波形钢腹板预应力混凝土桥设计及施工课件.ppt

波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁桥,王用中河南大建钢构股份有限公司 董事长2010年7月,2,中国工程设计大师国家有突出贡献专家享受政府特殊津贴专家河南省优秀专家河南省交通规划勘察设计院 原院长 现首席顾问深圳市市政设计研究院有限公司 顾问河南大建钢构股份有限公司 董事长,王用中简介,3,波形钢腹板PC箱梁桥的定义与技术优点波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算鄄城黄河桥计算成果波形钢腹板PC箱梁桥的施工与效益分析,目录,4,顾名思义，波形钢腹板PC箱梁桥就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其显著特点是用8-30mm厚的钢板取代厚30-80cm厚的混凝土腹板。由于顶底板预应力束放置空间有限，而使用体外索则是波形钢腹板预应力混凝土箱梁的第二个特点。,波形钢腹板PC箱梁桥的定义,5,波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的提出,混凝土箱梁桥的弊病与改进混凝土箱梁腹板厚度、自重较大，需要设置弯起或竖向预应力筋。腹板与顶底板形成一体，顶底板的温差及其腹板的干燥收缩引起的应力问题比较突出，混凝土腹板承受主拉应力，会出现各种各样的裂缝，严重地影响了承载性能及其耐久性。预应力筋外移、即采用体外索后，自重能得到部分减轻，腹板开裂问题未根本解决。法国的桥梁工程界在这方面作了许多开创性的工作，即通过用预制混凝土腹板、平板钢腹板或波折钢板腹板，来改善力学性能及其减轻上部结构自重的目的。,6,波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的提出,法国的Vecchio桥，预制混凝土腹板互不相连、腹板与顶底板的连接是通过在腹板中设置预应力钢筋来实现。预制混凝土腹板通常是在工厂浇注，质量容易确保，因在施工时其干燥收缩变形基本上已稳定,故能在保持抗剪性能、减轻自重的同时避免腹板温度、收缩变形对顶底板应力的影响。,7,法国的La Ferte Saint-Aubin桥，用钢腹板来代替混凝土腹板的简支箱梁桥，采用了体外索施加纵向预应力。钢腹板与混凝土顶底板之间通过连接件比较容易结合在一起，但是在施加纵向预应力时，钢腹板承担了部分预应力，从而降低了顶底板有效预应力，并且为防止腹板发生局部屈曲必须焊接纵向加劲肋。,波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的提出,8,法国于1986年提出用弯成波折形状的薄壁钢板，来代替混凝土腹板，建成跨度31m+43m+31m、首座连续波折腹板组合箱梁桥。,波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的提出,9,波形钢腹板PC箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着比传统PC箱梁桥更好的力学性能和优点：箱梁自重减轻1030%，从而减少了恒载，降低了地震力，减小了恒载内力，上、下部工程造价均有降低；波形钢腹板的折绉效应一是降低了腹板抗压刚度，从而提高了顶底板预应力效率，二是加大了腹板抗屈曲刚度，节省了钢村，提高了腹板搞剪能力；充分发挥各种材料的性能：混凝土抗弯、波形钢腹板抗剪，截面回转半径最大，结构受力更加合理；部分体外索的应用，有利于结构整体承载力，调整提升与病害处理，从这个方面讲，可提高结构耐久性；造型美观、施工方便，提高了建设速度等。,波形钢腹板PC箱梁桥的优点（与一般PC箱梁桥比较）,10,波形钢腹板PC箱梁桥的优点（与混凝土钢板箱梁桥比较）,波形钢腹板PC箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着比混凝土钢板箱梁桥更好的力学性能和优点：整体受力更接近于传统的预应力混凝土箱梁，更便于连续梁桥采用；腹板抗剪承载力加大：波形钢腹板的抗剪承载力大概是加劲的平钢板的2倍；横向刚度加大：无须纵向、横向加劲肋，故腹板折算厚度较小；顶、底板预应力效率更高：因波形钢腹板不承受预应力，故顶底板预应力效率高；混凝土收缩、徐变效应降低：混凝土顶底板收缩徐变、温度效应对腹板影响很小；腹板加工、安装更方便：腹板的三维韧性便利了施工，减少了几何缺陷的敏感性。,11,三种结构上部材料及造价比较表（桥宽按13.5m，跨径120m估算）,12,组合结构设计理念,13,波形钢腹板PC箱梁桥的定义与技术优点波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算鄄城黄河桥计算成果波形钢腹板PC箱梁桥的施工与效益分析,目录,14,法国在80年代末期首先把钢腹板运用于桥梁结构，并建成了第一座波形钢腹板箱梁桥Cognac桥。随着这种结构成功的运用，各国都相继建造了数座此类型的桥梁。如法国的Maupre桥、Asterix桥、Dole桥、挪威的Tronko桥、委内瑞拉的Caracas桥、Corniche桥。日本在引进这种新结构后，很快就在1993年成功建造了日本第一座波形钢腹板箱梁桥新开桥。随着科研和实践的进一步的深入，日本建造了一系列的此类桥，成为目前修建此类桥型最多的国家，在建和已建成的桥已超过200座。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（1/17）,15,国外具有代表性波形钢腹板预应力砼箱梁桥（不含日本）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（2/17）,16,日本具有代表性的波形钢腹板桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（3/17）,17,日本波形钢腹板PC梁桥跨径频率分布图,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（4/17）,18,日本波形钢腹板PC箱梁桥的设计、施工规范（标准、指南、手册）：高速公路设计要领（2006年版，日本东中高速）波形钢腹板PC箱梁桥设计、施工指南（2005.4，日本高速公路技术中心）波形钢腹板PC箱梁桥设计计算手册（1998.12，日本波形钢腹板组合结构研究协会）波形钢腹板桥问题与解答（2002.6，日本波形钢腹板组合结构研究协会）组合结构桥设计、施工标准（2005.11，日本预应力混凝土协会）波形钢腹板桥设计、施工手册（2002.3，日本高速公路技术中心）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（5/17）,19,第一座波形钢腹板组合梁桥法国Cognac桥（31m+43m+31m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（6/17）,20,Maupre高架桥（41m53.6m七跨连续梁）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（7/17）,21,Dole桥（48m+580m+48m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（8/17）,22,德国 Altwipfergrund 桥（81.5m+115m+81.4m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（9/17）,23,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（10/17）,韩国Ilsun Bridge 桥（44m+97m+56m）,24,本谷桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（11/17）,25,栗东桥实景（部分斜拉桥）137.6m170.0m115.0m67.6m,施工中的栗东桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（12/17）,26,矢作川斜拉桥：173.4m+2235.0m+173.4m,已建成的最宽的波形钢腹板桥，桥宽43.8m,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（13/17）,27,（日本）日见梦低塔斜拉桥：91.8m+180m+91.8m,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（14/17）,28,鬼怒川桥（49.33m+50m+272m+50m+49.33m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（15/17）,29,曾宇川桥：23.1m跨波形钢腹板预应力砼梁桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（16/17）,30,银山御幸桥（耐候钢）,白泽桥（耐候钢）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用（17/17）,31,国内对波形钢腹板箱梁的研究和应用已兴起，先后有交通部交通科研设计院、西南交通大学、东南大学、重庆交通大学等单位对该组合箱梁的钢腹板屈曲强度、方案设计、桥面板有效宽度、剪力连接键等做过研究。到目前为止，国内只修建了数座波形钢腹板箱梁桥，具有代表性的有青海三道河桥（50m跨单箱双室大箱梁），江苏淮安的长征桥(18.5m+30.5m十18.5m的3跨连续梁，人行桥)，河南的泼河大桥(4跨30米先简支后连续梁桥，公路桥)，重庆市永川的大堰河桥(25m简支箱梁，公路桥)及山东东营的两座人行桥。2006年山东鄄城黄河主桥（70m+11120m+70m）波形钢腹板PC箱形连续梁桥的设计、施工标志着我国波形钢腹板PC桥进入成规模的工程实用阶段。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（1/10）,32,我国已建、在建的波形钢腹板PC桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（2/10）,33,我国正在设计施工的波形钢腹板PC桥由河南海威工程咨询公司完成设计,净空受限，梁高偏小，96m跨中墩为梁墩固结。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（3/10）,34,河南海威工程咨询有限公司编译的关于波形钢腹板PC桥工程资料,日本中东高速公路设计要领 波形钢腹板PC桥设计手册 波形钢腹板PC桥设计施工准则 波形钢腹板PC桥设计实例集 波形钢腹板PC桥问题与解答等 并在此基础上结合中国桥规与深圳市政设计院合作编写了波形钢腹板PC桥设计与施工一书（已出版）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（4/10）,目前国内波形钢腹板资料,35,青海三道河桥（51m R=250m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（5/10）,36,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（6/10）,信阳泼河大桥（30m跨箱梁桥）,37,施工中的鄄城黄河大桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（7/10）,38,施工中的鄄城黄河大桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（8/10）,39,桃花峪黄河桥（75m+135m+75m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（9/10）,40,甘泉大桥98m（96m）+135m+80m,南山大桥80+130m+80m,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用（10/10）,41,波形钢腹板PC箱梁桥的定义与技术优点波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算鄄城黄河桥计算成果波形钢腹板PC箱梁桥的施工与效益分析,目录,42,波形钢腹板PC箱梁桥特性,由于波形钢腹板的折绉效应，波形钢腹板PC箱梁截面较通常的PC箱梁截面，抗弯刚度约降低10%，剪力刚度降低50%，扭转刚度降低90%，为此波形钢腹板PC箱染一般要设横隔以保证相应的抗扭刚度。波形钢腹板PC箱梁桥动力特性介于PC桥与钢桥之间。波形钢腹板PC箱梁桥纵向抗震性能优于一般PC桥，横向抗震性能基本相同。波形钢腹板PC公路 桥不存在疲劳验算问题。据2005年日本对早期建设的三座波形钢腹板PC桥的调查，说明其耐久性类同一般钢-混组合梁桥。,43,力学特性 截面参数计算对比,44,波形钢腹板PC箱梁较同等高速PC箱梁断面抗弯刚度降低10%左右，抗剪刚度降低50%左右，抗扭刚度降低90%左右，下表为算例（图示见下页）：,力学特性,45,波形钢腹板桥自振频率与阻尼系数,波形钢腹板PC桥的振动特性与阻尼系数,由分析、试验、实桥检测知，波形钢腹板PC桥的振动特性介于PC桥与钢桥之间；一般PC桥体外束自振频率为12Hz-18Hz，阻尼系数为0.0002，一般不会发生体外束引发整桥共振问题。,46,纵向抗震性：一般地说主梁自重减轻、刚度减小地震效应均会减少，三道河桥的实桥分析说明波形钢腹板PC桥较一般PC桥的抗震性能要好。横向抗震性：波形钢腹板PC桥梁不具有混凝土腹板，所以减少了承受面外方向地震的受拉钢筋。因此，预计面外方向的抗力低于通常的混凝土箱梁桥。但是，面外方向的弯曲刚度亦有所下降，可是其量较小，所以认为两者的抗震性能基本相同。混凝土顶、底板通过刚度较小的波形钢腹板而连接，所以有人担心混凝土顶、底板分别产生响应，但是从分析中已经确认到两个混凝土板连成一体响应，而且不产生顶、底板之间的相位差，而且振幅基本相同。总之，波形钢腹板PC桥梁的抗震能力介于PC桥与钢桥之间。,波形钢腹板PC桥的抗震性能,47,伊朗德黑兰北部高速公路BR-06L/R特大桥（83m+153m+83m）波形钢腹板PC箱梁桥抗震计算对比,伊朗地震局提供的加速度时程曲线10841纵向加速度时程,48,伊朗德黑兰北部高速公路BR-06L/R特大桥（83m+153m+83m）波形钢腹板PC箱梁桥抗震计算对比,顺桥向墩底截面地震波作用弯距（伊朗地震波）,采用波形钢腹板PC桥后，纵向地震效益降低了11%22%。,49,波形钢腹板PC桥的抗震性能,交通部公路科学研究院于青海三道河50m跨波形钢腹板PC箱梁研究中曾作过同跨径波形钢腹板PC桥与一般PC桥地震作用对比分析结果如下表：,波形钢腹板箱梁与混凝土箱梁地震效应对比,50,由银山御幸桥车辆动载试验得到波形钢腹板桥本身振动加速度最大值为3gal，其值非常小，因此认为其疲劳问题会很少。考虑的重点是波形钢腹桥与翼缘板的连接焊缝，日本曾作过波形钢腹板桥、波形钢腹板PC桥的疲劳模型试验与有限元分析，同时作了（44.25+136+44.25）m三跨连续梁实桥有限元分析，结论是较高应力发生在腹板与砼连接的过焊孔处，但是这里应力幅很小，一般不会发生疲劳问题。,波形钢腹板PC桥的抗疲劳性能（1/3）,51,下图为波形钢腹板相互连接处采用搭接接头（连续贴角焊）时，已经被确认满足疲劳耐久性的波形钢腹板上下端部的构造与过焊孔形状。当采用这些接头构造时通常不要求再作疲劳验算。,疲劳耐久性被确认的搭接接头（连续贴角焊）的构造。,波形钢腹板PC桥的抗疲劳性能（2/3）,52,满足疲劳耐久性的波形钢腹板上下端部的构造与过焊孔形状,波形钢腹板PC桥的抗疲劳性能（3/3）,53,其耐久性类同钢-混组合梁桥，日本波形钢腹板结构研究会2005年组织对已经运营了510的新开桥（1993建成）、银山御幸桥（1996年建成）、本谷桥（1999年建成）进行了实地检测，结果表明这三座桥外观、内在均无明显病害，运营状况正常。,波形钢腹板PC桥的耐久性,54,钢结构3种典型防腐体系50年使用奉命期间费用比较,涂装耐久性,55,波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度小，故设计时可以认为波形钢腹板不承受轴向力：即近似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板，而剪力则完全由钢腹板承担，且剪应力在腹板上作均匀分布。波形钢腹板主要作用在于抗剪，故波形钢腹板的厚度与形状取决于抗剪强度与剪切屈曲稳定性的需要。波形钢腹板预应力砼箱梁的另一技术特点是通常采用体内、体外预应力索并用的方式：即在混凝土顶板、底板中配置纵向预应力筋，用以抵抗施工时的荷载及自重。在箱内配置体外预应力束，通过转向块来转向并最终锚固在横隔板上，实现曲线或折线配筋，以体外索来承担外荷载的作用，如有必要时，可以在使用期间封闭交通来张拉更换体外索以加固桥梁结构或提高其承载力。,结构要点,56,波形钢腹板节段之间及与上、下混凝土板的连接：波形钢腹板的预制节段之间一般通过高强螺栓或现场焊接的方式连接，波形钢板与混凝土顶底板的连接：一是非埋入式连接，在波形钢板的上下端部焊接钢板，钢板上焊接穿孔板、角钢或剪力钉（柱型螺栓），使之与混凝土板结合在一起。二是埋入式连接，在波形钢板上打孔。穿过钢筋（贯通钢筋），再在钢板的上、下端部焊接纵向钢筋（约束钢筋）并埋入混凝土的结合方法。,波形钢腹板之间的连接,波形钢腹板的连接（1/4）,57,波形钢腹板与混凝土板的的连接,波形钢腹板的连接（2/4）,58,波形钢腹板的连接（3/4）,59,顶、底板的连接构造的组合,注：表中（1）、（2）为日本高速公路设计要领建议 的工程招标用连接方式：（1）用于跨度较大桥梁连接，（2）用于盐腐蚀环境不强、跨径较小的桥梁连接。,波形钢腹板的连接（4/4）,60,波形钢腹板PC箱梁桥的定义与技术优点波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算鄄城黄河桥计算成果波形钢腹板PC箱梁桥的施工与效益分析,目录,61,设计顾名思义是设想与计算。用行话说，包含概念设计与结构计算，波形钢腹板PC桥的设计包括，概念设计、结构计算与构造措施。桥梁的概念设计即按技术标准确定整体方案，结构体系与关健构造要点。波形钢腹板PC箱梁适用桥型类同PC箱梁，唯以连续梁、连续刚构、部分斜拉桥居多。,波形钢腹板PC桥的概念设计,62,波形钢腹板PC箱梁桥的横断面选择，要考虑弯曲、扭转、畸变刚度，并兼顾道路宽度、连接构造、桥面板受力及下部与基础构造等因素，而且应该在考虑经济指标与施工方案之后，决定箱梁的断面形状。波形钢腹板PC箱梁桥的横断面如同一般PC箱梁桥一样多数采用直腹板断面，但为减少桥面板悬挑长度、合理墩台设计、加大箱梁畸变刚度，亦有采用斜腹板断面的。倘若桥面较宽时，可有三种选择：单室多箱断面、单箱多室断面和带斜撑的单箱单室断面。,63,a)南山桥（单室多箱）b)小犬丸川桥（斜腹板）,64,c)桂岛高架桥（带斜撑）d)本谷桥（直腹板）,65,e)矢作川桥（单箱多室）,66,a）日本Shibakawa高架,b）泰国Bang na高架预制梁,c）马来西亚STAR高架预制梁,d）丹麦Vejie Fjord Bridge肋式加劲梁,顶板加劲式箱梁国外部分应用实例,67,截面形式设计与经济性对比,68,波形钢腹板PC箱梁桥纵向受力与PC箱梁桥纵向受力类似，其重量可减轻，但刚度亦较低，故波形钢腹板PC箱梁桥的总体设计可参照PC箱梁桥，其梁高设计亦可参照PC箱梁桥。对波形钢腹板的PC箱梁桥，即使提高梁高，对恒载的影响也是很小的，所以比起混凝土腹板的PC箱梁桥，其梁高的选择一般略高于PC箱梁桥。梁高统计归纳计算公式为：跨中断面高跨比(h/L)=(0.0047L+0.7859)(310-6L2-0.0009L+0.0887)根部断面高跨比(h/L)=(0.002L+0.9338)(-210-6L2-0.0003L+0.0483)梁底曲线设置类同PC桥一般常用二次抛物线。,波形钢腹板PC箱梁桥的概念设计,69,波形钢腹板PC箱梁桥的箱形断面总体尺寸与设置规则，类同于普通PC箱梁。波形钢腹板PC箱梁桥的支点附近，要用一段混凝土里衬，使波形钢腹板与墩上块箱梁混凝土腹板连成一体，以使应力顺利过渡。波形钢腹板PC箱梁桥，比起通常的混凝土腹板PC箱梁桥，因断面抗扭刚度较小，为提高其抗扭能力，应设置必要的横隔。横隔设置一般按维持两种箱梁扭转刚度一致原则设置，其横隔间距设置经验公式为：,波形钢腹板PC箱梁桥的概念设计,70,波形钢腹板的概念设计的合理性，可用波形钢腹板PC箱梁桥的材料用量指标校检。波形钢腹板桥的主要材料用量指标,波形钢腹板PC箱梁桥的概念设计,71,波形钢腹板PC箱梁的扭转刚度比混凝土腹板箱梁扭转刚度小，因此应用于曲线桥时应当留意控制弯曲半径，适当加大抗扭刚度。,曲线梁桥的应用,72,忽略波形钢腹的纵向抗弯作用在竖向荷载作用下弯曲平面假定成立弯矩仅由混凝土顶底板构成的断面承担剪力由波形钢腹板承担，且剪应力呈均匀分布,波形钢腹板PC箱梁竖向弯曲计算符合以下假定,73,波形钢腹板I字梁荷载试验,74,波形钢腹板I字梁荷载试验,75,波形钢腹板预力混凝土箱梁桥的总体受力与通常的预应力混凝土箱梁类似，其设计计算亦类似，故总体设计计算可用通用桥梁设计软件完成，唯因其剪力系由波形钢腹板承担，而关于波形钢腹板的剪切屈服、剪切屈曲问题，我国现有桥梁设计通用软件无此项内容，故需用日本有关规范、规准另行计算。关于钢板与混凝土顶底板的连接属钢混凝土组合结构设计内容，我国现亦缺乏相关设计软件。波形钢腹板预预应力混凝土箱梁桥设计计算总体受力分析可分为纵向弯曲、横向框架、纵向扭转畸变等三部分。验算内容总体可分顶底板纵、横向承载力及应力验算、波形钢腹板强度、屈曲验算、波形钢腹板与顶底板连接和波形钢腹板自身连接验算。波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁桥设计检算项目包括：设计荷载作用时的安全性、极限荷载作用时的安全性、疲劳的安全性、施工的安全性。,波形钢腹板PC箱梁桥的总体计算,76,波形钢腹板桥计算内容,波形钢腹板PC箱梁桥的总体计算,77,波形钢腹板桥属钢-混组合结构，其设计、施工可依相关规范进行，我国现行钢结构、混凝土结构、钢-混组合结构桥梁主要设计、施工规范为公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86)待实行的相关规范有公路钢结构桥梁设计规范（JTG/T D64-2009）钢-混凝土组合桥梁设计与施工细则（JTG/T D64-01),波形钢腹板PC箱梁桥的总体计算,78,波形钢腹板PC桥的设计框图,波形钢腹板PC桥的设计类同PC箱梁桥，其总体框图如下：,79,波形钢腹板PC桥的设计与计算,波形钢腹板PC箱梁桥设计荷载标准按公路桥涵设计通用规范(JTG D602004)采用，箱梁的顶、底板预应力、纵向、横向、整体计算按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D622004)对其进行验算，关于波形钢腹板强度、屈曲计算以及波形钢腹板的连接计算则按 公路钢结构设计规范（TJG025-86）并参考日本高速公路设计要领(2006年版)的相关规定进行。,80,（1）荷载标准采用中国标准，牵涉波形钢腹板桥的计算内容采用日本有关标准。（2）按，波形钢腹板预应力砼桥设计验算分为设计荷载作用验算与极限荷载作用验算。我国公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范（JTG D62-2004）中,持久状况承载能力极限状态计算荷载组合，认为与日本极限荷载相应；持久状况和短暂状况计算荷载组合及弹性荷载组合认为与日本设计荷载相应。（3）预应力砼设计计算主要遵循（JTG D62-2004）进行，波形钢腹板及其连接设计计算主要遵循进行。,计算原则,81,总体计算内容及计算流程,纵向计算框图,82,总体计算内容及计算流程,83,抗剪设计框图,剪切计算内容及计算流程,84,在竖向弯曲时波形钢腹板上的剪应力分布和传统的混凝土腹板有所不同,沿梁高基本呈等值分布。由于轴向压应力较小，钢腹板可以视为纯剪切状态,因此设计时需要验算钢腹板的剪应力,虽然满足强度设计要求，然因波形钢腹板一般均比较高、比较薄，故还有较大的剪力屈曲稳定问题。还需要计算钢腹板的剪切屈曲。波形钢腹板的剪切屈曲分三种：局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲。,三种屈曲形式,波形钢腹板的剪切屈曲,85,当极限荷载作用时，剪应力即使在允许应力以内时，设计亦并非可用，由于波形钢腹板的形状不同，即使剪应力在允许范围内，板的剪切屈曲也可能发生，所以对剪切屈曲的安全性验算必须进行。对波形钢腹板屈曲安全性计算，可以用有限变形理论的有限元方法作安全性验算，但实际上，用压杆的稳定性理论的有限元法对波形钢腹板的屈曲安全性进行计算也可以得到足够安全性的保证。以压杆理论为基础的波形钢腹板屈曲计算如下页图。为经济合理计，设计宜控制屈曲发生在屈服区、非弹性区为原则，此时屈曲应力一般均大于或近于屈服应力，即使剪应力低于屈服应力时，波形钢腹板不发生屈曲，以使材料得以合理应用。总之，如图所示屈曲进入非弹性领域（）是容许的，但设计追求的目标却是s 0.6（s为剪切屈曲系数，或）。,屈曲计算,86,（屈服区）：s0.6（非弹性区）：（弹性区）：一般不允许,87,局部屈曲临介应力计算,式中,：弹性屈曲临界应力；,：剪切屈曲系数,：纵横比,；,但,：波形钢腹板高；,；,：波形钢腹板材料的泊松比 0.30；,：厚幅比,：波形钢腹板厚；,：剪切屈服应力。,；,：波形钢腹板的弹性模量；,N/mm2；,88,整体屈曲临介应力计算,89,组合屈曲临介应力计算,式中,：组合屈曲临介应力；,：局部屈曲临介应力（满足屈服域条件时，即为钢板的剪切屈服应力）,：整体屈曲临介应力（满足屈服域条件时，即为钢板的剪切屈服应力）,波形钢腹板组合屈曲临界应力可用局部屈曲临界应力与整体屈曲临界应力的乘幂与相关式来求得：,当s0.6时，可取cr,Lcr,Gy时，cr0.84y，即当满足屈服应力以下不发生局部屈曲、整体屈曲条件时，控制在屈服应力以下不发生组合屈曲的条件为0.84y，从这个意义理解波形钢腹板的组合屈曲强度是对极限荷载作用时的剪应力做验算，其值控制在以0.84y下。,90,横向分析,波形钢腹板PC箱梁桥的整体分析如同PC箱梁桥一样包括纵向整体分析与横向整体分析，在混凝土腹板的PC箱梁桥的设计中，腹板、顶底板加腋的设计被包含在横向设计里，而在波形钢腹板的PC箱梁桥中，关于波形钢腹板的剪切的研究并没有包含在横向设计里。但是，关于波形钢腹板与桥面板连接部设计中用到的角隅弯矩，则由横向分析求得。横向分析一般采用平面框分析或三维FEM分析等方法。横向分析主要用于计算桥面板与角隅弯矩（供连接计算用）。,91,波形钢腹板与顶、底板的连接部设计,对作用于波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接部的桥轴方向的水平剪力，应验算设计荷载作用时，以及极限荷载作用时的安全性。安全性验算标准为作用于连接部的剪力应小于抗剪连接件的容许剪力以及极限屈服强度。对发生于连接部的与桥轴成直角方向的弯矩，必须验算设计荷载作用时以及极限荷载作用时的安全性，安全性的验算标准为使角隅弯矩所引起的应力在限制值以下。,92,连接计算例埋入式连接,埋入式连接的抗剪承载力，要分别验算斜幅板间的抗剪齿键、混凝土抗剪销、销间钢板以及贯穿钢筋等的抗剪力。a 斜幅间混凝土抗剪齿键的验算a-1 极限荷载时：a-2 设计荷载时：,93,埋入式连接,b 混凝土剪力销的验算b-1 极限荷载时b-1-1 混凝土剪力销抗剪强度b-1-2 混凝土销劈裂破坏抗力b-1-3 孔与孔之间的钢板的剪切破坏抗力b-2 设计荷载时 Qpa=rQpu r=0.33 Qpu=Qpu1+Qpu2+Qpu3,94,在埋入式连接而成的抗角隅弯矩的抗力的计算中，要进行以下所示的3种状态的计算。a 混凝土剪力销的剪应力引起的抗力分析（图1）b 波形钢板埋入段承压应力引起的抗力分析（图2）c 因波形钢腹板板幅受压而引起的抗力分析（图3）,埋入式连接,95,埋入式连接,a 混凝土剪力销的剪切应力引起的抗力分析b 埋入段波形钢板承压应力引起的抗力分析c 因波形钢腹板板幅受压而引起的抗力分析,96,焊接部的验算,焊接部的验算，应当对设计荷载时的桥轴方向与轿轴成直角方向及组合应力进行验算。,97,体外索的锚固部以及转向部构造,体外索的锚固部以及转向部的构造，必须要考虑波形钢腹板PC箱梁桥的特性来选定合理的构造。体外索的锚固部，为了顺畅的向主梁顺利地传递钢绞线的张拉力，必须考虑主梁构造、主梁所配置的体外索的规格以及根数来选定恰当锚固、转向的构造。对锚固部的设计，对因钢绞线张拉力在各个构件上所发生的局部应力等，要用恰当的方法分析，以确保所要求的耐荷能力以及耐久性。体外索的转向部是确保桥梁整体机能的重要部位，必须做成使结构整体机能能够充分发挥的构造。对转向部的设计，因体外索的侧压力等的荷载在各个构件上所发生的应力，应用恰当的方法分析，以确保所要求的耐荷能力以及耐久性。,98,波形钢腹板PC箱梁桥中，由于腹板的剪切刚度比混凝土腹板桥要小，故不可以忽略主梁的剪切变形。特别要注意与等高梁相比，梁高变化时，剪切变形会加大。因此，对通常的框架分析中的轴力以及弯曲所导致的弯曲变形，必须考虑主梁的剪切所引起的增加量。波形钢腹板PC箱梁桥的剪切变形，通常用以下公式来表示：式中：系数（腹板界面上最大剪应力与平均剪应力的比）；Gs 板的剪切弹性模量；Q剪力；Q位荷载所引起的假定剪力。剪切修正系数可根据以下公式所算出腹板的剪应力，与主梁截面承受到的全部剪应力之比作为腹板的分担剪力的比例来算出。,99,波形钢腹板PC箱梁桥的定义与技术优点波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算鄄城黄河桥计算成果波形钢腹板PC箱梁桥的施工与效益分析,目录,100,鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大型桥梁，地处山东省南部鄄城县以北，位于山东与河南两省交界处，它是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程，全长约5.6公里。,地理位置,101,鄄城黄河桥建设规模：工程全长5586米，其中桥梁长5020米工程起点桩号K199150，工程终点桩号K204773。,工程规模,102,主桥采用70m+11120+70m波形钢腹板PC桥 引桥采用50m跨折线配筋PC先张梁 主桥连续总长1460m,鄄城黄河桥设计三大创新点,103,计算内容：MIDAS分析 横向、纵向计算 波形钢腹板的验算 波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接计算 ANSYS分析 主桥上箱梁悬浇静力分析 主桥箱梁总体静力分析 波形钢板屈曲计算 计算复核 日本长大公司技术咨询 中交公路规划设计院设计复核,104,MIDAS分析,横向、纵向计算,计算内容,105,计算梁段的选取：考虑箱梁受力的不利影响，截取一米长度的跨中箱梁梁段，采用框架结构进行分析。由于该梁段的竖向支撑由相邻梁段的腹板剪力提供，因此，其边界条件假定为两腹板中心处为刚性简支，结构离散图见下图：,横向计算,106,顶板主要部位长短期应力表（MPa）,横向计算结果:顶底板抗弯、抗剪极限承载均满足规范要求；持久极限状况中长期荷载效应组合个截面均为压应力满足规范要求；短期荷载效应组合在顶板跨中产生对最大拉应力-1.01MPa-1.85MPa，满足要求。,横向计算小结,107,纵向计算,解析模型：解析模型及节段划分情况如下图（计算中将箱梁离散为180个单元181个节点，截面号14个。,108,纵向计算小结,1）.波形钢腹板箱梁抗弯极限荷载组合设计值均小于截面承载力（抗力），满足规范要求；2）.混凝土应力：施工各阶段混凝土压应力均小于0.7fck=22.7Mpa，满足规范要求；箱梁持久状况正常使用极限状态，除边跨上缘个别断面混凝土产生0.765 MPa 的拉应力，未满足短期荷载效应全预应力规范要求外，其余部分混凝土均为压应力，满足要求；箱梁持久状况和短暂状况均最大正截面混凝土压应力为16.1MPa规范要求的0.5fck=16.2MPa，满足规范要求；3）.预应力钢筋应力：受拉区预应力钢筋最大应力为1200MPa0.65fpk=1209MPa，满足规范要求；4）.变形计算：在短期荷载效应组合下结构跨中产生最大位移为63mm，按规范考 虑挠度长期增长系数1.425后为90mm120m/600=0.2m=200mm,满足规范要求。,109,屈曲验算,本计算局部屈曲及整体屈曲的s小于0.6,可取,199N/mm2，而,考虑了非弹性的剪切屈曲强度线,以压杆理论为基础计算的波形钢腹板屈曲强度线可如图所示。为经济合理计，设计宜控制屈曲发生在屈服区、非弹性区为原则，此时屈曲应力一般均大于或近于屈服应力，即使剪应力低于屈服应力时，波形钢腹板不发生屈曲，以使材料得以合理应用。总之，如图所示屈曲进入非弹性领域（),是容许的，但设计者的目,标却是,N/mm2。,110,波形钢腹板与砼顶、底板的连接计算 波形钢腹板与混凝土上下桥面板的连接，是波形钢腹板PC箱梁桥中最重要的构造部位，要能准确传递作用于该部位的顺桥向水平剪力，并能抵抗因车载所导致的横桥向桥面板角隅弯矩，以保证箱梁安全。,波形钢腹板与砼顶、底板的连接计算,111,波形钢腹板与混凝土顶底板的连接承受桥轴方向水平剪力作用，对此必须进行设计荷载与极限荷载作用的安全性验算即：Qu/Hv1.0其中：Qu：剪力键能承受的水平剪力（kN)Hv：连接处设计（极限）荷载作用产生的水平剪力（kN)HvSwQ/I Q:连接处主梁断面的一次矩 I:连接处主梁断面的二次矩 Sw：设计断面上的竖向剪力 设计荷载作用时 Sw=Ss-Sp；极限荷载作用时 Sw=Sj-Sp-Sn Ss：设计荷载作用时的剪力；Sj：极限荷载作用时的剪力 Sp：计算截面预应力垂直分力；Sn：因截面高度变化所产生的反向剪力；Md：极限荷载作用时截面弯矩 h：结构断面的有效高度 a：结构受压边缘与结构中性轴的夹角,桥轴方向水平剪力计算,112,混凝土剪力键的安全性检算包括极限荷载作用下的验算和设计荷载作用下的验算。,分别验算板幅间混凝土齿块及PBL键的抗剪承载力：极限荷载作用时，PBL键抗剪承载力验算包含以下三个方面的内容，要求各项验算分别满足。1）混凝土剪力销的抗剪强度验算 2）混凝土剪力销的劈裂破坏强度验算 3）孔与孔之间钢板的抗剪强度验算,113,角隅弯距（横桥向弯矩）安全性检算,横向弯矩计算结果桥墩端部附近断面角隅弯矩安全性的验算桥跨中间截面角隅弯矩安全性的验算,114,采用波形钢腹板后，比起一般钢-混组合梁，腹板面外方向的刚度变大，因此，应对作用于连接部与桥轴成直角方向的弯矩进行验算。用于连接部的设计截面力是根据在横向设计中把箱梁截面作为横向刚架，在各腹板下端设置了支点（分析模型如下图）求得的。,角隅弯矩表,115,对于作用于波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接部分与桥轴成直角方向的角隅弯矩，设计荷载以及极限荷载作用时的安全性，包括以下内容：1)混凝土剪力销的剪应力引起的抗力验算（图a）2）波形钢板埋入段承压应力引起的抗力验算（图b）3）因波形钢腹板板幅受压而引起的抗力验算（图c）,角隅弯矩验算,116,角隅弯矩验算示意图,117,波形钢腹板与混凝土连接部分计算小结,采用日本道路示方书所示混凝土与钢腹板连接计算公式计算，钢腹板斜幅间混凝土键验算、混凝土剪力销验算、孔与孔间钢板剪切破坏验算、角隅弯距验算均满足设计要求。,118,计算方法概述,悬浇静力计算采用3维有限元方法。箱梁的混凝土结构、钢结构及预应力结构分别采用不同的单元将波形钢腹板箱梁离散为有限元模型。悬浇挂篮、合拢段吊架均按支点集中力分阶段作用于结构。悬浇计算按桥梁施工流程划分计算阶段，对施工阶段进行顶底板混凝土应力、腹板应力计算，验算是否符合规范要求。,主桥上箱梁悬臂施工分析,ANSYS分析,有限元模型,有限元模型离散示意图，如左：,计算结果 顶、底板混凝土最大拉应力为0.5MPa，顶、底板混凝土最大压应力为14.1MPa，小于规范限值16.8 MPa，满足规范要求。,120,计算方法概述,主桥上部结构取5跨（70m3120m70m）计算。总体静力计算采用3维有限元方法。箱梁的混凝土结构、钢结构及预应力结构分别采用不同的单元将波形钢腹板箱梁离散为有限元模型。结构总体计算按合拢、张拉体外预应力钢束、施加二期恒载、施加活载等施工及营运流程进行顶底板混凝土应力、波形钢腹板应力及结构刚度（挠度）的计算，验算是否符合规范要求。,主桥箱梁总体静力分析,121,有限元模型,有限元模型离散示意图如下：,122,计算内容,123,各项验算结果,正常使用极限状态下箱梁顶板混凝土正截面抗裂验算,根据规范组合后箱梁顶板顶缘混凝土正应力如下图：,从图中可以看出：短期作用效应组合下，根据规范正截面抗裂验算公式，箱梁顶板混凝土出现拉应力，最大值约为0.59MPa，满足规范限值。,124,正常使用极限状态下箱梁底板混凝土正截面抗裂验算,按规范组合后箱梁底板混凝土正应力如下图：,从图中可以看出：短期作用效应组合下，根据规范正截面抗裂验算公式，箱梁底板混凝土未出现拉应力，满足规范限值。,125,正常使用极限状态下箱梁顶板混凝土压应力验算,按规范组合后箱梁顶板混凝土正应力如下图：,从图中可以看出：作用效应标准值组合下，箱梁顶板混凝土最大压应力约为14.9MPa，小于规范限值16.2 MPa(0.5fck)，满足规范限值。,126,正常使用极限状态下箱梁底板混凝土压应力验算,按规范组合后箱梁底板混凝土正应力如下图：,从图中可以看出：作用效应标准值组合下，箱梁顶板混凝土最大压应力约为16.1MPa，小于规范限值16.2 MPa(0.5fck)，满足规范限值。,127,正常使用极限状态下箱梁波形钢腹板竖向剪应力验算,按规范组合后箱梁波形钢腹板竖向剪应力如下图：,从图中可以看出：作用短期效应组合下，箱梁波形钢腹板竖向剪应力最大约75.5MPa，满足规范限值。,128,正常使用极限状态下箱梁挠度验算,汽车荷载作用下箱梁跨中最大向下挠度为3.25cm，最大向上挠度为0.52cm，计入挠