混凝土悬臂连续体系梁桥计算09级教学.ppt

第二篇 混凝土梁桥和刚架桥,概述混凝土梁式桥构造与设计要点混凝土梁式桥的计算混凝土悬臂体系和连续体系梁桥的计算刚架桥简介梁式桥的支座混凝土斜、弯梁桥简介混凝土梁桥的施工梁式桥实例,第二篇 混凝土梁桥和刚架桥,第四章 混凝土悬臂体系和连续体系梁桥的计算,第四章 混凝土悬臂、连续体系梁桥计算,前 言,活载,恒载（含混凝土收缩、徐变和预应力作用等次内力）,支座强迫位移,温变效应（含整体温度变化和局部温度变化）,汽车制动力,支座摩阻力,风力,计算荷载,第一节 结构恒载内力计算,一、恒载内力计算特点,按成桥后的结构图示分析；,恒载内力计算应根据施工方法来确定其计算图示，进行内力（应力）叠加。,若成桥后施工，则按整桥结构图示分析；否则，按相应施工阶段的计算图示单独计算，然后叠加。,二期恒载,简支梁桥,连续梁桥等超静定结构,以连续梁为例，综合国内外关于连续梁桥的施工方法，大体有以下几种：有支架施工法；逐孔施工法；悬臂施工法；顶推施工法,二、悬臂浇筑施工时连续梁恒载内力计算,以一座三孔连续梁为例，采用挂篮对称平衡悬臂浇筑法施工，可归纳为五个主要阶段：,阶段1：在主墩上悬臂浇筑混凝土梁段,首先在主墩上浇筑墩顶梁体节段（零号块），用粗钢筋及临时垫块将梁体与墩身作临时锚固，然后采用施工挂篮向桥墩两侧分节段、对称平衡悬臂施工。此时桥墩上支座暂不受力，结构工作性能犹如T形刚构；对于边跨不对称的部分梁段则采用有支架施工。,该阶段结构体系静定，外荷载为梁体自重q自(x)和挂篮重量P挂，其弯矩图与一般悬臂梁无异。,当边跨梁体合龙以后，先拆除中墩临时锚固，然后可拆除支架和边跨的挂篮。此时由于结构体系发生了变化，边跨接近于一单悬臂梁，原来由支架承担的边段梁体重量转移到边跨梁体上。由于边跨挂篮的拆除，相当于结构承受一个向上的集中力P挂。,阶段2：边跨合龙,当中跨合龙段上的混凝土尚未达到设计强度时，该段混凝土的自重q及挂篮重量2p挂将以2个集中力R0的形式分别作用于两侧悬臂梁端部。由于此阶段的挂篮均向前移了，故原来向下p挂的现以方向向上的卸载力p挂作用在梁段的原来的位置上。,阶段3：中跨合龙,第四章 第一节 结构恒载内力计算,全桥已经形成整体结构（超静定结构），拆除合龙段挂篮后，原先由挂篮承担的合龙段自重转而作用于整体结构上。,阶段4：拆除合龙段挂篮,第四章 第一节 结构恒载内力计算,在桥面均布二期恒载的作用下，可得到三跨连续梁桥的相应弯矩图。,以上是对每个阶段受力体系的剖析，若需知道是某个阶段的累计内力时，则将该阶段的内力与在它以前几个阶段的内力进行叠加便得。成桥后的总恒载内力，将是这五个阶段内力叠加的结果。,阶段5：上二期恒载,第四章 第一节 结构恒载内力计算,三、顶推法施工时连续梁恒载内力计算,1.受力特点,顶推连续梁一般将结构设计成等跨度和等高度截面形式。当全桥顶推就位后，其恒载内力的计算与有支架施工法的连续梁完全相同。,顶推连续梁的主要受力特点反映在顶推施工过程中，随着主梁节段逐段向前推进，将使全桥每个截面的内力不断地从负弯矩正弯矩负弯矩，呈反复性的变化。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,为了改善顶推法带来的负面影响，采用以下措施：顶推梁前端设置自重轻、刚度大的临时钢导梁（鼻梁），导梁长约为主梁跨径的65%左右，以降低主梁截面的悬臂负弯矩；当主梁跨径较大（一般60m）时，可在桥孔中央设置临时墩，或永久墩沿桥纵向的两侧增设三角形临时钢斜托，以减小顶推跨径；在成桥以后不需要布置正或负弯矩的钢束区，则根据顶推过程中的受力需要，配置适量的临时预应力钢束（可拆除）。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,2.施工中恒载内力计算,(1)计算假定,逐段预制、逐段推进：先由悬臂梁简支梁连续梁双跨连续梁多跨连续梁 达到设计跨数。台座上梁段不参与计算，计算图式中，靠近台座的桥台处可取为完全铰；每个顶推阶段均按该阶段全桥实际跨径布置和荷载图式进行整体内力分析，而不是对同一截面内力按若干不同阶段计算进行叠加，即：截面是流动的,顶推连续梁计算图示,第四章 第一节 结构恒载内力计算,(2)最大正弯矩截面计算,顶推连续梁的内力呈动态型，它与主梁和导梁的自重比、跨长比和刚度比等因素有关，很难用公式来确定最大正弯矩截面的所在位置，只能借助有限元计算程序和通过试算来确定。,参照近似公式计算：,式中：q自主梁单位长自重；导梁与主梁的单位长自重比；导梁与跨长l的值。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,(3)最大负弯矩截面计算,按两种计算图示对比确定:,最大负弯矩公式计算（计算模式解释）：,主梁悬出部分的长度与跨径l之比；,导梁接近前方支点时的自重内力图,导梁与主梁的单位长自重比。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,前支点支承在导梁约一半长度处:,导梁支承在前方支点时的计算图示,一般取带悬臂的两跨连续梁图式计算最为不利，这是根据支点截面的负弯矩影响线面积和的因素来判断的。该图式为一次超静定结构，虽然其中一跨梁存在刚度的变化，但计算并不困难。真正的最大负弯矩截面还需在靠近其两侧作试算和比较。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,(4)一般梁截面的内力计算,各支点截面在端弯矩Md作用下的弯矩：,各支点截面在主梁自重作用下的弯矩：,各支点截面的总恒载弯矩Mi为：,导梁完全处在悬臂状态，多跨连续梁可分解为下图所示的两种情况计算，然后叠加。,对弯矩无影响,第四章 第一节 结构恒载内力计算,等截面等跨径连续梁在端弯矩作用下支点弯矩系数,第四章 第一节 结构恒载内力计算,等截面等跨径连续梁在自重作用下支点弯矩系数,第四章 第一节 结构恒载内力计算,(5)顶推施工恒载内力计算例题,540m顶推连续梁，主梁荷载集度q自=10kN/m，导梁长度l导=0.6540=26m，=1kN/m（r=0.1），导梁与主梁的刚度比/EI=0.15，试计算该主梁的最大和最小的弯矩值。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,1、求主梁最大正弯矩值方法1：按式（2.4.1）近似公式计算,方法2：按图b计算 导梁自重简化为集中力和结点弯矩Md，故4#结点弯矩为：,第四章 第一节 结构恒载内力计算,查表得3#支点弯矩系数：,由式（2-4-3）得3#支点总弯矩:,由已知端弯矩M3、M4和均布荷载，可算出距4#结点0.4L处的弯矩值：,此值与近似公式的计算值较接近，并且按此方法可以求算全梁各个截面的内力值。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,2、求主梁最大负弯矩值（1）导梁接近前方支点计算图式：,（2）导梁中点支在3墩顶的计算图式：,先取基本结构，将悬出钢导梁化为集中力和结点弯矩，然后绘单位荷载及外荷载弯矩图。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,由于一跨存在刚度差异，故在求算力法中的常变位和载变位时应进行分段积分（或图乘法）再求和，本例的两个变位值分别为：,与有限元值1958kNm吻合。比较知按此图式算得的负弯矩值最大，截面距主梁前端约27m。,第四章 第一节 结构恒载内力计算,箱梁分析简介,箱梁截面受力特性箱梁截面变形的分解,总变形,挠曲变形正应力m，剪应力m,横向弯曲横向正应力c,扭转变形自由扭转剪应力k，约束扭转剪应力w，正应力w,畸变变形正应力dw，剪应力dw，横向正应力dt,变形及相应的应力,箱梁应力汇总,纵向正应力(Z)=M+W+dW 剪应力=M+K+W+dW横向正应力(S)=c+dt对于混凝土桥梁，恒载占大部分，活载比例较小，因此对称荷载引起的应力是计算的重点,第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,一、剪力滞概念,实际上，由于箱梁腹板的存在，剪应力在顶、底板上的分布是不均匀的，由于顶、底板均会发生剪切变形，剪应力在向远离腹板方向的传递过程中，会引起弯曲时远离腹板的顶、底板之纵向位移滞后于近腹板处的纵向位移，其弯曲正应力沿梁宽方向不均运分布，腹板处最大、远离腹板逐渐减小，这种现象称之为“剪力滞后现象”。,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,大小相等的剪应力；对腹板而言，阻止上缘 受压、减小跨中挠度；对于1号条带，相当于受 到偏心压力，内侧压应 力大于外侧压应力（剪 力传递、剪切变形）。,增加2号条带，同理。,以此类推，构成应力沿翼缘宽度不均匀分布。,剪力滞的危害,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,剪力滞系数,宽翼缘箱形截面梁（包括T形梁和I字形梁）存在剪力滞后现象，最大正应力值max一般大于按初等梁理论的平均值，于是引入剪滞系数。当1时，称之为正剪力滞；当1时，称之为负剪力滞。,研究剪力滞后的意义,进行结构截面设计时，对于剪力滞问题必须注意以下两点：采用翼缘有效宽度法计算出截面的最大(最小)正应力值，据此确定所需钢筋截面面积；有了准确的钢筋截面面积之后，布筋时不可平均分配，而应大体上按应力变化的规律进行分配，才能保证结构的安全。,研究方法的分类,剪力滞效应研究的国内外理论,剪力滞效应研究的国内外理论各种方法的比较,剪力滞效应研究的国内外理论,剪力滞效应的研究展望,二、有效宽度的实用计算法,1.原 理,实际设计按精确剪力滞计算公式或空间有限元来分析截面应力不方便；往往采用偏安全的实用计算方法翼缘有效宽度法，其步骤：按平面杆系结构理论计算箱梁截面内力（弯矩）用有效宽度折减系数将箱形截面翼缘宽度进行折减 按照折减后的截面尺寸进行配筋设计和应力计算。,有效分布宽度定义：按初等梁理论公式算得的应力与实际应力峰值接近相等的那个翼缘折算宽度，称做有效宽度。,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,2.规范规定,我国新公路桥规，对箱形截面梁在腹板两侧上、下翼缘的有效宽度bmi作如下规定：,(1)简支梁、连续梁各跨中部梁段，悬臂梁中间跨中部梁段,(2)简支梁支点，连续梁边、中支点，悬臂梁悬臂段,箱形截面翼缘有效宽度,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,简支梁和连续梁各跨中部梁段、悬臂梁中间跨中部梁段翼缘的有效宽度；,简支梁支点、连续梁边支点和中间支点、悬臂梁悬臂段翼缘的有效宽度；,取值：,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,(3)当梁高 时，翼缘有效宽度采用翼缘实际宽度。,(4)计算预加力引起混凝土应力时，由预加力作为轴向力产生的应力可按翼缘全宽计算；由预加力偏心引起的弯矩产生的应力可按翼缘有效宽度计算。,(5)对超静定结构进行内力分析时，箱形截面梁翼缘宽度可取全宽。,第四章 第二节 箱梁剪力滞效应及有效宽度,第三节 活载内力计算,非简支体系梁桥活载内力计算公式：,补充介绍非简支体系梁桥的荷载横向分布系数 和内力影响线竖标 的计算：,一、活载横向分布计算的等代简支梁法,非简支体系梁桥与简支梁桥存在着受力体系和结构构造上的差别；简支梁桥一般为等高开口截面（T形、I字形等）形式，而悬臂梁、连续梁桥除小跨径外，一般设计成变高度、抗扭刚度较大的箱形截面形式，它们的荷载横向分布问题更复杂。,第四章 第三节 活载内力计算,国内外学者探索了许多箱梁荷载横向分布近似分析方法，实践证明：等代简支梁法易为人们掌握且偏于安全，它只将其中某些参数进行修正后，就可以完全按照求简支梁荷载横向分布系数的方法来完成计算。,1.基本原理,(1)将箱梁假想从各室顶、底板中点切开，使之变为由n片T形梁（或I字形梁）组成的桥跨结构，然后应用修正偏压法公式计算其荷载横向分布系数m。,第四章 第三节 活载内力计算,(2)按照在同等集中荷载P=1作用下 跨中挠度W 相等的原理来反算抗弯惯矩换算系数Cw。即：W代=W连。,(3)同理：令实际梁与等代梁在集中扭矩T=1作用下扭转（自由扭转）角相等的条件来反求连续梁中跨的抗扭惯矩换算系数C，即：,第四章 第三节 活载内力计算,同理，连续梁边跨也是在其中点施加P=1和T=1分别来反算该跨的换算系数Cw和。,各跨换算系数求出后，代入修正偏心压力法公式。,修正偏心压力法公式：,修正抗扭修正系数：,第四章 第三节 活载内力计算,2.CW 的计算,(1)CW表达式,图d中跨等代梁在P作用下，跨中挠度W代为：,截面抗弯刚度为EIc的简支 梁跨中挠度为W简为：,两式比较，得：,非简支体系梁桥中某跨跨中挠度,具有与实际梁跨中截面抗弯惯矩Ic相同的等截面简支梁跨中挠度,第四章 第三节 活载内力计算,(2)悬臂体系悬臂跨的CW计算,悬臂梁桥有悬臂端，故等代简支梁的跨长应取悬臂跨长的两倍，且作用于跨中集中力P=2。变截面悬臂梁端部的挠度W非可用力学中的各种近似方法（图解解析法、纽玛克法等）或者平面杆系有限元法程序求解等代简支梁的跨中挠度W简可容易得出将W非和W简值代入式（4-3-3），便可确定出等代简支梁抗弯惯矩换算系数CW。,第四章 第三节 活载内力计算,(3)连续体系梁桥的CW计算,连续体系梁桥（连续梁桥、连续刚构桥），超静定结构、变截面，其W非只能利用平面杆系有限元法计算程序来完成，W简仍按式（4-3-1）求算，最后得出换算系数CW。,3.的求解,其中：,(1)表达式：,式（4-3-1）,第四章 第三节 活载内力计算,(2)悬臂体系悬臂跨的 计算,自由扭转时，悬臂梁支点截面无横向转动，锚跨对悬臂梁自由端扭转角 不产生影响；,全梁为等截面时，其抗扭惯矩换算系数；,变截面悬臂梁可用总和法近似计算。因结构与荷载对称，可取其半结构进行分析。,变截面悬臂梁额节段划分与内力图,第四章 第三节 活载内力计算,实际梁结构和等代简支梁结构，其支点反力扭矩均等于1，其扭矩内力分布图相同，等截面简支梁的跨中扭转角：,对于实际变截面结构，可据精度、将左半跨等分为m段，共有m+1个节点截面。,截面的抗扭惯矩ITi（i=0,1,2m），每个节段长度：,跨中扭转角：,悬臂梁抗扭惯矩换算系数：,第四章 第三节 活载内力计算,(3)连续梁桥的 计算,等截面简支梁的跨中扭转角：,由于截面连续，自A端至中点的扭转角 应等于自B端至中点的扭转角，即：,非对称边跨梁节段划分与内力图,第四章 第三节 活载内力计算,利用关系式：,第四章 第三节 活载内力计算,变截面桥跨的抗扭换算系数：,等截面：,边跨对称：,(4-3-6),第四章 第三节 活载内力计算,4.荷载增大系数,等代简支梁法是把箱形截面梁近似视作开口梁，经刚度等效和修正后，再应用修正偏压法公式和活载最不利横向布置，分别计算每根主梁的荷载横向分布系数mi；一般边主梁的荷载横向分布系数mmax最大；箱形截面是一个整体构造，将它分开为若干单片梁进行结构受力分析和截面配筋设计不合理、且较麻烦。为简化和偏安全取值起见，假定每片梁均达到了边梁的荷载横向分布系数mmax，引入荷载增大系数：,（式4-3-7）,第四章 第三节 活载内力计算,二、非简支体系梁桥的内力影响线,1.双悬臂梁桥,属静定结构，主梁（等高、变高）的内力影响线均呈线性变化。,跨中截面除存在正弯矩影响线区段外，还存在负弯矩影响线区段，直至两侧挂梁的最外支点C和D。,支点A存在负弯矩影响线区段，其受影响的范围仅局限在相邻的挂梁及悬臂段。,第四章 第三节 活载内力计算,支点A内、外（左、右）侧的剪力影响线的分布规律是截然不同的，其左侧的影响线亦仅限于相邻的挂梁和悬臂段。,支点A的反力影响线均受两侧悬臂及挂梁段的影响，但它们符号相反，影响线竖标值的大小也不同。,第四章 第三节 活载内力计算,2T形刚构,T形刚构的控制截面主要是悬臂根部截面。,与双悬臂梁的影响线相比的共同点：影响线均呈线性分布；每个T构受荷载影响的区段仅局限在两侧挂梁的外支点以内。,二者的差异：T构上无正弯矩影响线区段T构的墩身截面也受桥面荷载影响，其单侧影响线分布规律与T构根部截面相同。,第四章 第三节 活载内力计算,3连续梁桥,属超静定结构，各种内力影响线的基本特点是呈曲线分布的形式；计算公式比悬臂梁桥复杂得多，尤其当跨径不等且截面呈变高度时，手算十分困难，只能应用计算机方法求数值解；,等截面连续梁桥可直接从手册中查到欲算截面的内力影响线竖标值；,第四章 第三节 活载内力计算,不论等截面还是变截面，在跨径相同时，连续梁内力影响线的分布形式是相似的。用机动法，可很快得到各种内力影响线分布规律，据此考虑如何进行纵向布载，或用来判断计算机程序的结果有无差错。,第四章 第三节 活载内力计算,4连续刚构,连续刚构桥内力影响线要比连续梁桥更复杂，是因墩与梁固结、共同受力，用机动法很难准确得到影响线示意图，故只能借助计算机程序来完成。,其中有的影响线在同一跨内出现反号，这在相同跨径的连续梁桥中就不会出现。,第四章 第三节 活载内力计算,内力影响线按最不利纵向荷载位置布置车辆荷载在同号影响线区段内，求得各控制截面的最大或最小活载内力值根据桥规将恒载内力、活载内力以及其它附加次内力进行荷载组合，便得到全梁的内力包络图。,第四章 第三节 活载内力计算,第四节 预应力计算的等效荷载法,预应力计算,预应力筋的模拟根据作用可分为两类分离式:将混凝土和预应力筋的作用分别考虑，以荷载的形式取代预应力筋的作用，如等效荷载法整体式:将二者的作用一起考虑，典型的是ANSYS软件中用LINK单元模拟力筋的方法,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,第四节 预应力计算的等效荷载法,预应力计算,分离式方法主要优点是建模简单，对于结构在预应力作用下的整体效应可以较为快捷的掌握，但分离式方法不便模拟细部整体式方法是将混凝土和预应力筋分为不同的单元一起考虑，便于模拟细部，但缺点是建模不便，尤其是当预应力筋较多且曲线分布时,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,第四节 预应力计算的等效荷载法,一、预应力次内力的概念,超静定结构（连续梁、连续刚构）因各种强迫变形（预应力、徐变、收缩、温度、基础沉降等）而在多余约束处产生的附加内力，统称次内力或二次内力。简支梁在预加力作用下只产生自由挠曲变形和预应力偏心力矩（初预矩），不产生次力矩。连续梁在多余约束处产生垂直次反力，且产生次力矩，其总力矩为：,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,二、等效荷载法原理,1.基本假定,（1）预应力筋的摩阻损失忽略不计(或按平均分布计入)；（2）预应力筋贯穿构件的全长；（3）索曲线近似地视为按二次抛物线变化，且曲率平缓。,2.曲线预应力索的等效荷载,锚头倾角：、，锚头偏心距：eA、eB，索曲线在跨中的垂度为f。符号规定：索力的偏心距以向上为正，向下为负；荷载以向上者为正，反之为负。,索曲线表达式：,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,预应力筋对中心轴的偏心力矩M(x)为：,由材料力学知：,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,等效荷载沿全跨长的总荷载 恰与两端预加力的垂直向下分力 相平衡。,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,3.折线预应力索的等效荷载,简支梁剪力内力分布图恰与在梁的C截面处作用一个垂直向上的集中力P效的结果相吻合，故：,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,总结：预应力对结构的作用可以用一组自平衡的等效荷载代替。,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,三、等效荷载法的应用,按预应力索曲线的偏心距ei及预加力Ny绘制梁的初预矩:,此时不考虑支座对梁体的约束影响。,按布索形式分别确定等效荷载值,用力法或有限单元法程序求解连续梁在等效荷载作用下的截面内力，得出的弯矩值称总弯矩M总，它包含了初预矩M0在内；,求截面的次力矩：M次=M总M0,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,四、吻合束的概念,按实际荷载下的弯矩图线形作为束曲线形，便是吻合束线形，此时外荷载与预加力正好平衡。,外荷载被预应力完全平衡，故对梁不产生次内力，就没有下挠、上拱，徐变也小。,承受均布荷载q的两等跨连续梁左跨弯矩计算公式：,验证：,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,第四章 第四节 预应力计算的等效荷载法,第五节 混凝土徐变次内力计算的换算弹性模量法,一、徐变次内力的概念,1.名词定义,(1)徐变变形,弹性变形 在长期持续荷载作用下，混凝土棱柱体瞬时变形；,徐变变形 弹性变形以后，随时间t 增长而持续产生的那一部分变形量。,徐变变形,弹性变形,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,(2)徐变应变,徐变应变单位长度的徐变变形量。,(3)瞬时应变,瞬时应变单位长度初始加载时瞬间所产生的变形量，又称弹性应变。,(4)徐变系数,徐变系数自加载龄期起至某个t 时刻，徐变应变值与瞬时应变（弹性应变）值之比。,或,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,2.徐变次内力,徐变次内力超静定混凝土结构的徐变变形受到多余约束制约时，结构截面内产生的附加内力。,两条悬臂梁在完成瞬时变形后，端点均处于水平，悬臂根部弯矩均为；随着时间的增长，两悬臂梁端部将发生时间t而变化的下挠量 和转角；直到徐变变形终止，该梁的内力沿跨长方向不发生改变。,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,合龙以后接缝处仍产生随时间变化的下挠量，但转角始终为零，这意味着两侧悬臂梁相互约束着角位移；结合截面上弯矩从,而根部弯矩逐渐卸载，这就是内力重分布（应力重分布），直到徐变变形终止；徐变次内力 与根部弯矩绝对值之和仍为。,静定结构只产生徐变变形、不产生次内力；超静定结构产生随时间t变化的徐变次内力。,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,二、徐变系数表达式,1.徐变系数的三种理论,徐变系数与加载龄期和加载持续时间两个主要因素有关。加载龄期混凝土自养护之日起至加载日的时间间距，用 表示，i=0，1，2天；持续荷载时间自加载日起至所欲观察之日t的时间间距，即。,(1)老化理论,老化理论：不同加载龄期的混凝土徐变曲线在任意时刻，其徐变增长率相同。,任意加载龄期混凝土在t 时刻的徐变系数计算公式：,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,加载龄期为 的混凝土至 时刻的徐变系数；,加载龄期为 的混凝土至 时刻的徐变系数；,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,(2)先天理论,先天理论认为：不同龄期的混凝土徐变增长规律都是一样的。,任意加载龄期混凝土在t 时刻的徐变系数计算公式：,以 为原点的徐变基本曲线上，加载持续时间为 的徐变系数。,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,(3)混合理论,兼有上述两种理论特点的理论称混合理论，试验表明：老化理论比较符合早期加载情况，先天理论比较符合后期加载情况。,2.公路桥规关于徐变系数的表达式,名义徐变系数：,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,其中：,加载后徐变随时间发展的系数,其中：,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,我国公路桥规关于徐变系数的表达式,t0_加载时的混凝土龄期(d)；t_计算考虑时刻的混凝土龄期；(t,t0)_加载龄期为t0,计算考虑龄期为t时的砼徐变系数；RH_环境年平均相对湿度(%)；h_构件理论厚度(mm)；fcm_强度等级C20 C50混凝土在28d龄期时的平均立方体抗压强度(MPa)；fcu,k _龄期为28d,具有95保证率的砼立方体抗压强度 标准值（MPa）；,三、混凝土结构的徐变变形计算,1 基本假定,1）不考虑结构内配筋的影响；2）混凝土的弹性模量假定为常值；3）采用线性徐变理论。,2 静定结构在恒定荷载条件下的徐变变形计算,悬臂梁端部作用有恒定垂直力P和恒定弯矩M时的弹性（瞬时）挠度和端转角；加载龄期为，且持续到t 时刻的徐变挠度和徐变端转角。,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,有下列关系式：,按照结构力学中的虚功原理：,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,3 静定结构在随时间t变化的荷载作用下之徐变变形计算,先简支后连续,两跨简支基本结构，切口处初始恒载弯矩，基本结构上只有垂直恒载q和随时间变化的徐变赘余次力矩M(t)作用。,恒载q 弯矩图,单位力矩 弯矩图,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,狄辛格法：在时间增量dt内，切口两侧变形增量的协调方程：,巴曾法：在任意时刻t 时，切口两侧的变形协调方程：,式（4-5-6）在理论上是比较精确的，但当结构为高次超静定，且各梁段的徐变系数又不相同时，必须建立庞大的微分方程组，求解十分困难。,式（4-5-7）,式（4-5-7）中的第二项是代表在t时刻由恒载q在切口处产生的相对徐变角位移，而第一项是代表同一时刻由徐变次内力M(t)在切口处产生的总的相对角位移，它可表为：,式（4-5-6）,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,它将M(t)假想地视为不随时间t 变化的赘余力，通过老化系数 修正徐变系数 后，求得该次内力产生的总变形。但式中有两个未知量：M(t)和，不能求解。故可采取联立混合求解方法：应用式（）求解M(t)，再代入式（），得到关于 的一般表达式，解得这个未知量后，再求解线性代数方程组就不成问题了。,式（）的求解：,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,M(t)下切口处徐变变形：,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,4 换算弹性模量概念,为便于用结构力学中力法来求解超静定结构的徐变次内力问题，引入两个广义换算弹性模量：,(1)应用在不变荷载下徐变变形（载变位）计算的换算弹性模量,(2)应用在随t变化荷载下徐变变形（常变位）计算的换算弹性模量,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,则式（）成为：,四、超静定梁的徐变次内力计算,1.计算方法：,1）狄辛格方法；2）扩展狄辛格方法；3）换算弹性模量法；4）以上述理论为基础的有限元法等。,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,2 换算弹性模量法,1）原理 超静定结构所选取的基本结构，其被截开的截面或者被移去的多余支点（赘余约束）处，除了加上荷载产生的赘余力Xi外，还要施加随时间t变化的徐变赘余力Xit，然后根据变形协调条件：外荷载及赘余力（Xi和Xit）在赘余约束处产生的徐变变形之和应为零，可求得徐变次内力。,计算外荷载及赘余约束处初始内力Xi引起的徐变变形时，换算弹性模量取,计算由待定的、随时间t变化的徐变赘余力Xit引起的徐变变形时，换算弹性模量取,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,2）计算步骤 对于同一座连续梁，施工方法（一次现浇成桥、先简支后连续、悬臂浇筑等）不同，各节段加载龄期就不同，计算模式也不同，因此其徐变次内力也不相同。其一般计算步骤如下：,选取基本结构的计算图式；,按不同施工阶段计算恒载内力图；,在赘余联系处分别施加各单位赘余力，得到各 图；,根据已知条件分别计算各梁段的老化系数 和换算弹性模量、；,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,按换算弹性模量和图乘法计算所有恒定外力、徐变赘余力在赘余约束处产生的变位，即：,由变形协调条件，解力法方程组求各徐变次内力：,按解得的徐变次内力Xit分别计算各梁段的内力及变位。将各施工阶段的恒载内力和变形与第7步的计算结果迭加，便得整个结构总的受力和变形。,第四章 第五节 砼徐变次内力的换算弹性模量法,第六节 混凝土收缩次内力计算,混凝土结构的收缩并不是因外力产生，而是由结构材料本身的特性引起的。混凝土收缩应变也随时间变化，其增长速度受空气温度及湿度等条件的影响。收缩方向是三维的，但在结构分析中主要考虑它沿杆件方向的变形量。对于连续梁桥，一般只计算结构的收缩位移量，但对于墩梁固结的连续刚构体系桥梁，则必须考虑因收缩引起的结构次内力。,徐变与收缩对桥梁结构的影响（1）结构在受压区的徐变和收缩将引起变形的增加；（2）偏压柱由于徐变使弯矩增加，增大了初始偏心，降低其承载能力；（3）预应力混凝土构件中，收缩和徐变导致预应力损失；（4）结构构件表面，如为组合截面，收缩和徐变引起截面应力重分布；（5）超静定结构，引起内力重分布；（6）收缩使较厚构件的表面开裂。,徐变、收缩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。这种缓慢增加的变形称为混凝土的徐变变形。收缩在无荷载情况下，混凝土构件随时间缓慢变形，这种变形称为混凝土的收缩变形。,徐变与收缩的机理探讨（1）收缩机理 1）自发收缩：水泥水化作用（小）2）干燥收缩：内部吸附水蒸发(大)3）碳化收缩：水泥水化物与CO2反应（2）徐变机理 1）在应力和吸附水层润滑的作用下，水泥胶凝体的滑动或剪切产生的粘稠变形；2）应力作用下，由于吸附水的渗流或层间水转动引起的紧缩；3）水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性应变；4）局部发生微裂、结晶破坏及重新结晶与新的连结所产生的永久变形。,在1时刻卸去荷载，混凝土柱体除瞬时恢复弹性应变e外，还随时间恢复了一部分附加应变v（滞后弹性应变），残留而不可恢复的附加应变部分为屈服应变f。徐变应变c=v+f,混凝土构件，在时刻 的总应变 可分解为,加载时初始应变,在 时刻时的徐变应变,收缩应变,温度应变,由应力产生的应变,不由应力产生的应变,徐变与收缩的影响因素(1)混凝土的组成材料及配合比；(2)构件周围环境的温度、湿度、养护条件；(3)构件的截面面积；(4)混凝土的龄期；(5)应力的大小和性质。,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,材料性质,构件几何性质,制造养护,外部因素,1 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 应力大小 应力分布加荷速度,环境条件,加载历史,荷载性质,荷载条件,第六节 混凝土收缩次内力计算,一、混凝土收缩应变表达式,1.一般表达式:,第四章 第六节 混凝土收缩次内力计算,2.名义收缩系数:,3.收缩随时间发展的系数,计算时刻混凝土龄期,构件理论厚度（mm），A为截面面积，u为构件与大气接触的周边度；,第四章 第六节 混凝土收缩次内力计算,二、等效温降值计算法,按式（）求出结构中某段长度内的收缩应变量以后，便可将它换算为这段长度内的相对温降量：,材料温度膨胀系数,收缩应变,具体的计算可按年平均温差的工况和用手算或用电算程序来完成。,第四章 第六节 混凝土收缩次内力计算,第七节 基础沉降次内力计算,关于超静定连续梁因沉降产生的次内力计算，在结构力学中已有详细的叙述。,公路桥涵地基与基础设计规范规定的沉降量、：,墩台均匀总沉降（cm）值（不包括施工中的沉降）为：,第四章 第七节 基础沉降内力计算,相邻墩台均匀总沉降（cm）值（不包括施工中的沉降）为：,地基土沉降比混凝土徐变复杂土质类别、历史成因、所处位置不同、作用力大小不同。超静定结构会因不均匀沉降而产生支点反力重分布。如考虑与其它次内力的耦合作用，就更难求解。大跨连续梁恒重比例大，土基沉降量大部分在施工阶段完成，为简化分析，通常是按基规规定的相邻墩台的容许沉降差进行结构内力分析。更重要的是：不良地带的建桥，先要地基加固，或加大地基承压面，采用超长桩或增加桩基数量等措施，以尽量减小后期沉降量。,第四章 第七节 基础沉降内力计算,第八节 温度次内力和自应力计算,一、基本概念,1.温度梯度,温度梯度桥梁结构受到日照温度影响后，温度沿梁截面高度变化的形式。下图为各国桥梁规范对梁式结构沿梁高方向的温度梯度的规定，属于日照温差（局部温差）的表现形式。图g)所示的是反映气温随季度发生周期性变化时，在构件截面上假定为平均变化的年温差表现形式。这个形式在各国都是一致的，而只有取值上的差异。,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,第八节 温度次内力和自应力计算,一、基本概念,1.温度梯度,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,2 温度次内力,结构因受到自然环境温度的影响（升温或降温）将产生伸缩或弯曲变形，当这个变形受到多余约束时，便会在结构内产生附加内力，工程上称此附加内力为温度次内力。,1)年平均温差,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,悬臂梁和连续梁在年温差（温升）时，只产生纵向水平位移；而不产生次内力；连续刚构在同样条件下由于受固结桥墩的约束，故不但使主梁产生水平位移，而且使墩产生弯曲变形和支点反力，从而导致截面内产生次内力。,2)线性变化的温度梯度,静定的简支梁在线性温度梯度的影响下，结构只产生弯曲变形；超静定结构在温度影响下，由于存在中支座的多余约束，限制梁体变形，使中支座产生向下的垂直拉力，从而导致梁体内产生次内力。,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,3.温度自内力,温度自应力结构在非线性温度梯度影响下产生挠曲变形时，因梁要服从平截面假定，致使截面内各纤维层的变形不协调而互相约束，从而在整个截面内产生一组自相平衡的应力，称此应力为温度自应力。,分离、顶板变形,满足平截面假定,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,受非线性温度梯度的超静定结构，其总的温度应力将是温度自应力和温度次内力产生的次应力之和：,二、基本结构上温度自应力计算,沿梁高连续分布的任意曲线T(y)来代表截面上的温度梯度：取梁中一个单元进行分析，并假定全截面匀质、忽略钢筋影响，则当纵向纤维之间互不约束，各自作自由伸缩时，则沿梁各点的自由变形应变为：,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,实际梁截面的变形服从平截面假定，它的应变变化可表示为:,温度自应变为式(4.8.2)、(4.8.3)的应变差，即图中阴影部分，由纵向纤维间的约束产生:,任意纤维层的自应力:,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,自应力是自平衡状态的应力，可利用截面上应力合力的总和为零及对截面中和轴的力矩之和为零两个条件求得：,其中：,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,三、连续梁温度次应力计算,1.等截面连续梁的温度次内力,中支点切口处的赘余力矩为，其力法方程：,计算步骤如下：,按式（）计算两简支梁挠曲线曲率：,计算该两跨在各自端点切线之间夹角：,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,等截面基本结构中每跨梁两端的转角对称且相等，各等于：,相对转角方向与所设赘余力矩M1T的方向相反。,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,2.变截面连续梁的温度次内力,求解的方法有平面杆系有限元法，图解解析法和纽玛克法等。本节仅介绍图解解析法：,绘制 的分布图,绘曲率分布图,以曲率分布图为虚荷载 用总和法计算虚反力RB1和 RB2，虚反力便是中支点处梁端转角；按下式计算:,(1)的计算步骤,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,求解 与求 基本相似，只需应用式（）求全梁若干段截面的 值来取代图中的，所得到B支点的反力之和便是。,2)的计算步骤,三、连续梁内的总温度应力,当解力法方程求得赘余力矩 之后，便可得到全梁各个截面的温度次内力，再应用材料力学中的公式可以得到截面上由温度次内力产生的温度次应力为：,则连续梁总温度应力的一般表达式：,第四章 第八节 温度次内力和自应力计算,第九节 悬臂施工时挠度和预拱度计算,简支梁桥一般采用预制安装或有支架法施工，其计算图式就是成桥计算图式，计算简单；悬臂施工的T型刚构桥和连续体系梁桥：其受力状况较为复杂，对每个节段设置预拱度，使成桥以后的桥面标高符合设计要求等问题；,一、恒载作用下挠度计算和预拱度设置,悬臂法施工中的一期恒载主要包括结构自重和预施预应力两大部分。,1.有支架施工的悬臂梁,每个结点的预拱度 可用下式表示：,第四章 第九节 悬臂施工时挠度和预拱度计算,各结点在卸架后由恒载引起的总变形,节段自重 及预应力对 i 结点产生的弹性变形,第四章 第九节 悬臂施工时挠度和预拱度计算,2 悬臂拼装结构,由于恒载而设的预拱度 可表示：,悬臂结构逐段拼装时，后节段的恒载对先拼节段会产生弹性变形，而先拼的节段已完成了本身恒载的变形，不再对后续节段产生影响。,第四章 第九节 悬臂施工时挠度和预拱度计算,3 挂篮施工的悬浇结构,挂篮施工悬浇和悬臂拼装工艺的最大差别：,挂篮在施工过程中固定在先完成的节段上，挂篮自重使结构产生变形，挂篮拆除后，原来变形得到一定的恢复；挂篮伸出的悬臂，又因浇注混凝土时结构重量不断增加而使自身产生挠曲变形，导致永久性结构发生同样的变形，值得重视的是，在挂篮拆除后，这部分变形却不能恢复。,第四章 第九节 悬臂施工时挠度和预拱度计算,（1）现浇1号节段,现浇1号节段混凝土时，挂篮自重全落在墩顶的0号节段上。但在悬浇过程中，混凝土重量不断增加，使挂篮设的伸臂发生弹性变形，它使底模板前端的标高也发生同样变形。,类似变形将同样地会发生在以后各节段的施工中