桥梁工程新技术课件

桥梁工程新技术设计 分析篇材料篇研究篇长安大学 贺拴海桥梁工程新技术设计 分析篇设计 分析篇n设计 分析n简支梁：T梁；板梁 几种新方法n连续梁 桥面板n拱 桥 结合梁 n异型桥 拱 桥n其 它 斜弯桥设计 分析篇设计 3设计简支梁：梁高：H 跨径:L H=16-26CM L8M H=125-230CM(PC)RC 8-20M H=80-130CM(RC)RC 6-13MPC 20-50M 40-85CM PC 8-20MH/L=1/11-1/18(RC);1/15-1/25(PC)H/L=1/12-1/22标准跨径：8，10，13，16，20，25，30，35，40M3设计简支梁：梁高：H 跨径:L4荷载横向分布计算方法选择(1)杠杆原理法(2)偏心压力法(3)横向铰接板（梁）法(4)横向刚接板（梁）法(5)比拟正交异性板法(6)实用空间数值法:将桥跨结构简化为纵横相交的梁格系，按杆系空间结构有限元法分别求解桥面单位竖向荷载作用于不同梁处的结构内力及挠度，从而求得各主梁荷载横向影响线，进而求解荷载横向分布系数。本方法须借助于ALGOR、SAP2000或ANSYS等空间有限元分析程序实现 4荷载横向分布计算方法选择(1)杠杆原理法5连续梁连续板:h(跨中)=(1/22-1/28)L;L=15M H(支点)=(1.2-1.5)h连续梁:等高梁 h=(1/15-1/30)L变高梁 h=(1/22-1/50)L,H=(1/16-1/20)L L=20-200M5连续梁连续板:h(跨中)=(1/22-1/28)L;6计算方法选择结构力学力法结构力学位移法平面杆系有限元法空间杆系有限元法注意：次内力计算及使用6计算方法选择7拱 桥跨 径：5600M简单拱：5200M计算方法选择：手册法结构力学力法结构力学位移法数值法7拱 桥跨 径：5600M8异型桥：斜 桥 L=同直桥弯 桥 L=同直桥其它异型桥 计算方法：数值法8异型桥：9其 它吊 桥 计算方法：有限位移理论斜拉桥9其 它10分 析有限条法板条 行车向10分 析有限条法11子结构法 子结构子结构子结构子结构子结构子结构11子结构法 子结构子结构子结构子结构12算法12算法13开始输入基本数据拱式?形成梁式子结构单刚形成拱式子结构单刚有荷载？计算等效节点力有荷载？桥墩影响？组装总刚及等效节点荷载列阵计算桥墩上端刚度系数修改平衡方程及求解计算各子结构杆端力及截面内力打印计算结果结束否否是计算等效节点力是对子结构数循环否对总题目数循环是是否 子结构法程序框图开始输入基本数据拱式?形成梁式子结构单刚形成拱式子结构单刚荷载？计算等效节点力有荷载？桥墩影响？组装总刚及等效节点荷载列阵计算桥墩上端刚度系数修改平衡方程及求解计算各子结构杆端力及截面内力打印计算结果结束否否是计算等效节点力是对子结构数循环否对总题目数循环是是否 13开始输入基本数据拱式?形成梁式子结构单刚形成拱式子结构单14变形协调法 将组合结构的吊杆（或斜拉索）截开，代之一未知力 取行车道系为连续结构：承重结构视结构形式不同 而取不同的计算结构：变形协调条件：在结点处（吊杆或斜拉索与行车道系的连接点）不应有脱离现象 14变形协调法 将组合结构的吊杆（或斜取行车道系为连续结构 15系杆拱桥举例拱的弹性平衡微分方程弹性中心的3个未知力位 移 梁 的总 挠度 函数变 形 协 调15系杆拱桥举例16应用 中下承式拱桥 斜拉桥 16应用 中下承式拱桥 斜拉桥 17非线性分析（1）材料非线性问题：混凝土的徐变、收缩、结构弹塑性（2）几何非线性问题：放弃小变形假设，从几何上严格分析单 元体的尺寸、形状变化，得到非线性的 几何运动方程及控制方程，则称其为几 何非线性问题。吊桥挠度理论 拱桥挠度理论 可分为大位移小应变即有限位移理论和大位移大应变即有限 应变理论两种。（3）接触问题：悬索桥主缆与鞍座的接触状态问题，支架上预 应力梁在张拉后的部分落架现象17非线性分析（1）材料非线性问题：混凝土的徐变、收缩、结18材料非线性问题的平衡方程 钢筋混凝土梁单元的弹塑性有限元分析的折减刚度法 折减刚度平衡方程 18材料非线性问题的平衡方程 钢筋混凝土梁单元的弹塑性有限元19几何非线性问题 增量形式T.L列式的平衡方程 U.L列式 19几何非线性问题 增量形式T.L列式的平衡方程 U.L列式20桥面板计算 有效分布宽度 连续梁受余弦荷载 连续梁跨中作用集中荷载 变分原理法20桥面板计算 有效分布宽度 连续梁受余弦荷载 连续梁跨中作21应力函数法形 梁 多梁式简支梁 =21应力函数法形 梁 多梁式简支梁 22各国规范对有效宽度的规定 中国 美国 原苏联 德国、希腊、西班牙、捷克英国、比利时 巴西、澳大利亚 瑞士 用板厚的某个倍数加上加腋宽度表示有效工作宽度似乎是一个趋势 22各国规范对有效宽度的规定 中国 用板厚的某个倍数加上23悬臂桥面板计算 有效分布宽度 Sanko.Bakht法悬臂根部弯矩 无限宽矩形悬臂板作用集中荷载悬臂根部弯矩 半无限宽悬臂板作用集中荷载当荷载的作用点离自由端一定距离时，在作用点位置处也产生正弯矩，因此要求在板的下缘要配置足够数量的钢筋，以避免出现裂缝。23悬臂桥面板计算 有效分布宽度 Sanko.Bakht法悬24带边梁的悬臂板计算的Bakht法弯矩边梁24带边梁的悬臂板计算的Bakht法弯矩边梁25张士锋教授建议的短悬臂行车道板的有效分布宽度计算式 根部弯矩AASHTO规范法25张士锋教授建议的短悬臂行车道板的有效分布宽度计算式 根部26 小结（1）按美国AASHTO规范所列的公式，计算值偏大，不经济，似不宜沿用。（2）按魏斯特加公式计算出值偏小，不安全，也不宜采纳（3）若认为影响面法比较接近实际情况，则对于等厚度悬臂板。悬臂长度不大时，沙柯公式，JTJ023-85规范建议等均接近影响面法结果。（4）对于长悬臂板，如悬臂长大于2.5m，JTJ023-85规范建议的设计结果似偏小，不安全。26 小结27拱桥挠度理论控制平衡微分方程其边界条件 约束方程 恒载阶段 27拱桥挠度理论控制平衡微分方程其边界条件 约束方程 恒载阶28外载阶段 28外载阶段 29外载阶段的解拱桥考虑挠度影响后内力大于不考虑此影响的内力，这意味着应用弹性理论所设计的拱桥存在不安全隐患。29外载阶段的解拱桥考虑挠度影响后内力大于不考虑此影响的内力30弯桥计算理论 等曲率平面弯梁的基本微分方程（符拉索夫方程）力学特点（1）弯、扭耦合作用（2）受力不均匀现象（3）园心角与弯扭刚度比对内力的影响（4）离心力是弯桥特有的，与桥轴线垂直的水平荷载（5）弯桥冲击力的研究还不够深入，目前多以与桥轴弧线长相同的直桥计算，且对弯曲冲击和扭转的冲击不作区分，略显粗糙30弯桥计算理论 等曲率平面弯梁的基本微分方程（符拉索夫方程31曲梁分析的能量原理一次超静定简支弯梁为基本结构，则满足边梁条件的弯梁挠度和扭角可分别假设为总势能 中间支承的竖向反力 31曲梁分析的能量原理一次超静定简支弯梁为基本结构，则满足边32连续弯梁的总挠度和总扭角 连续弯梁的弯矩,扭矩和剪力 32连续弯梁的总挠度和总扭角 连续弯梁的弯矩,扭矩和剪力 小 结(1)在横向分布系数求出以后，弯桥的恒、活载内力及变形计算同单根弯梁一样。基于纯扭转理论的分析方法目前应用较为广泛，其精度能满足工程应用，(2)除上述结构力学方法、能量原理外，还有传递矩阵法、力矩分析法、三力矩方程法等均属此范畴。(3)考虑翘曲扭转的弯梁分析理论虽然精确，但寻求其解难度大，往往需借助数值计算（如差分法、有限元法得）来求解，(4)众多学者提出了各种计算方法，如高鸟春生、C.P汉斯的梁格理论；Goldberg和love的折板理论；田村周平的多角形理论等小 结(1)在横向分布系数求出以后，弯桥的恒、活载内力34斜桥计算理论影响斜交板受力的因素主要有：斜交角、宽跨比、抗弯刚度、抗扭刚度，支承条件及荷载形式等，影响机理较复杂 斜交板位移微分方程为静定简支斜梁上仅作用竖向集中荷载34斜桥计算理论影响斜交板受力的因素主要有：斜交角、宽跨比、35 简支斜梁的内力变化规律（1）超静定简支斜梁的正弯矩较同等跨径的简支正梁要小。在斜梁支承处还会产生负弯矩，斜交角越大负弯矩随之也越大（2）超静定简支斜梁的弯矩图被包在简支正梁和固端梁之间。即斜梁在两支承处虽然产生负弯矩，但其最大负弯矩值小于固端梁的负弯矩，而最大正弯矩比相应简支正梁要小（3）超静定简支斜梁存在扭矩，而相应简支正梁和固端梁的扭矩均为零，这说明带抗扭约束支承的斜梁呈弯扭耦合的重要特征 35 简支斜梁的内力变化规律 36悬索桥计算理论(1)悬索桥桥梁家族中最强跨越能力的桥型之一。(2)1629年在贵州省境内的一座跨度为122m的铁索桥的建成(3)1741年，英国方才建成欧洲第一家铁索桥（跨度22.3m）。(4)1880年至1920年之间，在纽约的东河上修建了跨度450490左右的布鲁克林（Brooklyn）桥、（1883年，主跨486m）、威廉斯堡桥（Williamsboarg）桥，（1930年，主跨488m）曼洽顿（Manhattan）桥（1909年，主跨448m），(5)1931年跨度1066m的乔治、华盛顿（George Washington）门（Golden Gate大桥（主跨1280m）的竣工，随着人们对1940年美国华盛顿州的塔可马（Tacoma（主跨853m）风毁事故的反思，1964年建成的韦拉扎诺（Verrazano Narrows Br.）桥（双层，12车为主座1298m）的跨度记录一直保持至上世纪80年代初。36悬索桥计算理论(1)悬索桥桥梁家族中最强跨越能力的桥(6)二战后，英国建成跨度1006m的福斯（Forth）公路桥(7)1966年建成主跨988m的塞文（Severn）桥及葡萄牙在其首都里斯本建成主跨1013m的4月25日大桥(8)1981年英国的恒伯尔（Humber）桥（主跨1410m）的建成，保持记录17年之外的金门大桥被打破。(9)在亚洲，1962年，福冈的若户桥，主跨367m，至1988年建成的南备赞大桥（主跨1100m）结束了亚州无千米跨大桥历史，1998年，明石海峡大桥（主跨1990m）的建成，标志着大跨悬索桥修建重心转移到了亚州。(10)1995年建成了西陵长江大桥（主跨900m）、1997年建成了虎门大桥（主跨888m）。(11)1998年的香港青马大桥（主跨1377m）和1999年江阴长江大桥（主跨1385m）分别插入世界大跨度桥梁序列中的第四位与第五位。(12)主跨452m的汕头海湾大桥采用预应力混凝土加劲梁，在世界同类桥中跨径排名第一。(6)二战后，英国建成跨度1006m的福斯（Forth）公路38 悬索桥构成及特征构成：主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索 柔性悬吊组合体系。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力 由施工方法决定。成桥后，结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。38 悬索桥构成及特征构件作用主 缆：结构体系中主要承重构件，是几何可变体，主要承受拉力作用。主缆在恒载作用下具有很大的初始张拉力，对后续结构形状提供强大的“重力刚度”，这是悬索桥跨径得以不断增大、加劲梁高跨比得以减小的根本原因。主 塔：抵抗竖向荷载的主要承重构件，在恒载作用下，以轴向受压为主；在活载作用下，以压弯为主，呈梁柱构件特征加 劲 梁：促证车辆行驶、提供结构刚度的二次结构，主要承受弯曲内力。弯曲内力主要来自结构二期恒载和活载。吊 索：将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带，承受轴向拉力。锚 碇：锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基，通常采用重力式锚和隧道式锚。构件作用40 美国风格悬索桥主要特点（1）主缆采用AS（Air Spinning）法架设。（2）加劲梁有用非连续的钢桁梁，适应双层桥面，并 在桥塔处设有伸缩缝。（3）桥塔采用铆接或栓接钢结构。（4）吊索采用竖直的4股骑跨式。（5）索夹分为左右两半，在其上下采用水平高强螺栓紧固。（6）鞍座采用大型铸钢件。（7）桥面板采用RC构件。40 美国风格悬索桥主要特点41首次采用钢箱梁与斜吊索闻名于世的塞文桥的建成，标志着又一建桥强国英国的掘起，代表了欧洲风格其主要特点（1）采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁。（2）早期采用铰接斜吊索，经塞文桥、博斯普鲁斯桥 以恒伯尔桥的实践之后，在博斯普鲁斯二桥改回 到垂直吊索。（3）索夹分为上下两半，在其两侧采用垂直于主缆的 高强螺栓紧固。（4）桥塔采用焊接钢结构或钢筋混凝土结构。（5）钢桥面板采用沥青混合料铺装。欧洲风格悬索桥主要特点41首次采用钢箱梁与斜吊索闻名于世的塞文桥的建成，标志着又一42作为后起之秀日本，其悬索桥技术具有随时代进步的特色，主要特点：（1）采用预制平行钢丝索股架设主缆，简称PWS法。（2）加劲梁主要沿袭美国流派的钢桁梁型式，但近年来 对非双层桥面的梁体已转向采用流线型扁平钢箱梁。（3）吊索沿袭美国流派的竖直4股骑跨式，未接受英国 早期的斜吊索。（4）桥塔采用钢结构，主要采用焊接方式。（5）鞍座采用铸焊混合方式。（6）采用钢桥面板沥青混合料铺装桥面。（7）主缆索股与锚碇内钢构架采用预应力工艺锚固。日本风格悬索桥主要特点42作为后起之秀日本，其悬索桥技术具有随时代进步的特色，43目前，国际上广泛采用的悬索桥结构及工艺特点：（1）主缆架设方法采用AS法（英国、美国）和 PWS法（日本、中国）。（2）加劲梁采用流线型扁平钢筋梁型式。（3）吊索为竖直形式。（4）锚固方法偏向采用铸焊混合结构与预应力锚 固工艺。国际上广泛采用的悬索桥结构及工艺特点43目前，国际上广泛采用的悬索桥结构及工艺特点：国际上广泛采44 现代悬索桥的发展（1）跨径越来越大，从几十米发展到近2000m；（2）加劲梁高跨比越来越小，从1/40下降到1/300；（3）主缆等主要承重构件的安全系数取值越来越低，从4.0下 降到2.0，要 求（1）要精确合理地确定悬索桥成桥状态内力与构形；（2）合理确定悬索桥施工阶段的受力状态与构形，以期在成桥 时满足设计要求；（3）精确分析悬索桥在活载及其它附加荷载作用下的静力响应。（4）要根据不同的结构形式、不同的设计阶段、不同的计算内 容和要求来选用不同的力学模式和计算理论。44 现代悬索桥的发展45 计算理论 竖向荷载作用下其结构分析理论可以划分为两大类：（1）作为连续体分析弹性理论、非线性膜理论挠度理论及其简化方法线性挠度理论，（2）作为离散体分析的非线性吊杆理论和非线性有限元理论有限位移理论。挠理理论的基本微分方程。只考虑恒载索力对竖向荷载的抗力，形成了线性挠度理论。此时线性叠加原理和影响线加载均可应用，使计算得到了简化，用于设计加劲梁是偏安全的。45 计算理论46 三步分析方法（1）吊索恒载轴力（2）主缆平衡位置真实索形计算 （3）主缆与鞍座切点位置 施工状态：主缆各索段无应力索长；挂索初始状态；吊梁阶段的结构状态。46 三步分析方法开始悬索桥形式主要结构部分之间一些比例关系及参数的决定加劲梁的恒载、风力及刚度的假定主缆截面的假定（1）垂直面内的分析（活载等）（2）横向分析（风析等）（3）地震反应力分析（在最终设计阶段验算）加劲梁截面的决定（材质及板厚），主缆截面的决定与假定的刚度、恒载、主缆截面等进行比较计算成桥实际构形与内力验算强度刚度计算构件无应力尺寸计算鞍座预偏量和挂索状态计算振动频率结束风洞试验（核对假定的空气动力系数）改善振动特性（是否增加振动频率）风洞试验（动力稳定性的核对）是否有很大变更NNNYY空气动力特性的改善（桥面板采用开孔结构）及安装抗风稳定构件YNYY结束N主缆及加劲梁的设计流程开始悬索桥形式主要结构部分之间一些比例关系及参数的决定加劲梁48斜拉桥计算理论（1）200m1000m跨度范围内最具竞争力的桥梁结构形式之一历史可追随到1617年。（2）在近300年（17世纪19世纪）中没有得到很大发展，（3）19世纪20年代前后修建的几座斜拉桥坍塌事故（英格兰的Tweed River桥，跨度79.3m）1818年，德国Saale River桥，跨度78m，1824年），无疑使斜拉桥的发展雪上加霜，几乎被人们的遗弃。（4）1925年法国的Lezardirievx桥（跨度112m）的建成，意味着斜拉桥的复苏，（5）1955瑞典的Stromsund桥（跨度182m）的修建，标志着现代斜拉桥的诞生。（6）1962年委内瑞拉的马拉开渡桥（主跨235m）建成48斜拉桥计算理论（1）200m1000m跨度范围内最具竞（7）1991年，挪威建成的主跨530m的斯卡思圣特桥，混凝土斜拉桥的跨径在短短30年间，增长了一倍。（8）钢与混凝土完美结合，使混合型斜拉桥的跨径达856m（法国的诺曼底桥，1994年）（9）叠合梁斜拉桥跨径达602m（上海杨浦大桥，1993年）（10）钢箱梁斜拉桥的跨径已达890m（日本的多多罗大桥，1998）。修建跨径超过1000m的斜拉桥已指日可待。（7）1991年，挪威建成的主跨530m的斯卡思圣特桥，混凝50斜拉桥组成:塔、梁（压弯）、拉索（拉）体 系:缆体承重结构体系，典型的组合结构体系。斜拉桥是一个复杂的空间超静定结构,加径梁承受强大的轴向力同时，还要承受来自恒、活载及其它荷载所产生的弯矩、现代斜拉桥的拉索扇形布置使得加劲梁高度明显变低，漂浮体系的大量使用，使得斜拉桥的柔性受力特征表现突出。拉索梁:塔50斜拉桥组成:塔、梁（压弯）、拉索（拉）拉索梁:塔51（1）概念设计阶段：古典结构力学方法 平面杆系模式（计入收缩徐变的材料 非线性）特大跨径斜拉桥亦可考虑 按二阶理论进行分析 以求快速、相对精确地把握成桥状态下结构设计参数和 宏观力学响应特征，获得理想的结构布置。（2）技术设计阶段：中等跨径的斜拉桥恒载：平面杆系模式（及考虑收缩、徐变的材料非线性）活载：平面杆系模式，空间效应应用横向分布系数（常用杠 杆法或偏心压力法计算）或偏载系数来反映；超大跨径斜拉桥：有限位移理论。计算理论51（1）概念设计阶段：计算理论52（3）施工阶段：平面杆系模式进行有限位移理论分析。此阶段中结构刚度、荷载、构形、约束等不断变化，收缩、徐变等材料非线性及结构几何非线性表现突出。（4）特殊分析：斜拉桥结构中的特殊部位：拉索锚固区，塔梁固结区，不 同材料主梁结合区，计 算 方 法：局部应力有限元分析（，必要时需考虑塑性重分布的影响）。方法是从整体结构中取出需要计算的块件，将整体结构在分离断面处的内力、位移作为被分析结构的边界条件。细分结构网格后进行二次分析。5253（5）恒载索力计算与调整：调整斜拉索力可改变斜拉桥结构的受力分配，从而优化结构受力状态。索力的计算与调整方法较多，亦是斜拉桥计算的重点及难点（6）风荷载、地震荷载、局部温差等空间荷载：若仅关心其静力响应，可选用空间杆系模式；要了解桥梁构件的应力分布可选用，空间板壳、块体和梁单元的组合模式索力的计算与调整方法刚性支承连续梁法程内力平衡法弯曲能量最小法弯矩最小法53（5）恒载索力计算与调整：（6）风荷载、地震荷载、局部温54发 展纵观斜拉桥结构变迁及发展过程，可以看出（1）跨径在不断增大 从几十米发展到近900m（2）主梁的高跨比不断减小 从1/40左右下降至1/350左右（3）索距亦不断减小 从60m左右减至10m以下（4）扁平的板式或箱肋式主梁成为主流结构。54发 展55开始输入模块输入总体结构信息输入施工阶段荷载信息输入施工方式信息对施工阶段循环形成本阶段施工仿真荷载对施工荷载分级数循环节点不平衡计算模块节点坐标迁移本级外荷在新构形下的等效节点力计算局部坐标系下杆端抗力计算节点不平衡力索元切线刚度阵梁元切线刚度阵杆元切线刚度阵静态图形输出单元内力输出节点位移输出新构形节点坐标输出集成总刚模块求解模块收敛通过否？动态显示模块本阶段计算结果输出模块退出 前进分析流程55开始输入模块输入总体结构信息输入施工阶段荷载信息输入施工56高墩大跨径桥梁稳定理论桥梁结构的失稳现象:整体失稳或局部失稳。桥梁失稳而造成事故:(1)俄罗斯的克夫达（）敞开式桥，于1875年因上弦 压杆失稳而引起全桥破坏；(2)加拿大的魁北克（Quebec）桥于1907年在架设过程中由于 悬臂端下弦杆的腹板翘曲而引起严重破坏事故；(3)前苏联的莫兹尔（）桥，于1925年试车时由于压 杆失稳而发生事故；(4)澳大利亚墨尔本附近的西门（West Gate）桥，于1970年在 架设拼拢整孔左右两半（截面）钢箱梁时，上翼板在跨中央 失稳，导致112m的整跨倒塌。56高墩大跨径桥梁稳定理论桥梁结构的失稳现象:整体失稳或局部57 桥墩、塔的稳定分析施工阶段的临界力墩、塔施工阶段的危险期简支梁、支架现浇、先简支后连续施工的连续梁：成桥后悬臂施工的连续梁、刚构桥：最大悬臂时顶推施工连续梁：顶推期或成桥后斜拉桥、吊桥：裸塔拱桥：裸墩或单边架设拱圈时大多情况下，高桥墩塔可简化为下端固结、上端自由的悬臂杆。57 桥墩、塔的稳定分析施工阶段的临界力墩、塔施工阶段的危险等截面墩墩（塔）顶集中荷 载作用时的临界力:自重作用时的临界荷载集度:将上部结构或施工荷载（机具、人员等）简化为位于墩顶的集中荷载 ，并考虑自重作用，则:对于变截面墩，一种方法是将其用分段等截面墩来代替 施工等截面墩墩（塔）顶集中荷自重作用时的临界荷载集度:将上部结构59 运营阶段的临界力 除索塔以外，其它桥型桥墩在运营阶段稳定性一般不控制设计。（1）悬索桥桥塔稳定性(2)斜拉桥桥塔稳定性(偏心距增大系数)59 运营阶段的临界力 除索塔以外，其它桥型桥墩在运营阶段稳60大跨径桥梁结构稳定分析 拱式桥、梁式桥、刚架桥、桁架桥、斜拉桥、吊桥等复杂组合桥梁结构的失稳原因十分复杂，其面内外失稳可能是耦合的，要精确计算结构的稳定性，一般应采用有限单元法。（1）恒载稳定安全系数（2）荷载稳定安全系数60大跨径桥梁结构稳定分析 拱式桥、梁式桥、刚架桥、桁架桥、61小 结(1)高墩大跨径桥梁结构的稳定问题备受关注(2)施工过程稳定亦不可忽视。(3)非线性有限元法分析复杂组合桥梁结构稳定问题(4)工程界更关心大跨径桥梁的第二类稳定问题，(5)桥梁结构的极限承载能力与结构稳定密切相关61小 结62材料篇n混凝土的徐变收缩n混凝土的裂缝 n刚度及挠度理论混凝土结构的外观质量62材料篇混凝土的徐变收缩混凝土结构的外观质量63混凝土的徐变收缩徐变、收缩是混凝土这种粘弹性材料的基本特性之一，它不但对桥梁结构影响大，而且持续的时间长，且其变化过程复杂，不易把握徐变当荷载作用在混凝土构件上，试件首先发 生瞬时弹性变形，随后，随时间缓慢地进 一步增加变形。收缩在无荷载情况下，混凝土构件发生随时 间缓慢变形。63混凝土的徐变收缩徐变、收缩是混凝土这种粘弹性材料的基本特混凝土构件，在时刻 的总应变分解 在时刻 时徐变应变 收缩应变 混凝土构件，在时刻 的总应变分解 在时刻 65徐变系数 CEB-FIP标准规范 BS5400第四部分（1984年版）美国ACI209委员会报告所建议的（1982年版）65徐变系数 CEB-FIP标准规范66混凝土的徐变、收缩对桥梁结构的影响（1）在钢筋混凝土、预应力混凝土等配筋构件中，混凝土徐变、收缩受到内部配筋的约束将导致内力的重分布。（2）预制的混凝土梁或钢梁与就地灌筑的混凝土板组成的结合梁，将由于预制部件与现场浇筑部件之间不同的徐变、收缩值而导致内力的重分布。同样，梁体的各组成部分具有不同的徐变、收缩特性者亦将由于变形不同、相互制约而引起内力或应力的变化。（3）分阶段施工的预应力混凝土超静定结构，如连续梁、刚架、斜拉桥、拱桥等，在施工过程中发生体系转换时，从前期结构继承下来的应力状态所产生的徐变受到后期结构的约束，从而导致结构内力与支点反力的重分布（4）外加强迫变形如支座沉降或支座标高调整所产生的约束内力，也将在混凝土徐变的过程中发生变化，部分约束内力将逐渐释放。（5）徐变对细长混凝土压杆会产生的附加挠度66混凝土的徐变、收缩对桥梁结构的影响（1）在钢筋混凝土、67影响徐变、收缩的因素内部因素：骨料种类水泥品种配合比水灰比外加剂构件外形尺寸 搅拌捣固养护时间养护湿度养护温度 外部因素环境湿度环境温度环境介质加载(或干燥)开始龄期 荷载持续时间 荷载循环次数 卸荷时间应力分布 应力大小加荷速度 67影响徐变、收缩的因素内部因素：外部因素68 徐变、收缩应变、应力的关系在工作应力下，混凝土的弹性应变和徐变应变都与应力呈线性关系。因此，只要总应力不超过混凝土强度的50%左右，分批施加应力所产生的应变可以采用叠加原理。收缩应变在内的总应变积 分 表 达 式 68 徐变、收缩应变、应力的关系在工作应力下，混凝土的弹性应69应力、应变关系的微分方程表达式 应力、应变关系的代数方程表达式 老化系数 按龄期调整的有效模量 69应力、应变关系的微分方程表达式 应力、应变关系的代数方程70徐变效应分析 老化理论分析 解超静定结构徐变二次内力的基本微分方程 T-B 分 析 法解超静定结构徐变赘余力的基本代数方程一次落架徐变的二次内力等于零 70徐变效应分析 老化理论分析 解超静定结构徐变二次内力的基71（1）徐变、收缩微分方程求解法（2）徐变收缩代数方程式求解法（3）徐变收缩有限元、拟弹性逐步分析法徐变、收缩分析71（1）徐变、收缩微分方程求解法徐变、收缩分析72小结（1）混凝土徐变与收缩，是混凝土桥梁结构设计计算中的一个重要内容。（2）徐变、收缩对混凝土桥梁的影响，时间跨度长且与结构形式、构件截面组成方式，以及施工方法等因素有关。（3）根据目前的试验与理论研究水平，估算的徐变与收缩一般有15%至20%的偏差。（4）表达徐变、收缩随时间发展的数学模型不是唯一的，并随着研究的深入而不断改变，我国目前主要采用CEB-FIP推荐的模式。（5）徐变、收缩对结构内力和构件截面应力影响的分析方法有三种，即微分方程求解法、代数方程求解法及有限元逐步分析法。对于结构形式、施工过程复杂的桥梁结构，一般宜采用有限元逐步分析法。（6）可进行徐变效应的三维分析理论。72小结73混凝土的裂缝 混凝土的裂缝问题是工程界最关心的课题之一，因为裂缝的出现牵涉到结构外观的破损，力筋的腐蚀及结构功能的丧失。结构的破损和倒塌大多也是从裂缝的扩展开始的，所以人对裂缝往往产生一种破坏前兆的恐惧感。裂缝的扩展是结构破坏的初始阶段，的确应引起高度重视。从事混凝土裂缝研究的机构美国AC1224委员会英国C&CA德国DIN法国CCBA欧洲CEB、CEBFIP等73混凝土的裂缝 混凝土的裂缝问题是工程界最关心的课题之一，74裂缝分类(1)微观裂缝 宏观裂缝(2)结构裂缝 非结构裂缝弯曲，剪切，温度，徐变与收缩，水化热。74裂缝分类(1)微观裂缝 宏观裂缝75混凝土裂缝研究结论 （1）裂缝荷载是用肉眼借助放大镜观测（2）平均应变符合平截面假定（3）计算受拉钢筋应变和量测平均应变曲线间存在近似平行关系；（4）对非预应力混凝土受弯构件，在使用荷载范围内计算受压边缘混凝土平均应变的截面弹塑性抵抗矩系数可取为常数；（5）裂缝平均间距和平均宽度大致分别为钢筋直径和配筋率之比及钢筋应力的线性函数，75混凝土裂缝研究结论76 现 状（1）对于裂缝的计算理论并未取得一致的看法。（2）不同观点反映在各国关于裂缝宽度计算公式有较 大差别，有的甚至差了好几倍。（3）从目前的裂缝计算模式上看，主要有三类：粘结滑移理论（Saligar）；无滑移理论（Base）基于实验的统计公式 有滑移和无滑移统一理论代表了目前的研究方向。（4）断裂力学理论亦受到研究者的重视。76 现 状77粘结滑移理论平均裂缝宽度 钢筋应变不均匀系数；平均裂缝间距 钢筋77粘结滑移理论平均裂缝宽度 钢筋应变不均匀系数；钢筋78丹麦Efsen公式Hemuponckun公式 丁大均公式 赵国藩公式 值建议 78丹麦Efsen公式 值建议 79受弯构件（1）Hognestad公式称为裂缝增大系数（2）Tssios 公 式 最大裂缝宽度79受弯构件称为裂缝增大系数（2）Tssios 公 式80无滑移理论 假设（1）沿钢筋的水平面上钢筋与混凝土之间不存在相对滑移，钢筋处的裂缝宽度应该为零（2）裂缝开展的外形呈楔形，在混凝土边沿上裂缝最宽，（3）裂缝的最大宽度与混凝土保护层厚度，构件表面裂缝间的平均应变成正比此理论已为英国BS8110规范所采用 钢筋80无滑移理论 假设（1）沿钢筋的水平面上钢筋与混凝土之间不81统计方法 Grergely和Lutz的统计分析612个底面裂缝宽度和355个侧面裂缝宽度的实测数据进行了统计分析，给出梁底裂缝宽度此式为美国ACI规范所采用。此方法亦为中国JTJ规范所采用 81统计方法 Grergely和Lutz的统计分析82有滑移无滑移统一理论认为混凝土完全开裂之前，已经产生相当数量的粘结破坏，其破坏机理可能是由于纯滑移产生，也可能是由于内部开裂产生，但主要因素很可能是后者。裂缝宽度是有滑移与无滑移的组合，即此理论为中国GBJ规范所采用，并演变为82有滑移无滑移统一理论认为混凝土完全开裂之前，已经产生83裂缝宽度计算的规范公式及其比较（1）（1）公路桥涵设计规范（JTJ023-85）统计方法（2）铁路桥涵设计规范（TB10062.3-99）统计方法（3）混凝土结构设计规范（GB50010-2001）统计方法（4）AC1318规范统计方法83裂缝宽度计算的规范公式及其比较（1）（1）公路桥涵设计84（6）CEB-TFP模式规范有滑移理论（7）前苏联ChhII规范统计法混凝土和钢筋混凝 土设计规范 裂缝宽度计算的规范公式及其比较（2）（5）BS8110规范无滑移理论84（6）CEB-TFP模式规范有滑移理论裂缝宽度计算的8585868687长期荷载作用对裂缝宽度最大值 最小值 平均值：裂缝宽度87长期荷载作用对裂缝宽度最大值 裂缝宽度88裂缝在桥梁上的表现PC RC桥梁预应力不足：设计不足，施工不当 损失过大，压浆不满 锚具质量，落架过早 支架未预压，强度不够。表 现：开裂开裂开裂88裂缝在桥梁上的表现PC RC桥梁表 现：开裂开裂开89裂缝预防（1）精心设计混凝土配比（2）合理设计结构构件（3）认真处理水化热（4）合理确定浇筑，合拢温度（5）适当计算徐变与收缩效应（6）认真对待每一个施工环节（7）做好事后处理工作89裂缝预防（1）精心设计混凝土配比90小 结 裂缝宽度一般可写为轴拉构件 受弯构件 钢筋与混凝土产生相对滑移所形成的裂缝宽度；包裹钢筋的混凝土的弹性回缩值，与保护层厚度c成线性关系受弯构件挠曲变形使裂缝增加部分 钢筋表面处到外表面总的剪切变形。短期荷载作用下混凝土裂缝宽度计算理论虽然已基本成熟，但各家计算公式差异很大，所反映的参数不一，还远未达成统一。90小 结 裂缝宽度一般可写为钢筋与91 刚度及挠度理论解析法91 刚度及挠度理论解析法92矩形截面受弯构件短期刚度矩形截面偏心受压构件在短期荷载下的刚度 92矩形截面受弯构件短期刚度矩形截面偏心受压构件在短期荷载下93有效惯矩法等效拉力法 93有效惯矩法等效拉力法 刚度与荷载有关系刚度与荷载有关系95预应力梁和非预应力梁，弯矩挠度（）曲线间存在近似平行关系 95预应力梁和非预应力梁，弯矩挠度（96 小 结(1)混凝土这种特殊材料的刚度与荷载有关系，(2)随着荷载增加，刚度会逐渐变小，并趋于稳定(3)刚度与裂缝的开展是分不开的，(4)裂缝这一外观表现形式为评价结构提供了信息(5)裂缝开展的内在机理还不十分清楚(6)非荷载（变形）裂缝是影响混凝土耐久性的一 个重要因素，不可忽视。96 小 结(1)混凝土这种特殊材料的刚度与荷载有97混凝土结构的外观质量外观质量是精品工程必备的影响外观质量的因素：（1）管理（2）人员（3）环境（4）设备（5）工艺（6）原材料97混凝土结构的外观质量影响外观质量的因素：98外观质量不佳的表现：（1）蜂窝麻面（2）露筋（3）几何尺寸不符（4）缺棱掉角（5）其它：颜色 斑点 气孔98外观质量不佳的表现：99改进外观质量办法：（1）混凝土原材料关：水泥 砂 骨料（2）混凝土拌和关：配比 标号 外加剂 水 灰比 坍落度 （3）施工技术关：模板 振捣 钢筋 施工缝（4）拆模关：时间 顺序 轻重（5）养护关：时间 温度 条件 修补（一般不允许）：颜色 光滑度 粘结力99改进外观质量办法：研究篇桥梁结构状态预测评估桥梁振动及其控制相关研究西部项目中国桥梁位置桥梁的三大不足研究篇桥梁结构状态预测评估101桥梁结构状态预测评估n桥梁结构性能诊断n桥梁可靠性n桥梁抗震性能评估及对策101桥梁结构状态预测评估桥梁结构性能诊断102桥梁结构性能诊断n（！）桥梁结构承载能力的标准预测方法研究 极限承载能力 超载能力 剩余承载能力（2）开发以动力参数或裂缝信息评估桥梁结构的承载能力的实用技术n（3）桥梁数值试验（4）对大跨径桥梁或重要桥梁进行安全性实时监测技术的开发研究（5）桥梁结构抗突发性自然灾害能力 山区桥梁抗泥石流能力 旧桥抗洪能力 抗撞击能力102桥梁结构性能诊断（！）桥梁结构承载能力的标准预测方法研103桥梁可靠性（1）不同地域桥梁损伤模型的建立（2）桥梁可靠性评价方法研究（3）桥梁结构系统可靠性理论研究（4）桥梁损伤结构残余寿命研究103桥梁可靠性（1）不同地域桥梁损伤模型的建立（3）桥梁结104桥梁抗震性能评估及对策（1）抗震性能检测方法；（2）抗震性能评估理论与方法；（3）抗震性能评估标准；（4）结构延性与抗震能力（5）减（隔）震构造措施的变化与抗震能力（6）抗震技术改造决策及抗震加固新技术等104桥梁抗震性能评估及对策（1）抗震性能检测方法；（5）105桥梁振动及其控制n抗风及其控制n抗震及其控制105桥梁振动及其控制抗风及其控制106相关研究n新型桥梁结构及结构理论n桥梁施工智能控制n大跨径桥梁施工关键技术nCAD及CAM技术n桥梁结构加固技术106相关研究新型桥梁结构及结构理论107西部项目n轻质混凝土在大跨径桥梁上的用n大跨径弯桥设计施工关键技术n桥梁抗震及评估理论与方法n桥梁评估方法与加固技术n钢管混凝土拱桥设计施工运营关键技术n大跨径RC，PC箱梁裂缝处治技术n钢管拱桥吊杆诊断技术n。107西部项目轻质混凝土在大跨径桥梁上的用108中国桥梁位置n世界9-10位n系杆拱桥世界第一(卢浦)n石拱桥世界第一（丹河）n斜拉桥世界第一（苏通）n换系杆世界第一（佛陈）n跨海大桥世界第一（杭州湾）108中国桥梁位置世界9-10位109桥梁的三大不足n（1）创新不足n（2）质量不足n（3）美观不足109桥梁的三大不足（1）创新不足