东南大学桥梁作业

东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业1土木工程结构设计桥梁部分作业姓名第一组学号指导老师刘钊东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业2目录第一次作业引言选定荷载结构分析规范工程经验第二次作业支架现浇满堂支架先简支后连续纵向预应力筋的布置方案两种施工方法的适用性施工与设计中的关键技术问题第三次作业等效荷载初弯矩次弯矩总弯矩实例东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业3第一次作业题目结构计算分析规范工程经验在桥梁设计中的作用引言我国已建成的桥梁数量众多类型也很多桥梁的设计准则是安全适用经济美观选定荷载结构分析是桥梁计算分析的两个主要部分选定荷载桥梁上的荷载种类很多根据荷载出现的概率可划分为主要荷载次要荷载及特殊荷载我国目前的公路设计规范划分为永久荷载可变荷载偶然荷载永久荷载有自重预加应力温度收缩徐变作用等可变荷载可分为基本可变荷载汽车荷载离心力人群荷载车辆荷载引起的土侧压力和其他可变荷载制动力牵引力风力流水压力水压力施工荷载偶然荷载有地震力船只或漂流物撞击力等这里需要说明基本可变荷载中的汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成前者用于桥梁结构的整体计算后者用于桥梁结构的局部计算两者不得叠加由于多车道及长车队出现设计荷载的几率较小所以相应纵横向设计荷载应作折减车辆动载过桥会引起桥梁振动造成内力增大利用冲击系数考虑荷载取值折减系数冲击系数的具体选用参见规范结构分析混凝土简支梁桥构造简单易于建造本作业以简支梁桥为例介绍桥梁的计算简支梁桥适用跨径在米以下截面形式有形工字形槽形箱形公路桥面板行车道板的计算计算模型东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业4车辆荷载在板上的分布纵向横向为铺装层的厚度为轮胎与桥面接触的外轮廓有效工作宽度当荷载以的分布面积作用在板上时板除了沿计算跨径方向产生挠曲变形外沿垂直于计算跨径的方向也会产生挠曲变形这就说明荷载作用下不仅使直接承压的板条受力其邻近的板也参与受力共同承受车轮荷载所产生的弯矩单向板和悬臂板的有效工作宽度可按规范确定东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业5荷载横向分布计算一座桥是有多片主梁组成并通过横隔梁桥面板等横向连接构成一个整体的梁桥当桥上有荷载作用时由于结构的横向刚性必然会是所有主梁不同程度地分担荷载而且荷载作用的纵横位置不同各梁分担的荷载及其内力变形亦发生变化因此桥中的各片梁是一个空间受力结构可采用横向分布系数考虑此空间作用荷载横向分布系数与横向刚度荷载类型荷载作用位置等如下图和是两种极端情况荷载横向分布系数计算方法杠杆原理法把横向结构视作在主梁上断开而简支在其上的简支梁偏心压力法把横隔梁视作刚性极大的梁横向铰接板梁法把相邻板梁视为铰接只传递剪力横向刚接梁法相邻主梁之间视为刚性连接比拟正交异性板法将主梁和横隔梁的刚度换算成两向刚度不同的比拟弹性平板来求解内力计算基于以上讨论可以在各种工况下计算出梁的弯矩剪力并进行内力组合确定承载能力极限状态和正常使用极限状态的内力组合一般只需计算跨中截面的最大弯矩和支点截面及跨中截面的剪力跨径较大时还应计算四分之一跨径截面的弯矩和剪力有了截面内力就可按钢筋混凝土和预应力混凝土结构的计算原理进行主梁各截面的配筋设计和验算东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业6规范中国交通部桥梁规范通用规范砖石素混凝土桥涵钢筋混凝土预应力混凝土桥涵地基基础钢桥等等美国桥规荷载抵抗因子法该方法将极限状态表示成通过分析作用效应的组合及抗力的因素材料的强度几何尺寸然后引入可靠度因子将三者表示成则表示结构安全欧洲规范结构设计的基本原则桥梁交通荷载混凝土桥梁钢桥组合结构桥梁木桥桥梁抗震上述也可称为工程经验本人还没有工作所以这里的工程经验是指运用软件建模分析的一些经验东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业7仅供参考常见的桥梁软件有等大型通用软件以及桥梁博士等专用软件比如对一些桥梁结构我想分析区的应力情况则可利用圣维南原理建立局部模型从而缩减规模对一些分析结果进行评判问题分析结果中位移特别大分析无法继续运行可能原因约束不够非线性分析没有收敛查看收敛误差是否满足要求截面惯性矩输入错了和反了或没有输入弹性模量输错了建议对一定范围内节点施加弱约束通过模态分析找到刚度很小的自由度问题悬索桥恒载状态吊杆力差异较大可能原因非线性分析时没有收敛建议可在分析信息中查看收敛误差是否满足要求作施工阶段分析考虑平衡单元节点力的非线性分析查看索的内力是否与恒载状态分析的几何刚度数据结果一致最大节点位移是否接近于问题自振周期大小感觉不对可能原因没有在模型结构类型对话框中转换自重为质量自重的转换只能在这里转换可能没有考虑扭转质量问题输入了温度梯度但结果为零可能原因梁截面是按用户按数值方式定义的没有高度信息问题施工阶段模拟中模拟地基的弹性连接没有内力结果可能原因虽然激活了该边界条件组但弹性连接固定端节点所属的结构组没有被激活或固定端节点没有定义为结构组东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业8第二次作业题目某跨等截面箱形连续梁桥跨布置与构造如附图所示可以选择的施工方法有支架现浇先简支后连续移动模架顶推节段预制拼装请完成以下工作说明每种施工方法的工艺过程结合绘制示意图画出纵向预应力筋的布置方案比较两种施工方法的适用性讨论其施工与设计中的关键技术问题支架现浇满堂支架支架现浇是在支架上安装摸板绑扎安装钢筋骨架预留孔道在现场浇筑混凝土并施加预应力的方法预应力混凝土连续梁桥采用就地满堂支架浇筑施工需要在连续梁桥的一联各跨均设支架一联施工完成后整联卸落支架因此结构在施工中不存在体系转换不产生恒载徐变二次矩支架形式主要有支柱式梁式和梁柱式针对本工程由于桥梁跨越河道东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业9且其跨径较大此处采用梁柱式支架形式以下是整个施工流程在每跨设置两个混凝土基础基础的要求要结合荷载情况进行设计搭设支架每跨设置四个立柱靠近桥墩台处的立柱直接支撑在桥墩台的基础上中间两根立柱支撑在步骤完成的基础上立柱上设有卸落设备其布置要均匀对称钢梁架在这些设备上箱梁模板直接搭在钢梁上全孔预压为了消除支架在搭设时接缝处的非弹性变形和地基的非弹性沉陷而获得稳定的支架应逐孔进行预压为获得支架在荷载作用下的弹性变形数据确定合理的施工预拱度使箱梁在卸落支架后获得符合设计的标高和外形还要进行沉降观测支架预压的目的检查支架的安全性确保施工安全消除地基非弹性变形和支架接缝处非弹性变形的影响有利于桥面线形控制采用编织袋装砂对支架进行预压预压荷载为梁体自重的倍预压的横向范围腹板和翼板相交处如下图预压的纵向范围桥梁全长本工程箱梁是等截面但是顶板底板腹板厚度不相同所以沿纵向每跨中重量分布应如上右图这可以通过沙袋堆积高度来实现预压的同时要监测沉降量监测点布置如下图东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业10预压荷载分加载后要持荷小时若沉降量的变化值表示地基及支架已基本沉降到位记下监测点标高卸载后标高则弹性变形利用此值来调整临时支座使底模标高符合设计要求安装底模与支座绑扎钢筋安装波纹管安装侧模在预应力筋设计位置处设置金属波纹管这里还要内套管以防波纹管在施工时损坏进水泥浆影响后面的钢绞线张拉在安装侧模前用管预留底板通气孔角柱底板腹板横梁安装内模绑扎顶板钢筋浇筑顶板砼同时制作试件然后采用人工穿钢绞线利用卷扬机引拉浇筑混凝土时应注意以下事项为保证底板与腹板交接处混凝土密实在灌筑时从中间向两端通过腹板对称水平灌注底板混凝土底板混凝土由腹板及顶板预留天窗灌注水平灌注混凝土厚度不大于厘米插入式振动棒进行振捣由中间向两端对称水平灌注两侧腹板混凝土与底板浇筑混凝土距离分层浇筑腹板混凝土混凝土灌注厚度不大于厘米采用插入式振动棒进行振捣为避免振动棒下半部分已接近初凝的混凝土而造成的麻面或露筋振动棒插入下层混凝土的深度为左右禁止振动棒接触预应力胶管及预埋件顶板混凝土灌注由跨中向两端对称进行与腹板混凝土距离浇筑顶板混东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业11凝土考虑顶板面积大混凝土灌注的速度又快利用整体抹平机进行抹面处理梁体混凝土灌注完成后对顶板底板混凝土表面进行第二次赶光抹面保证防水层基面平整混凝土养护混凝土养护采用在梁体表面覆盖土工布其上覆盖塑料薄膜以保持砼表面充分潮湿养护时间不少于强度达到时拆除测内膜并预张拉时进行初张拉强度达到时终张拉压降封端拆除支架卸落装备缓慢卸下同时观察箱梁底标高如异常立即停止先简支后连续先简支后连续的施工程序预支制简支梁分片进行预支安装预制时按预制简支梁的受力状态进行第一次预应力筋正弯矩的张拉锚固安装完成后经调整位置横桥向及标高浇筑墩顶接头处混凝土更换支座进行第二次预应力筋负弯矩筋的张拉锚固进而完成一联预应力混凝土连续梁的施工具体施工过程如下第一施工阶段为预制主梁待混凝土达到设计强度后张拉正弯矩区预应力钢束并压注水泥浆再将各跨预制箱梁安装就位形成由临时支座支撑的简支梁状态第二施工阶段首先浇筑第跨第跨连续段接头混凝土达到设计强度后张拉负弯矩区预应力钢束并压注水泥浆东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业12第三施工阶段是先浇筑第跨和第连续段接头混凝土达到设计强度后再张拉负弯矩区预应力钢束并压注水泥浆此阶段形成了九跨连续梁五大跨四小跨第四施工阶段拆除全桥的临时支座主梁支撑在永久支座上完成体系转换再完成主梁横向接缝最终形成五跨连续梁第五施工阶段进行防护栏及桥面铺装施工预应力束由两部分组成第一部分是第一施工阶段预制主梁抵抗正弯矩区的预应力钢束同时此钢束要为成桥后通车运营提供主梁抵抗正弯矩的能力同时又不能在主梁预制时因钢束用量较大导致反拱过大而导致主梁上缘开裂第二部分是墩顶负弯矩束用来抵抗连续体系在墩顶产生的负弯矩纵向预应力筋的布置方案箱梁要考虑剪力滞效应预应力筋布置时要尽量靠近腹板位置以下预应力筋布置示意图只代表大概位置不代表数量东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业13满堂支架现浇东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业14简支转连续两种施工方法的适用性首先应根据桥梁的结构类型跨度大小墩身高低基础深浅以及总体规模情况有针对性的提出若干可行的施工方法然后充分考虑施工场地的自然环境地形地理条件地质水文条件及交通运输条件权衡所提各种施工方法的适用性进行筛选满堂支架优缺点桥梁的整体性好施工平稳可靠不需大型起重设备施工中无体系转换预应力混凝土连续梁桥可以采用强大预应力体系使结构构造简化方便施工需要使用大量施工支架跨河桥梁搭设支架影响河道的通航与排洪施工期间支架可能受到洪水和漂流物的威胁施工工期长费用高需要有较大的施工场地施工管理复杂适用性陆地基础较好或经过处理后基础较好基础受力均匀单跨地形起伏变化较小支架高度不宜大于否则失稳风险会增大东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业15支架下无通行要求的桥梁跨线部分小半径弯桥或立交匝道先简支后连续优点具有刚度大变形小伸缩缝少和行车舒适等优点简支梁的预应力钢束在工厂进行张拉而负弯矩区的预应力钢束布置及张拉均在主梁上进行仅需吊装设备起吊主梁减少了施工设备又能避免张拉预应力钢束造成地面上的障碍预制梁能采用标准构件进行工厂化统一生产和管理有利于技术操作节省了施工时间缩短工期提高经济效益适用性这种结构上下部可以同时施工进度快上部结构采用的基本是简支梁的施工方法得到的却是结构更优的连续梁这种结构比其他装配式连续梁桥湿接缝数量少不需临时支架特别适用于软土深水高墩等在我国公路建设中跨径为的连续梁板桥大量采用了这种结构近年这种结构在跨径大于等于时仍受青睐如连接上海南汇芦潮港与洋山岛深水港的长达的东海大桥其中孔和孔连续梁就采用了这种桥型连接浙江嘉兴海盐与宁波慈溪的长达的杭州湾大桥其南岸滩涂上孔单跨的连续梁桥也选中了这种桥型施工与设计中的关键技术问题满堂支架的一些施工关键支架虽为临时结构但要承受桥梁的大部分恒载因此必须要有足够的强度和刚度同时支架的基础要可靠构件结合要牢固要有足够的纵横斜连接杆件使支架成为整体该支架位于河道中还要考虑洪水和漂流物的影响另外支架受荷载后有变形和挠度安装前要经过计算设置预拱度使桥梁结构的外形尺寸和标高符合设计要求同时落架设施要对称均匀不使主梁产生局部受力混凝土浇筑方式也很关键本工程的浇筑方法见中的第步施工缝的选择也很关键施工缝应选在桥梁受力较小处先简支后连续的施工关键预制箱梁混凝土强度达到设计强度的后方可张拉预应力钢束注意梁的上供值张拉完要灌浆箱梁现浇段处的端头形式为满足现浇段与箱梁的充分结合和力的传递以及施工的要求箱梁连续端头一般做成有台阶的马蹄形状并根据施工操作的要求预留现浇段的尺寸及其台阶的样式临时支座的设计与选材临时支座的设计必须满足承重梁板和施工拆卸方便的要求比较常用的方法可采用硫磺砂浆制成临时支座在硫磺砂浆内埋入电热丝在体系转换时采用电热法解除临时支座也可采用钢管与硬圆木或预制东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业16钢筋混凝土圆形块制成砂箱式临时支座在架设梁板时要通过试验来确定砂箱临时支座的沉降量并根据梁板安装标高与对应墩台帽垫石标高的差值用箱内填砂和加高盖板的方法进行调节以便能更好的控制准确梁板架设后的高度连续段现浇混凝土施工在现浇连续段预埋钢筋的连接可采用绑条焊或搭接焊现浇段混凝土采用与梁板同标号的混凝土为了防止现浇连续段混凝土在养生硬化过程中发生收缩性裂缝影响混凝土在二次张拉过程中的承载力和桥梁的整体受力性能现浇连续段接头混凝土添加微膨胀剂永久橡胶支座与底模之间的缝隙用经过防锈处理的钢板或采用竹胶板制作的砂盒垫实密封严防漏浆负弯矩二次张拉负弯矩二次张拉是对梁板顶面的预应力钢束进行张拉这是先简支后连续桥梁同简支梁桥的本质区别预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线钢束张拉采用两面同时张拉张拉顺序从外侧向内侧每次张拉一根钢绞线直到张拉结束压浆工作在张拉结束后及时进行东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业17第三次作业题目讨论后张预应力混凝土桥梁中的预应力作用预应力等效荷载的概念及其计算方法简述超静定结构中预应力初弯矩次弯矩和总弯矩的一般计算方法以下图中的两跨连续梁为例考虑中支座上缘处布置一束预应力钢绞线设其有效张拉力为距截面形心的距离为试计算该预应力束引起的结构初弯矩次弯矩和总弯矩并画出弯矩图等效荷载原理将预应力筋及其锚固点对结构的作用转换为一种等效荷载并把这种荷载如同外加荷载一样施加在抽取预应力筋以后的结构上用以计算由预应力对结构产生的效应预应力对混凝土构件的作用在静力上是自平衡的因此预应力等效荷载也是自平衡力系另外预应力等效荷载是以弹性材料假设为基础的因此只能用于使用阶段预应力使混凝土在使用阶段变成弹性材料的结构分析不能用于承载力极限状态的计算等效荷载的计算方法直线形预应力筋在等截面两种配置的直线形预应力筋偏心距沿梁体不发生变化有效预应力为这时等效荷载为作用于梁端的偏心压力在结构力学图示上等效为端部集中力和集中弯矩东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业18折线形预应力筋折线形预应力筋在梁端的等效荷载和斜向集中力在结构力学图示上等效为端部水平集中力竖向集中力和集中弯矩在预应力筋转折处的等效荷载为一竖向集中力该竖向集中力为东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业19曲线形预应力筋曲线形预应力筋在梁端和梁跨内均存在等效荷载梁端的等效荷载为斜向集中力在结构力学图示上等效为端部集中力和集中弯矩梁跨内的等效荷载推导如下将曲线形预应力筋沿梁截面的偏心距即为有效预应力记为则预应力筋对混凝土梁各截面产生的弯矩为根据材料力学原理可得曲线筋的等效荷载为当曲线筋按二次抛物线形布置时设在梁段两端的偏心距为和跨中垂度为在任意直角坐标系下写出初弯矩方程后由以上方程可得梁体均布等效荷载初弯矩次弯矩总弯矩在静定的简支梁桥中预应力对截面产生的预加内力的合力位置与预应力筋在截面上的位置重合即压力线与预应力筋的位置重合预加内力对截面形心的作用称为初始预应力内力包括初始预轴力初始预剪力初始预弯矩布置有曲线预应力筋的简支梁桥任意截面的初始预弯矩可按下式计算东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业20式中为有效预应力为预应力筋切线相对截面形心线的夹角为预加力的偏心距在超静定梁桥中预应力筋的张拉会引起新的支座反力次反力于是在截面内也就新增了次内力此时预加内力的合力位置与预应力筋位置不再重合即压力线与预应力筋的位置成为两条线考虑次内力的影响后预应力在超静定结构中产生的总弯矩将由初弯矩和次弯矩两部分组成其总内力可按下列公式计算次内力可采用力法进行求解将预应力转换为等效荷载作用后求得的内力是总内力减去初内力后等于次内力注意到预应力次内力是由支座次反力引起的因此次弯矩大小沿梁的长度方向是线性变化的实例以下图中的两跨连续梁为例考虑中支座上缘处布置一束预应力钢绞线设其有效张拉力为距截面形心的距离为试计算该预应力束引起的结构初弯矩次弯矩和总弯矩并画出弯矩图东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业21由上图可得则这里代入得东南大学土木工程结构设计桥梁部分作业22