线梁工程事故较多曲线梁桥力学特征与直线梁桥含有本质差异！曲线梁桥支撑系统五、经典曲线梁桥事故介绍第42页43一、立项依据

鉴于国内曲线梁桥设计现实状况——“应用广泛、问题较多、研究微弱、尚无规范”，实际桥梁工程中，曲线梁桥工程事故也较多；而这些工程事故多由桥梁工程师对曲线梁桥结构力学行为认识存在一定误区引发。右图所表示为深圳某立交桥A匝道第3联突然向外侧整体位移事故照片，最大侧位移达47cm。事故1图13某立交变形照片五、经典曲线梁桥事故介绍第43页44图14韩国SingDong互通立交中桥梁坍塌事故（年）

韩国SINGDONG互通立交工程，主梁为钢箱梁，桥宽为7.50m，曲线半径为125m，桥跨为50m。该桥建于年，通车后年6月15日，在一辆重车过桥后没有任何前兆坍毁。因为桥台两侧支撑系统疲劳断裂引发桥梁整体坍塌。在结构自重和汽车荷载作用下，端部支撑处存在显著伤拔与切向力作用，最终造成支撑疲劳断裂。事故2五、经典曲线梁桥事故介绍第44页45

图15所表示为深圳市金田立交1#桥，该桥为一座三跨曲线连续梁桥，曲率半径52m，桥宽10m，主梁断面为单箱单室。桥梁两侧桥墩处采取双板式橡胶支座作为抗扭支座，支座尺寸为35cmx60cmx5.6cm。主要病害：1）该桥内侧支座脱空，抗扭墩盖梁出现竖向裂缝；2）经过对该桥中间桥墩（9#墩）径向与切向位移随温度改变观察，发觉伴随温度从22.8度升高到30.2度时，曲线径向变位为20mm，而温度从30下降到22.8度时，曲线径向变位仅恢复了6mm。这种不利径向累积变形引发了该桥事故。图10深圳金田立交1#桥桥梁水平观察点平面图事故3五、经典曲线梁桥事故介绍第45页46图16某立交工程3号匝道桥6跨预应力混凝土连续曲线梁

该桥在施工过程中发生了支架压曲事故。据设计要求第一施工段浇注张拉后，从20号墩开始，分头向19号、21号桥墩拆除膺架，在靠近19、21号墩处约8米范围内保留膺架。但在拆除过程中发觉靠近19、21号墩处部分膺架局部被压曲。事故4五、经典曲线梁桥事故介绍第46页47

图17某曲线连续梁桥平面布置与主梁断面示意图

某曲线连续梁桥是连接长江大桥城市立交。该立交桥D匝道桥第一联为3×34m+33.9m连续箱梁，DP0为薄壁空心墩与河滩段D匝道共用，中墩为矩形墩身(2m×1.7m)加花瓶墩帽(4.6m×1.7m)，DP4墩为矩形墩身(2m×1.7m)加花瓶墩帽(4.6m×2.3m)与第二联共用，中间墩支座位置均在箱梁横截面几何中心线两侧各1.5m处。该曲线连续梁平面线形组成见图17。事故5五、经典曲线梁桥事故介绍第47页48事故描述：

D匝道桥第一联DP0～DP4墩连续梁采取满堂支架施工，由DP4向DP0方向逐跨张拉施工。在预应力张拉结束落梁后3个月，应业主要求，该匝道作为全桥施工通道通行施工车辆，在11个月后铺装桥面沥青混凝土，在第2层桥面沥青混凝土(厚6cm)铺设完成后，现场施工人员发觉DP4处梁体向曲线内侧平移180mm，DP0墩处梁体向曲线外侧平移146mm。经对该联箱梁细致检验，初步判定该联各墩顶梁体沿固定支座有显著平面转动位移，其转动位移量超出验收规范允许偏差范围，而且在交界墩处梁体位移较大，造成球型支座内四氟滑板被拉坏而失去使用功效。后经过对该联各墩身及墩帽进行观察发觉，固定墩DP2墩帽较完工状态有轻微扭转现象。五、经典曲线梁桥事故介绍第48页49

某六跨预应力混凝土连续曲线梁桥26m+28m+35m+40.1m+35m+32m＝196.1m，梁高1.8m，单箱双室横断面，曲率半径为R=350m。该桥于1999年通车运行。事故