混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计

1、提出的原因和解决的问题

实际工程中出现的问题——整体受力裂缝（规范中包含的验算项）

实际工程中出现的问题——局部受力裂缝（规范没有对底板的验算要求，但设计采用简化计算）

实际工程中出现的问题 —— 规范中缺失的验算项

• 腹板斜裂缝是出现最多的梁体裂缝，其特征为：

裂缝与梁轴线一般呈25°～ 50°

箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重

• 变截面预应力混凝土梁式桥底板纵向裂缝

混凝土桥梁的结构开裂情况及其原因分析

根本原因：

现行规范诞生于仅考虑竖向剪应力的窄梁，“有效分布宽度”的概念遗漏了翼缘板中的面内剪应力。

Φ 解决问题的方法：

增加对混凝土各板件的应力验算要求。

Φ 工程实用价值：

使混凝土箱梁桥开裂下挠之“开裂”的问题有更完整的审查。

Φ 增加验算项对计算分析提出更精细的要求。

2、桥梁结构的完整验算应力——两个要点

●要点 1 —— 面内受力和面外受力

●要点 2 ——每块板的三层应力

3、桥梁结构的完整验算应力

• 局部效应下的面外应力

箱梁桥的完整验算应力

混凝土桥梁的结构开裂情况及其原因分析

完整验算应力

单箱单室截面9个重要的验算应力

预应力混凝土受弯构件由作用频遇组合和预加力产生的混凝土

完整验算应力的意义

• 能够解释上面提到的所有结构开裂现象

桥梁加固的首要工作

完整验算应力理念可拓展至组合桥梁的混凝土桥面板

完整验算应力理念可拓展至组合桥梁的混凝土桥面板

4、现行设计计算方法存在的问题

桥梁结构的三种主要空间效应

薄壁效应：直箱梁桥、弯箱梁桥

现行方法：采用放大系数估算

各腹板的荷载分布：多腹板宽箱梁桥

问题：“横向分布系数”在箱梁结构中的适用性？

剪力滞效应：宽翼缘箱(T)梁桥、钢砼叠合梁桥

问题：“有效分布宽度”仅适用于某种特定结构状态（常采用成桥结构）、适用于窄梁（剪应力为竖直方向）。

5、采用混凝土桥梁实用精细化模型的原因

单梁模型对于宽箱梁计算的局限性

宽箱梁到简单工字型梁的过程

?第1步：“大包小”

?第2步：有效分布宽度

?第3步：配筋采用截面法；截面配筋用的极限值即是结构计算的弹性值乘以各分项系数

单梁模型对于宽箱梁横向分布计算的局限性

?横向分布系数计算方法的局限

?简支条件

所有腹板下均有支座

——纵横向图形相似

剪力滞效应

采用同一个工字型截面

6、桥梁结构的实用精细化分析模型

针对桥梁结构空间效应的实用精细化分析模型

空间网格模型：

特点：最为全面的实用精细化模型。

折面梁格模型：

特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。

自由度单梁模型

特点：针对薄壁效应的单梁模型；是实用经济的精细化模型。

空间网格模型的构成及应力表达方式

结构划分

截面划分

比较模型 —— ANSYS厚板单元模型

?全桥空间网格模型

?截取一个节段

?截面划分

空间网格模型的意义

梁单元的输出结果易于工程师理解并可以直接应用于预应力混凝土的设计。

虽然一些有限元模型在某些方面更加精细,但与配筋建立直接联系尚存较大困难，影响了其“有效性”。

空间网格模型中单元的材料不一定是混凝土，也可以是钢或其他材料，也就是说，该模型可以应用到组合结构并为复杂截面提供完整验算应力。

折面梁格模型

u宽箱梁结构中横向分布和剪力滞的关系

?采用稀疏划分的宽箱梁截面（可能还需要考虑剪力滞效应）

?采用致密划分的宽箱梁截面（剪力滞效应无需单独考虑）

折面梁格模型的划分示意

采用折面梁格模型计算得到宽箱梁桥各道腹板的横向分布

?宽桥的常用支座布置

?0号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图

?1号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图

?2 号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图

折面梁格模型的适用范围和优点

对于产生面外效应的局部荷载，如桥面板分析、预应力钢束在箱梁底板产生的外崩力效应等，则需要另行计算；

折面梁格模型无法考虑剪力、扭矩在箱梁顶板、底板产生的剪应力，故无法得到顶底板的剪应力和主应力数值；

优势在于反映截面上的正应力差异，即剪力滞效应；反映活载弯矩和剪力的横向分布效应；由于模型中包含横梁，故在同一个模型中可以对横梁分析计算，并反映截面上的横向位移；

折面梁格模型特别适合多腹板的混凝土宽桥分析。

七自由度单梁模型

为单梁模型，满足平截面假定；

第七个自由度为双力矩，产生翘曲位移。

采用七自由度模型计算得到箱梁桥的薄壁效应系数

“以折代曲”的有限元方法使弯桥在计算模型上没有特殊性，都可以归结为薄壁箱梁问题。对单梁模型表现为正应力放大系数（约束扭转翘曲）和剪应力放大系数（自由扭转+约束扭转）；

弯箱梁桥内力弯扭耦合可以转化为应力弯扭耦合；

弯箱梁桥外侧腹板重量扭矩补偿后可以解决外部反力问题 ；

采用七自由度单梁模型可以计算得到沿桥长的各放大系数的精确值；并可以直接用来进行全断面极限承载力计算。

七自由度模型的适用范围和优点

七自由度弯梁桥模型是单梁模型，依然遵循截面刚性周边假定，遵循全截面的平截面假定；

七自由度单梁模型适合于整体分析，但与六自由度计算方法一样，需要考虑剪力滞效应；

对于产生面外效应的局部荷载，如桥面板分析、预应力钢束在箱梁底板产生的外崩力效应等，则需要另行计算。

优点：单梁模型计算方法熟悉，针对面内受力分析；可以通过计算得到不同类型直线箱梁桥和弯箱梁桥的薄壁效应放大系数，特别适用于弯箱梁桥。

桥梁结构的实用精细化分析模型特点

实用性：可以直接联系配筋（相比块体单元）

精细化：拆解了空间效应（相比单梁模型）

块体模型的局限：局部效应和整体效应难以分离；无法联系配筋方法及获得承载力；尚不能完全满足桥梁结构的分析要求（预应力、活载、时间效应等）。

Φ完整验算应力的要点

要点1 ——面内受力和面外受力

要点2 ——每块板的三层应力

7、混凝土箱梁桥开裂下挠病害与防治

一些解决方案

混凝土徐变研究:

调整参数

考虑箱梁各板件的混凝土龄期的差异

新的混凝土徐变模型

一些对策

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混凝土桥梁结构的精细化设计方法

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知识点：混凝土桥梁实用精细化分析和配筋设计