第2講-曲線梁橋結構受力特點及構造課件

湖南大學土木工程學院橋梁工程系第二講曲線梁橋結構受力特點與構造教學目的：了解曲線梁橋的基本受力特點與構造。教學任務：（1）曲線梁橋基本受力特點；（2）曲線梁橋結構力學特性影響因素；（3）曲線梁橋結構變形特點；（4）曲線梁橋布置與構造；（5）曲線梁橋支座設計。課后作業(yè)：

1湖南大學土木工程學院橋梁工程系第二講曲線梁橋結構受力特點1.1曲線梁橋基本受力特點

湖南大學土木工程學院橋梁工程系由于曲線梁橋的“彎扭耦合”作用，曲線梁在承受豎向彎曲的同時，由于曲率的影響（即曲線梁橋重心經(jīng)常位于兩端連線之外，從而產(chǎn)生扭矩），必然產(chǎn)生扭轉，而這種扭轉又將導致?lián)锨冃危@種彎曲與扭轉的相互作用稱為“彎扭耦合”作用。（1）在同樣荷載作用下，曲線梁橋的豎向撓度比同等跨徑直線橋要大；（2）彎梁橋外邊緣撓度大于內邊緣撓度，而且曲率半徑愈小，則這種影響愈嚴重；（3）對于多主梁曲線梁橋，外側主梁所承受的內力比內側主梁的內力要大，從而導致內外主梁應力產(chǎn)生差別；（4）曲線梁橋的橫梁是防止扭轉，保持全橋穩(wěn)定的重要構件，因而與一般的直線橋相比，其剛度要較大；21.1曲線梁橋基本受力特點湖南大學土木工程學湖南大學土木工程學院橋梁工程系（5）曲線梁橋的支反力與直線橋相比，有外側增大，內側減小的趨勢，并有可能產(chǎn)生負反力，在設計中應注意；（6）為了減小曲線梁橋橋墩的內力，在設計中可采用柔性橋墩以允許主梁沿徑向和切向變形，從而降低橋墩內力，達到防止橋墩開裂的效果。3湖南大學土木工程學院橋梁工程系（5）曲線梁橋的支反力與直線橋（1）圓心角（2）彎扭剛度比

在滿足豎向變形的前提下，宜盡可能減小值，增大值，以提高彎扭剛度比，從而減小曲線梁橋的彎扭耦合作用效應。

2.2曲線梁橋結構力學特性影響因素湖南大學土木工程學院橋梁工程系4（1）圓心角（2）彎扭剛度比在滿足豎向變形（3）曲線半徑的影響曲線梁橋的曲率半徑是影響曲線梁橋受力性能的主要因素之一。在曲線梁橋的設計中，曲率半徑的選擇往往是由橋位地形確定的。（４）橋梁寬度的影響曲線梁橋的橋寬也是影響曲線梁橋力學特性的主要因素之一，對于曲率半徑、跨徑一定的曲線梁橋，橋寬越小，則曲線梁橋的力學特點表現(xiàn)的越明顯。（５）曲線梁橋支承方式的影響曲線梁橋支承方式是影響曲線梁橋內力分布的主要因素之一，不同的支承形式將改變主梁的內力分布。這一點在曲線梁橋的設計中應該注意。湖南大學土木工程學院橋梁工程系5（3）曲線半徑的影響曲線梁橋的曲率半徑是影響曲線梁橋受2.3曲線梁橋的變形特點引起曲線梁橋在水平面內產(chǎn)生位移的因素有兩大類，且兩類位移的方向有很大的差別。（1）由于溫度變化和混凝土收縮引起的水平位移這類位移屬于弧線膨脹或收縮性質的位移，它只涉及到曲率半徑的變化，而圓心角不發(fā)生改變。如梁的左端為固定支座，其余為多向活動支座，當降溫（或混凝土收縮）時，位于1#、2#、3#支座處的橋面將分別產(chǎn)生沿01,02,03方向的位移，均指向固定支座（0#）。值得注意的是，此時支座均發(fā)生了沿徑向和切向的位移。湖南大學土木工程學院橋梁工程系62.3曲線梁橋的變形特點引起曲線梁橋在水平曲線梁在溫度變化和收縮作用下的變形圖設計注意：可見，由于溫度變化和混凝土收縮將引起各支點處的弦向位移，故在橋梁活動端將引起和橋軸線垂直的位移分量，它會使伸縮縫的活動在構造上發(fā)生困難，并產(chǎn)生一個平面扭矩，使整個橋面產(chǎn)生旋轉，應在設計構造上予以重視。湖南大學土木工程學院橋梁工程系7曲線梁在溫度變化和收縮作用下的變形圖設計注意：湖南大學土木工湖南大學土木工程學院橋梁工程系方案一：容許活動端在平面內旋轉姚玲森建議：在容許活動端可采用在構造上容許梁端發(fā)生切向位移和平面內旋轉的變形，但限制其徑向位移。計算表明：在容許活動端發(fā)生轉角位移的情況下，可顯著減小垂直軸線方向的約束力，而且端部的轉角位移極?。?0.0133~0.0176度），對于橡膠型伸縮縫不會帶來困難，是比較經(jīng)濟和合理的方案。（引自《混凝土彎梁橋》邵容光）方案二：設置橫向限位裝置德國一座曲線梁橋（總跨徑525米），由各種不同曲線半徑組成，該橋即通過在橋墩上設置橫向限位裝置迫使該彎梁橋的縱向變形沿著橋軸線變化。值得注意的是：需要驗算橋墩橫橋方向的抗彎強度。當橋寬較大時，該彎矩會較大，從而導致橋墩受力較大，此時建議改為兩幅并列的橋。8湖南大學土木工程學院橋梁工程系方案一：容許活動端在平面內旋轉（2）由于預加力和混凝土徐變引起的水平位移——與荷載有關的變形這類位移屬于切線方向的位移，截面形心處施加預應力時由彈性壓縮或徐變變形所引起的水平位移。此時，曲率半徑不發(fā)生改變，而圓心角卻發(fā)生改變。連續(xù)曲線梁橋在預應力和混凝土徐變作用下的平面內變形湖南大學土木工程學院橋梁工程系9（2）由于預加力和混凝土徐變引起的水平位移——與荷載有關的變2.3曲線梁橋的布置與構造（1）曲線梁橋平、縱、橫布置每一座橋梁的設計總會涉及到諸多因素與制約條件，在綜合考慮這些因素之后，擬訂總體布置方案。橋服從路線要求。主要內容包括：結構體系的選擇：彎梁橋、彎拱橋、彎剛構橋、彎斜拉橋等。橋梁分孔：連續(xù)彎梁橋的跨度大多是集中在50~60米以下的中等跨徑梁高選擇：多采用等高度截面梁，當跨度較大時采用變高度截面。主梁截面選擇：板結構、T梁、I型梁及箱形截面墩臺形式選擇：與連續(xù)梁差別不大；基礎選擇：與連續(xù)梁差別不大。湖南大學土木工程學院橋梁工程系102.3曲線梁橋的布置與構造每一座橋梁的設計（2）曲線梁橋主梁截面形式曲線梁橋的主梁截面形式很多，應根據(jù)橋梁的跨徑、寬度、建筑高度的要求、支撐形式、施工方法、橋面超高方案和總體布置的情況，合理地選定主梁的橫截面形式，以便減輕結構自重、增大跨越能力、節(jié)省材料用量、簡化施工方法、改善主梁受力性能。板式截面特點：構造簡單、施工方便，適合跨度不是很大的橋梁；構造：見右圖。湖南大學土木工程學院橋梁工程系11（2）曲線梁橋主梁截面形式曲線梁橋的主梁截面板式梁示例：湖南大學土木工程學院橋梁工程系12板式梁示例：湖南大學土木工程學院橋梁工程系12肋板式截面為了減輕結構自重，節(jié)省材料用量，可以在受拉區(qū)捎加挖空，做成肋板式截面，相當于加厚腹板的T梁。特點：截面建筑高度小，有利于橋下凈空的增大，有利于彎剪作用較大的曲線梁橋；構造：肋寬2~4米，橋寬為10~15米。示例：美國舊金山機場橋（林同炎設計）橋寬13.2m。湖南大學土木工程學院橋梁工程系13肋板式截面為了減輕結構自重，節(jié)省材料用量，可以湖南大學土木工程學院風工程試驗研究中心、橋梁工程系肋式截面（T形或I形）直線橋：鋼筋混凝土簡支T形梁標準跨徑10、13、16、20米；預應力混凝土簡支梁橋標準跨徑25、30、35、40米。構造：類似與直線橋的T形、I形梁截面特點：適合跨度不大，建筑高度允許的情況。示例：徐州市史小橋采用13和16米的裝配式T形梁，曲線半徑為R=260m，設計荷載等級為：汽車—20級，掛車—100。（相當于公路II級）需要說明的是，這類截面屬于開口截面，不利于截面的抗扭變形，但當建筑高度允許的時候，且跨度也不太大時，可以考慮采用肋式截面，但要注意各主梁的內力橫向分配關系，特別要注意的是內梁的支點負反力出現(xiàn)的可能性。14湖南大學土木工程學院風工程試驗研究中心、橋梁工程系肋式截面箱形截面中小跨徑的曲線梁橋大多采用箱形截面。特點：截面挖空率大，材料用量少，結構自重小，抗扭剛度大，截面應力分配合理?！氨馄较浣孛妗保哼m合曲線梁橋。（彎扭剛度比K）進行曲線梁橋的橫截面設計時，有關的細部尺寸可參考已有圖紙，也可參考如下建議進行擬訂。

箱梁底板厚度在承受負彎矩時，能夠提供足夠的抗壓承載力；根據(jù)負彎矩區(qū)段的負彎矩大小可作成變厚度底板；滿足底板內鋼筋構造的要求；建議跨中取20~25cm；支點處：取為墩頂梁高的1/10~1/12（T構）；湖南大學土木工程學院橋梁工程系15箱形截面中小跨徑的曲線梁橋大多采用箱形截面。

箱梁頂板厚度頂板是箱梁結構的一部分，也是行車道板直接受車輛輪載的結構部分，受力比較復雜。在正彎矩區(qū)段滿足受壓承載能力要求；在負彎矩區(qū)段滿足鋼筋布置要求（包括預應力鋼束布置要求）；頂板厚度的設計與腹板間距有關，可參考表1來擬定；對于中小跨徑曲線梁橋而言，采用腹板中距為2~3米的多室箱梁是比較經(jīng)濟合理的；但對于大跨度曲線連續(xù)剛構橋，多采用單箱單室截面，增大腹板間距，增大頂板厚度的構造形式。同時采用大懸臂構造（Lcan=2~3m），從而使梁梗部的腹板內外側的頂板所受彎矩比較接近，以利布筋合理，同時增加美觀。湖南大學土木工程學院橋梁工程系16箱梁頂板厚度頂板是箱梁結構的一部分，也是行車腹板間距（m）3.0<=4.5<=7.5<=10.0頂板厚度（cm）17.520.025.030.0表1箱梁頂板厚度隨腹板間距的變化關系

箱梁腹板厚度箱梁腹板的主要功能是抵抗扭—剪內力，在預應力混凝土梁中，采用彎起預應力鋼束可以有效地減小腹板中的豎向剪力。滿足抗剪、扭的承載能力要求；滿足鋼筋布置要求；斜腹板的設計：優(yōu)點是可以減小底板的寬度，從而減小墩臺尺寸，也可減小迎陽光的面積，有利于降低溫度應力；缺點是截面的抗扭剛度有所降低，為了適應支點負彎矩區(qū)承壓的需要，須局部加厚底板尺寸。湖南大學土木工程學院橋梁工程系17腹板間距（m）3.0<=4.5<=7.5<=10.0頂板厚度

梗腋設計梗腋設計十分重要，可提高截面的抗扭剛度和抗彎剛度，主要功能是增加角隅處的聯(lián)結剛度，減小截面的畸變應力。增大頂板的支點剛度，減小頂板跨中的彎矩；梗腋可使剪力流過渡比較平順，緩和該處的應力集中；梗腋形式：1：1，1：2，1：3，1：4等幾種梗腋形式湖南大學土木工程學院橋梁工程系18梗腋設計梗腋設計十分重要，可提高截面的抗扭剛（3）曲線梁橋橋墩形式曲線梁橋的橋臺與直線橋并無多大差別，主要區(qū)別在橋墩。當橋梁上部結構采用箱形截面時，可選用如下圖所示的橋墩形式。曲線梁橋橋墩形式湖南大學土木工程學院橋梁工程系19（3）曲線梁橋橋墩形式曲線梁橋的橋臺與直線橋獨柱墩當曲線連續(xù)梁橋的曲率半徑比較小，宜采用這種形式，它有利于立交橋的橋墩布置，占地范圍??；建在河中，其阻水面積小，并且有利于整個橋型的美觀。Y型墩適合橋寬較大，且橋下有行車要求的情況；造型比較美觀；雙柱墩適合橋寬比較大，這樣布置可以滿足橋下行車要求的情況；受力簡單；湖南大學土木工程學院橋梁工程系20獨柱墩湖南大學土木工程學院橋梁工程系202.5曲線梁橋支座布置曲線梁橋的支座布置是一個比較復雜的問題，支座布置是否合理，不但會影響結構的受力，而且會影響車輛的正常行駛，其核心是如何通過支座布置來有效承受由自重和活載偏載等因素所產(chǎn)生的組合扭矩作用。我國近年來一些城市所設計的連續(xù)彎梁橋中，常因支座的布置不當而出現(xiàn)故障。橋臺支座不具備抗扭能力，致使運營過程中出現(xiàn)內側支座脫空，端部向外側偏移，而內側則超上其翹，伸縮縫裝置破壞，被迫中斷交通；中間橋墩均布置單點活動支座，且不具備限制橋面徑向位移的功能，在升溫作用下，橋梁向徑向起拱，橋面中軸線向外弧側偏移，從而加大了恒載產(chǎn)生的扭矩，最后使整個橋面向外弧冊產(chǎn)生不同程度的傾斜；橋墩剛度設計不合理。湖南大學土木工程學院橋梁工程系212.5曲線梁橋支座布置曲線梁橋的支座布置是一支座布置建議：橋臺處設置具有切向位移功能的抗扭支座；中間橋墩設置一固定的抗扭支座，見下圖；將中間一橋墩設計成墩梁固結形式，其余設計為點鉸支承；為了達到人為調整扭矩分布的目的，分別給中間各點鉸支承以一定的預偏心；當上部結構太寬時，由于溫度作用會使主梁梁端產(chǎn)生水平面的內力，因此當上部結構太寬時，可設計成分離而并列的兩座窄橋。湖南大學土木工程學院橋梁工程系22支座布置建議：湖南大學土木工程學院橋梁工程系22獨柱支承曲線連續(xù)梁橋偏心距設計湖南大學土木工程學院橋梁工程系23獨柱支承曲線連續(xù)梁橋偏心距設計湖南大學土木工程學院橋梁工程系圖1連續(xù)曲線梁橋平面布置圖（單位：m）圖2連續(xù)曲線梁橋標準斷面（單位：cm）湖南大學土木工程學院橋梁工程系24圖1連續(xù)曲線梁橋平面布置圖（單位：m）圖湖南大學土木工程學院橋梁工程系25湖南大學土木工程學院橋梁工程系252.2曲線連續(xù)梁橋有限元模型建立采用ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型，曲線梁橋單元采用BEAM188單元來模擬。該單元可以考慮截面的剪切變形，并且該單元每一節(jié)點具有7個自由度，可以考慮截面的翹曲效應，對于分析具有“彎扭耦合”效應的曲線梁橋而言十分合適。在中支點處通過剛臂單元來模擬中支點的偏心[5,6,9,13]。針對不同的曲率半徑分別建立如圖3所示的有限元模型，單元局部示意圖見圖3-b）。邊界條件設置為：端部通過兩個點鉸支承來實現(xiàn)抗扭正交線性約束，橫橋向距離為，中間支承為獨柱點鉸支承（即僅設豎向約束）。圖3曲線梁橋結構有限元模型湖南大學土木工程學院橋梁工程系262.2曲線連續(xù)梁橋有限元模型建立圖3曲線梁橋結構有限元模3.1對主梁豎向彎矩的影響湖南大學土木工程學院橋梁工程系273.1對主梁豎向彎矩的影響湖南大學土木工程學院橋梁工程系23.2對主梁扭矩的影響湖南大學土木工程學院橋梁工程系283.2對主梁扭矩的影響湖南大學土木工程學院橋梁工程系283.4對主梁撓度的影響

從圖中可以看出，對于曲線連續(xù)梁橋，調整中支點的預偏心距會引起主梁跨中撓度有所增加，但增加幅度不大。因此，調整曲線連續(xù)梁橋的中支點預偏心距對主梁的豎向撓度影響不大。湖南大學土木工程學院橋梁工程系293.4對主梁撓度的影響從圖中可以看出，對于曲線連續(xù)梁3.5對主梁沿軸線轉角的影響從圖中可以看出，對于曲線連續(xù)梁橋中支點若不設偏心距，主梁在結構自