第1讲 曲线梁桥简介

1、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核心课程讲义,混凝土桥梁（2）,主 讲：刘志文 E-mail： 手 机2,第一讲 曲线梁桥定义、分类及应用现状 （4.11，单周） 第二讲 曲线梁桥结构受力特点与构造 （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 曲线梁桥的预应力配筋与构造（5.5，5.8讨论

2、，单周） 第七讲 斜梁桥简介（5.9，单周） 第八讲 斜拉桥近似计算简介（5.12，双周） 第九讲 刚架桥简介（5.19，5.22讨论，单周）,混凝土桥梁（2）第二部分课程内容目录,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，不抄袭； 计划随机抽查五次，有三次无故不到者平时成绩记为零分。,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，2007 Hiroshi Nakai, Chai Hong Yoo. Analysis and design of Curved Steel Bridges, 1988 刘效尧 赵立成 公路桥涵设计手册梁桥，人民

3、交通出版社，2000 姚玲森，曲线梁，人民交通出版社，1989 5. 邵容光 混凝土弯梁桥，人民交通出版社，1991 6. 世界桥梁（国外桥梁） 7. 桥梁建设 8. Journal of Bridge Engineering 9. 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)，该会议每两年举办一次。,5,第一讲 曲线梁桥定义、分类及应用现状,1.教学目的 了解曲线梁桥的基本概念、分类、发展历史及应用现状。 2.教学任务 （1）曲线梁桥简介； （2）曲线梁桥发展历史及应用现状； （3）曲线梁桥设计现状； （4）曲线梁桥研究现状； （5）曲线梁桥典型事故分析。 3.课后作业

4、 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。,6,曲线桥是指主梁轴线在水平面上投影为曲线的桥梁，称为曲线桥，又称弯梁桥（Horizontal curved bridge）。曲线梁桥的采用不仅可使道路布置更趋科学、合理；而且能够与周围的环境协调一致，给人以美的享受。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的曲线梁桥,图2 曲线斜拉桥,7,1.1 曲线梁桥平面形状,实际曲线梁桥平面形状非常多，基本形式有如下三种：,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,8

5、,实际曲线梁桥一般由图1所示的三种基本形状组合而成，如下图所示。,图4 实际曲线梁桥平面形状,9,1.2 曲线梁桥主梁截面形式,曲线T（或I）形梁：抗扭刚度小！,曲线梁板格子梁：梁自身抗扭刚度小，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。,跨度较大的曲线梁桥。,图5 曲线箱梁桥,10,Concrete deck,Steel-concrete deck,Steel deck,由于曲线梁桥的特殊受力特点，一般跨度较大的曲线梁桥采用箱型断面。工程实践中经常采用的箱型断面类型如下图所示。,图6 曲线梁桥常用箱梁断面图,11,图7

6、 曲线I型梁照片,12,图8 单箱曲线梁桥照片,13,1.3 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！主梁端部存在较大的扭矩，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，可通过调整支座预偏心来调整主梁扭矩分布，从而改善其受力。需要关注梁体的变形和支座脱空问题，设计合适的支座布置方式十分重要。 3）曲线连续刚构、曲线斜拉桥,14,a curved, two-lane highway bridge with simply supported, composite, plate-gi

7、rder stringers will be designed. As indicated in the framing plan in Fig. 12.25a, the stringers are concentric and the supports and diaphragms are placed radially. Outer girder G 1 spans 90 ft and has a radius of curvature R 1 of 300 ft. Spacing of diaphragms along this span is d 1 = 15 ft. Distance

8、 between inner and outer grids G 1 and G 3 is D = 22 ft c to c, and G 2 is midway between them. The typical cross section in Fig. 12.25b shows a 22-ft-wide roadway flanked by two 3-ft 3-in-wide safety walks.,15,The articulation of curved bridge decks needs to be considered carefully to avoid problem

9、s with unwanted transverse displacements whilst minimizing transverse forces due to restraint. Guidance on the options available is given in SCI P393 and in Guidance Note 1.04.,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,16,二、曲线梁桥的发展历史及应用现状,2.1 曲线梁桥的发展原因 从二十世纪六十年代开始，曲线梁桥得到了快速的发展，其主要原因如下： （1）公路线形的要求,图10 立交工程示意图

10、,从“桥梁决定路线”向“路线决定桥梁”的转变。 随着城市规模和高速公路的发展，城市快速干道与平面街道立体交叉（立交程）越来越多；城市交通量大的平面路口建设立交工程。在公路的线形设计中，一般要优先考虑交通工方面的问题来决定路线形状（出于行车性能考虑）。,17,（2）节约空间、造型美观 曲线梁桥可以节约建筑空间，且线形优美，与传统“以直代曲”（注：早期曲线梁桥是采用这种方法实现桥梁的转向，受力本质上为直线桥。）的桥梁相比，具有造价低、环境友好等优点。 （3）有限元分析方法的出现 曲线梁由于有“弯扭耦合”的受力特点，故在荷载作用下曲线梁的结构分析要比直线桥复杂的多。在有限元分析方法出现之前，桥梁工程

11、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、曲线梁桥的发展历史及应用现状,18,2.2 曲线梁桥的发展历史及特点,20世纪30年代，人们已对曲线梁桥的有关问题进行了理论分析和研究。这一阶段的研究集中在试验研究和理论分析方面，侧重研究曲线梁桥的荷载横向分配、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7080年代，国内外修建了大量的曲线梁桥。这些桥梁的特点简述如下：,（1）大多数采用箱形截面； （2）结构体系较多采用连续曲线梁体系； （3）跨径一般在5060米左右； （4）曲率半径最小为3040米； （5）曲线梁桥结构建筑高度一般较小； （6）桥宽一般为24个

12、车道； （7）曲线梁桥的施工方法多为现场满堂支架施工，另外有一部分采用顶推和悬臂施工方法。,二、曲线梁桥的发展历史及应用现状,19,三、曲线梁桥设计现状（设计规范介绍）,曲线梁桥由于存在“弯扭耦合”特点，使得其力学特点与直线桥梁存在本质的差别，使得曲线梁桥的设计具有一定的复杂性。 目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的设计规范制定工作明显晚于直线桥。现就各国规范关于曲线梁桥设计的规范进行简要综述。 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的设计进行了专门规定，AASHTO曲线公路桥梁设计指南（AASHTOAASHTOs Guid

13、e Specifications for Horizontally Curved Steel Girder Highway Bridges），后分别于1986、1993、2003年进行了修订。,20,美国2003版AASHTO曲线梁设计规范简介 2003版AASHTO规范“AASHTO Guide Specification for Horizontally Curved Steel Girder Highway Bridges 2003”分为设计篇、施工篇、钢工字梁设计示例及附件构成。 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

14、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，具体内容参见文献3。,三、曲线梁桥设计现状,21,3.2 日本曲线梁桥设计规定,Japanese Specification for Highway Bridges(日本公路桥梁设计规范)中关于曲线梁未做明确规定。而在Hanshin Express Public Corporatation.,（1）曲线半径确定原则之一超高设计原则,22,三、曲线梁桥设计现状,23,（2）曲线半径确定原则之二行车视觉净空,24,（2）曲线梁桥类型选择

15、,另外，从支座反力设计、荷载计算等角度对曲线梁桥的设计进行较为详细的规定。,25,加拿大,26,一、立项依据,3.3 中国曲线梁桥设计规定 我国目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的设计均未作明确的规定。 综合以上各国关于曲线梁桥的设计的规定可以看出： 1）由于曲线梁桥结构存在“弯扭耦合”效应，各国规范对曲线梁桥在何种参数条件下可以按直线桥进行设计做了相应的规定，尽管不同国家规范的具体参数存在一定的差异； 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的规定，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的规

16、定近乎空白。,27,从1843年圣维南（Barr deSaint Venant）第一次提出曲线梁分析方法以来，关于曲线梁的研究一直受到关注，并已有大量的研究文献。 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的有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年以前的研究成果写入规范，第一次对曲线工字梁的设计进行了规范层面的规定。,28,早期曲线梁桥的研究

17、集中在曲线梁桥的基本力学特点、曲线梁桥的荷载横向分配等问题的研究，通过多年的研究已经积累了一定的研究成果。目前关于曲线梁桥的研究主要集中在如下三个方面：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的各种分析方法，基于一定的假定，建立起结构荷载与内力、位移关系的方法。主要的方法有：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的研究。经典理论分析方法的主要特点是概念明确，但只能分析非常简单的结构、超静定次数比较低的曲线梁结构，几乎无法直接应用于复杂的工程实践中。

18、,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”效应的影响，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公司于1984年提出，并广泛应用于曲线工字梁桥的近似分析）； M/R方法（对曲线箱梁桥考虑曲率的影响所建立的一种近似分析方法（Tung and Fountain, 1970）。,30,4.2 数值分析 随着有限单元法的出现以及计算机的普及，曲线梁桥结构的数值分析方法研究逐渐成为曲线梁桥结构研究另一个重要的方面，数值方法主要包括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的特殊形式。由于有限条法的单元

19、划分是形成有规则的窄条，因此它们两者的区别在于单元的位移函数不同。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的方法。 大量的有限元方法：曲线梁单元模式、大型有限元分析软件等。,31,黄剑源、张罗溪等学者提出的每节点4个自由度的薄壁曲梁单元。 张叔辉演引出了一种新的单元，这一单元的每一个结点除保留通常的六个 位移度外，还引入三个附加的位移自由度，用来考虑截面的翘曲和畸变作 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 的计算，并开发了相应的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，最后给 出了普通钢筋混凝土、预应力

20、混凝土及异形箱梁结构曲线连续梁桥的计算 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的实用分析方法， 并编制了曲线梁桥结构分析程序系统CCBS。该系统采用模块化设计方 法，利用横向分布的理论来分析多主梁曲线梁桥的空间受力问题。,32,一、立项依据,D. Nevling等采用数值模拟与实桥实测相互验证的方法，针对曲线梁桥的各种分析方法的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的分析： 即水准1：按AASHTO曲线梁桥设计规范所提供的直线梁分析（a line girder analysis methods）、V-load方法； 水准2：应用大型商业有限员分

21、析软件SAP2000、MDX、DESCUS建立梁格模型进行分析（grillage models）； 水准3：采用SAP2000、BSD1 3D建立三维（壳或实体单元）有限元模型。 针对具体的荷载与具体截面位置，将各种分析精度对应的分析结果分别与现场实测结果进行对比。结果显示水准2精度较好。,33,以上关于曲线梁桥结构分析的研究在一定程度上为曲线梁桥的设计提供了参考，但这些研究往往重视分析方法和程序的编制，其通用性较差，特别是要同时考虑多种影响因素（如温度效应、预应力效应以及支座摩擦效应等）时，存在一定的局限性。另外，针对不同桥型要求桥梁工程师去学习、应用不同的结构分析软件，在一定程度上增大了这

22、种软件的推广难度。 随着大型有限元分析软件在桥梁工程师中的普及，如ANSYS、ABAQUS等软件在结构分析领域的广泛应用，如何在现有大型软件平台的基础上，建立合适的有限元模型，并针对工程实践中常用一些桥梁进行研究，总结不同参数变化对曲线梁桥结构力学性能的影响规律对于曲线梁桥结构设计而言是十分重要的。,34,4.3 试验研究 曲线梁桥试验研究方面，一般是以模型试验为主，实桥实验为辅，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，就针对曲线钢桥设立专门课题进行研究，其最为重要的研究目标就是：跟好地了解这类桥梁结构的基本力学行为。具体研究内容包括： 1）曲线钢梁桥结构理论分析； 2

23、）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。,35,美国佐治亚理工大学Zureick A.针对钢曲线梁桥进行了数值分析与试验研究，其研究的主要内容与目的如下： 1）曲线箱梁、工字梁的稳定问题，如系杆、横撑、加紧板对曲线梁桥结构的稳定性的影响； 2）对曲线梁桥的内力、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）通过试验验证不同长细比对应局部屈曲、侧扭屈曲的分析方法的有效 性，如果现有方法存在不足，则需要建立新的分析方法； 5）通过实验检验横向与纵向加劲板之间的设计参数； 6）通过实验来确定曲线工字梁和钢箱梁上混凝土板的有效分

24、布宽度。,36,图11 钢曲线梁桥模型试验照片,37,高墩大跨径弯桥的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的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的，其目的就是为西部山区建桥提供有效的新技术和新工艺。主要研究内容如下：,1）高墩大跨径弯桥上下部结构形式的研究 2）高墩大跨径弯桥预应力设置及分析的研究 3）高墩大跨径弯桥收缩徐变、温度效应的分析研究 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的研究 7）高墩大跨径弯桥施工方法和监控方法的研究”,38,图

25、12 高墩大跨连续曲线梁桥依托工程与模型试验照片,39,钢混组合曲线箱梁桥结构力学行为与设计,2003年美国University of Central Florida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。具体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的影响； 2）曲线箱梁桥横向分布系数计算精度研究； 3）曲线钢钢箱梁桥检查入口合理位置确定研究。,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公司针对“预应力混凝土连续曲线箱梁桥结构受力行为研究”进

26、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的结构受力特性； 2）结合天兴洲大桥引桥匝道道桥工程，有针对性的进行具体分析，指导结构 设计； 3）全面深入掌握不同曲线半径、不同跨度条件下的结构受力特性的变化 规律，为以后的类似工程提供可靠的理论依据。,41,综上所述，关于曲线梁桥结构力学行为的研究受到国内外桥梁工程师的重视。 美国以钢工字梁的研究为主，近年来逐渐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，研究方法则采用数值模拟与试验相结合的方法。 国内侧重于预应力混凝土曲线梁桥的研究，主要研究内容亦侧重于曲线梁桥结构

27、力学规律，目前主要的研究方法多采用数值模拟方法为主。,42,43,一、立项依据,鉴于国内曲线梁桥设计现状“应用广泛、问题较多、研究薄弱、尚无规范”，实际桥梁工程中，曲线梁桥的工程事故也较多；而这些工程事故多由桥梁工程师对曲线梁桥的结构力学行为认识存在一定的误区引起的。,右图所示为深圳某立交桥A匝道第3联突然向外侧整体位移的事故照片，最大侧位移达47cm。,事故1,图13 某立交变形照片,44,图14 韩国SingDong 互通立交中的桥梁坍塌事故（2001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2000年，通车后2001

28、年6月15日，在一辆重车过桥后没有任何前兆倒塌。由于桥台两侧的支撑系统疲劳断裂引起桥梁整体坍塌。在结构自重和汽车荷载的作用下，端部支撑处存在明显的伤拔与切向力的作用，最终导致支撑疲劳断裂。,事故2,45,图15所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。桥梁两侧桥墩处采用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）通过对该桥的中间桥墩（9#墩）的径向与切向位移随温度变化的观测，发现随着温度从22.8度升高到30.2度时，曲线径向变位为20mm

29、，而温度从30下降到22.8度时，曲线径向变位仅恢复了6mm。这种不利的径向累积变形引起了该桥的事故。,图10 深圳金田立交1#桥桥梁水平观测点平面图,事故3,46,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的事故。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。但在拆除过程中发现靠近19、21号墩处的部分膺架局部被压曲。,事故4,47,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的城市立交。该立交桥的D匝道桥第一联为334m+33.9m连续

30、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(2 m1.7m)加花瓶墩帽(4.6m1.7m)，DP4墩为矩形墩身(2 m1.7 m)加花瓶墩帽(4.6m2.3 m)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构成见图17。,事故5,48,事故描述： D匝道桥第一联DP0DP4墩连续梁采用满堂支架施工，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，该匝道作为全桥的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，现场施工人员发现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。 经对该联箱梁的细致检查，初步判定该联各墩顶梁体沿固定支座有明显平面转动位移，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，造成球型支座内的四氟滑板被拉坏而失去使用功能。后通过对该联各墩身及墩帽进行观测发现，固定墩DP2墩帽较竣工状态有轻微的扭转现象。,49,某六跨预应力混凝土连续曲线梁桥26m+28m+35m+40.1m+35m+32m196.1m，梁高1.8m，单箱双室横断面，曲率半径为R=350m。该桥于1999年通车运营。,事故6,50,1）2004