【《多跨工字钢组合梁整体桥合理桥长讨论报告》5700字】

多跨工字钢组合梁整体桥合理桥长讨论报告目录TOC\o"1-3"\h\u24702多跨工字钢组合梁整体桥合理桥长讨论报告 180991.1纵桥向变形理论计算方法 1291111.2计算方法精度验证 490581.3合理桥长建议值 6213391.4桥长与跨数关系 8323721.5合理桥长整体桥受力性能对比分析 101.1纵桥向变形理论计算方法多跨整体桥随着桥梁长度不断增加，温度作用下的桥梁纵桥向变形也将不断增大，因而对于多跨工字钢组合梁整体桥，标准化设计需要重点考虑合理桥长问题。然而，不同地区气候、地质条件各异，目前对于多跨整体桥的合理桥长问题还没有定论。Nidiffer等[66]认为，对于桥长的限制条件，根据桩基类型，一般由桥台处纵向变形量和主梁受力性能两种条件共同控制：下部为钢桩基础的整体桥优先考虑变形产生的裂缝对变形的限制；下部为混凝土桩基础的整体桥，需要考虑桩本身对纵向变形的限制。由于工字钢组合梁桥本身也存在经济适用范围，基于3.4节单跨工字钢组合梁整体桥合理跨径的讨论，为确定多跨组合梁整体桥桥长的适用性，对多跨情况下的桥梁合理长度做分析讨论。以第三章标准单跨截面形式为参照，考虑整体升降温作用对桥梁纵向变形的影响，对于多跨情况，由于温度变化下奇数跨整体桥变形零点位于中间跨的跨中，而偶数跨整体桥变形零点位于1/2桥长位置，因此需分为两种情况建立多跨桥梁变形计算公式。对于奇数跨，即当跨数为ns=2n-1时，考虑到桥梁的对称性，从中心跨开始，如图4-10所示，列出了所有跨在温度变化下的受力平衡条件和变形协调条件。对于奇数跨中心跨的半跨及桥墩，如图4-10（a），由变形协调条件得方程（4-1），由水平力平衡可推导出式（4-2）：（4-1）（4-2）式中，K1为中心跨处桥墩墩顶的刚度，其值可以根据墩梁连接强度确定，ΔL1为变形零点向桥台方向第一个墩梁处的纵向变形量，下同。(a)中心跨水平力平衡(b)中心跨外第二跨水平力平衡(c)边跨桥台处水平力平衡图4-10奇数跨整体桥各跨水平力计算示意图同样，取第二跨及其桥墩部分，变形协调与水平力平衡方程为式（4-3）~（4-4）：（4-3）（4-4）因此，从方程式（4-2）、式（4-3）的平衡关系得到，第1跨和第2跨墩顶变形关系可表示为：（4-5）对于第i跨(3≤i≤n)，同样可以发现：（4-6）因此，对于奇数跨ns=2n-1的情况，可以得到：（4-7）对于偶数跨的情况，即跨数ns=2n时，可以按照相同的方法推导，可得式（4-8）：（4-8）将奇数跨和偶数跨共同考虑，式（4-7）和（4-8）可以进一步简化为以下公式：（4-9）式中，ci为由墩梁连接刚度Ki-1、跨径L、主梁弹性模量E、主梁换算截面积A0确定的函数关系式：。如图4-10（c），考虑桥台处最外跨的水平力可以表示为：（4-10）在确定桥台的最大剪力和弯矩时，可保守地假设桩已达到其塑性弯矩承载力。因此，第n跨的水平力平衡可以写成：（4-11）式中，np为桩数，Vp为桩顶的最大抗剪能力，Pb为台后土压力。与单跨情况相同，保守考虑三角形台后土压力，用式（4-12）表示：（4-12）升温状况下，考虑静止土压力、被动土压力的影响，式（4-12）变形为式（4-13）：（4-13）式中，K0为静止土压力系数，为被动土压力系数，为回填土单位重量，Hb为桥台高度，wb为桥台宽度。因此，联立式（4-1）~（4-13），可以得到n跨情况下温度下升温ΔT时的ΔL1，如式（4-14）所示，并可以根据式（4-15）计算得到多跨整体桥在桥台处的变形量ΔLn。（4-14）（4-15）根据上述理论分析，桩顶的刚度对于整体温度变化下桥梁的纵向变形也有一定的影响。水平位移不仅会引起桥墩的挠曲弯曲，而且会引起桥墩所连接的基础产生变形。不同墩梁连接方式条件下的桩顶刚度Kp计算如图4-11所示，其中EpIp为桥墩抗弯刚度，Hp为桥墩高度，墩梁半刚接刚度计算如图4-1所示。(a)固结(b)铰接图4-11不同墩梁连接情况下的桥梁水平刚度计算示意图1.2计算方法精度验证将建立的桥长理论计算方法与实桥变形实测数据进行对比，以验证理论计算方法的有效性。对2.2.2节中的3×12m组合梁整体桥进行了实桥监测。由于该桥为东西走向，纵桥向截面温度变化保持一致，取0#台至1#墩边跨靠近桥台位置边梁布设温度传感器，在单侧桥台（0#桥台）布置测缝计。测缝计沿桥台高度方向布置于台后挡土墙与桥台之间，用于测量该桥主梁和桥台不同高度处的纵桥向绝对变形，如图4-12所示，共计3台测缝计。测缝计在桥梁主体结构施工完成后布置。智能数码测缝计如图4-13所示。三种测缝计在同一天内分三个时间段进行纵向变形量测量。0#桥台处纵向变形量实测值与理论计算值对比如表4-4所示。可以看出，桥台变形满足热胀冷缩的规律，升温量在11.1~14.8℃时，各测缝计实测变形量值在2.296~3.635mm之间，理论计算值在2.341~3.655mm之间，误差在0.55%~4.79%之间，因此，验证了本文所建立的多跨组合梁整体桥桥长计算方法的有效性，也进一步验证了有限元建模方法的正确性。(a)总体位置图(b)0#桥台测点布置立面图(c)0#桥台测点布置截面图图4-12桥台处测缝计测点布置图（单位：cm）图4-13智能数码测缝计YB-635CT(a)桥台位移计安装(b)温度和变形数据读数图4-14实桥现场监测照片表4-4纵桥向变形结果对比位移计号测量时间升温（℃）实测值（mm）理论计算值（mm）最大误差百分比AD1-18：1511.62.3932.4492.34%AD1-211.12.2962.3411.96%AD1-311.92.3992.5144.79%AD1-112：1516.43.3693.4833.38%AD1-215.73.2383.3322.90%AD1-317.23.6353.6550.55%AD1-116：1513.92.9012.9441.48%AD1-213.02.6872.7512.38%AD1-314.83.1033.1381.13%1.3合理桥长建议值在单跨工字钢组合梁整体桥标准化设计基础上，扩展到多跨工字钢组合梁整体桥。为确定一般地区桥梁合理长度，根据前文分析，取整体有效升温30℃的条件下，等跨径下保持主梁截面与单跨设计一致，台后填土为中等密实的砂土，所有墩梁连接采用相同的半刚性节点。计算得到不同跨径的多跨组合梁整体桥纵向变形随桥长增加变化情况，如图4-15所示。可以看出，整体桥的纵向变形量与跨数成正比，且单跨跨径越大，变形量的增长速度越快。整体温度作用下整体桥纵桥向变形量自变形零点起线性增长，影响增长速率的主要因素有：桥梁跨径L，总长nsL，温度变化量ΔT。对于整体桥的总桥长取值，主要考虑同时满足以下三种条件的影响：（1）温度变化下桥台顶部纵向变形，《无缝桥规》要求不超过2.54cm。（2）钢梁应力不超限，考虑长期工作状态下的疲劳影响，应力不应超过200MPa；（3）负弯矩区混凝土裂缝宽度在限制值以内，《混规》要求不超过0.2mm。综上讨论，采用弹性理论设计的多跨工字钢组合梁整体桥，参考《无缝桥规》，桥台最大纵向变形限制为ΔLn<2.54cm，不同跨径组合梁整体桥在整体升温30℃条件下，理论最大跨数及对应桥梁总长如表4-5所示。跨径20~50m的组合梁整体桥多跨情况下跨数最大分别为7、4、3、3跨，桥梁总长在120~150m之间，ΔLn的大小在1.86~2.16cm之间。通过计算，上述最大跨数下各跨径整体桥钢梁应力如图4-16所示，可满足条件（2）。由于整体桥总桥长是影响纵向变形的主要因素，整体升温30℃情况下，上述最大跨数下各跨径整体桥桥台顶部变形如图4-17所示，可满足条件（3）。图4-15多跨组合梁整体桥纵向变形量表4-5不同跨径条件下的最大跨数单跨跨径（m）最大跨数桥梁总长（m）最大纵向变形ΔLn（cm）2071402.363041202.044031201.865031502.14图4-16不同跨径最大跨数下的钢梁应力对比图4-17不同跨径最大跨数下的裂缝宽度对比1.4桥长与跨数关系（1）跨径固定，跨数增加情况等跨径设计的情况下，对于跨径20m的组合梁整体桥，跨数从1跨增长至7跨主梁应力变化如表4-6和图4-18所示，组合梁整体桥主梁的拉、压应力都有所增长，而施工阶段应力则保持一致。跨中拉应力有小幅增长，从112.2MPa增加到135.1MPa，增长了20.4%，墩节点处主梁为压应力，从2跨扩展至7跨，压应力从-69.4MPa增加到-82.8MPa，增长了19.3%，桥台处主梁压应力增长最明显，从-63.7MPa增加到-184.3MPa，增长了189.3%，且仍在材料应力容许范围之内。从应力变化趋势可知，随着跨数不断增加，主梁在不同位置处的应力都有增大的趋势，桥台处变形最大，受力最复杂，压应力增长也最为显著，设计时应重点关注边跨桥台位置的应力值。表4-6跨数增加时主梁不同位置处应力最大值跨径（m）跨数承载能力极限状态施工阶段跨中拉应力（MPa）墩顶处压应力（MPa）桥台处压应力（MPa）拉应力（MPa）201112.263.796.02112.5-69.4-86.696.03114.9-71.2-102.696.04118.4-73.4-125.796.05124.6-77.4-139.596.06129.2-80.3-159.796.07135.1-82.8-184.396.0图4-18跨数增加时主梁不同位置处应力变化（2）桥长固定，不同跨数情况对桥长固定，不同跨数情况下的主梁进行受力分析。控制总桥长在120m，将6×20m、4×30m、3×40m工字钢组合梁整体桥主梁应力对比如表4-7和图4-19所示。可以看出，在最大合理桥长的情况下，主梁跨中拉应力随跨径增大而增大，从129.2MPa增加到170.1MPa，增长了31.7%。墩顶节点处主梁3×40m情况下的压应力最小，值为为-68.9MPa，6×20m情况下压应力最大，值为-80.3MPa，增长了16.5%。4×30m的情况桥台处主梁压应力最小，值为-152.2MPa，3×40m情况下压应力最大，值为-166.3.3MPa，增长了9.3%。施工阶段应力随着跨径增大有一定增加，从96.0MPa增加到127.6MPa，增长了32.9%。各种状况下的主梁应力都在材料应力设计值容许范围之内。根据主梁应力变化可以认为，主梁应力水平主要由跨径和跨数决定，应力随着跨径越大、跨数越多而增加，承载能力极限状态下，当主梁任意一点应力达到材料应力容许值则视为失效，因此跨中主梁拉应力和桥台处主梁压应力共同控制多跨整体桥设计。表4-7合理桥长下多跨工字钢组合梁整体桥主梁在不同位置应力最大值跨径（m）跨数承载能力极限状态施工阶段跨中拉应力（MPa）墩顶处压应力（MPa）桥台处压应力（MPa）拉应力（MPa）206129.2-80.3-159.796.0304158.1-73.3-152.2119.2403170.1-68.9-166.3127.6图4-19不同跨径整体桥最大合理桥长情况下主梁应力变化1.5合理桥长整体桥受力性能对比分析不同跨径下多跨工字钢组合梁整体桥设计验算见附录B，标准设计图见附录C2。本节将各跨合理桥长的整体桥与等桥长的连续梁桥受力性能进行对比研究。（1）恒载作用如表4-8所示，恒载作用下，等跨径的连续梁桥和整体桥最大弯矩值均在边跨跨中，组合梁整体桥的弯矩小于连续梁桥，弯矩降低7.7%~12.0%之间。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了7.1、6.8倍。在恒载作用下，两种桥型最大轴力值均在边跨跨中，组合梁整体桥的轴力大于连续梁桥，不同跨径的轴力增加了了25.2%~89.4%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了4.2、5.3倍。在恒载作用下两种桥型的剪力大致相同，不同跨径整体桥较连续梁桥大0.3%~5.8%。表4-8连续梁桥和整体桥在恒载作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥2017621615-277-4183343353050124627-793-9936166524089788216-943-1600861871501250010997-1166-220811101122（2）温度作用如表4-9所示，整体升温作用下，连续梁桥的最大弯矩值位于桥台处，为正值，组合梁整体桥的最大弯矩则位于边跨跨中，为负值，可以看出设置整体式桥台后，弯矩控制位置发生变化。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了2.5、2.6倍。在整体升温作用下，连续梁桥和组合梁整体桥的最大轴力值都位于中跨跨中，且为负值，不同跨径下整体桥的轴力相较连续梁桥增加了140.5%~261.8%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了1.3、2.0倍。在整体升温作用下整体桥的最大剪力显著大于连续梁桥，不同跨径整体桥较连续梁桥大4.9~10.7倍。表4-9连续梁桥和整体桥在整体升温作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥201069-2066-832-200118153301226-3616-796-252621124401926-4627-993-334217153502718-5368-1085-392515176如表4-10所示，梯度升温作用下，两种桥型最大弯矩值均在边跨墩顶处，组合梁整体桥的弯矩大于连续梁桥，不同跨径的弯矩增幅3.0%~13.9%之间。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了3.4、3.2倍。在梯度升温作用下，两种桥型最大轴力值均在中跨跨中，组合梁整体桥的轴力都大于连续梁桥，不同跨径的轴力增加了21.4%~114.3%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了1.2、1.9倍。在梯度升温作用下两种桥型的剪力均较小，不同跨径整体桥较连续梁桥大10.0%~105.6%。表4-10连续梁桥和整体桥在梯度升温作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥20417475-333-453183730699736-449-54520334010681100-343-67227325014351508-400-8573033（3）混凝土徐变作用如表4-11所示，混凝土徐变作用下，连续梁桥的最大弯矩值位于跨中，且为负值，组合梁整体桥的最大弯矩则位于桥台处，为正值，可以看出设置整体式桥台后，弯矩控制位置发生变化。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了2.2、5.1倍。在混凝土徐变作用下，连续梁桥的最大轴力值位于边跨跨中，组合梁整体桥的最大轴力则位于边跨墩顶处，两者均为负值，不同跨径下整体桥的轴力相较连续梁桥增加了24.2%~55.7%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了1.5、1.9倍。在混凝土徐变作用下两种桥型的剪力大致相同，不同跨径整体桥较连续梁桥大38.1%~83.3%。表4-11连续梁桥和整体桥在混凝土徐变作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥连续梁桥整体桥20345421-215-267253530487525-285-354183340