三悬臂、连续体系梁桥计算.ppt
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1、桥 梁 工 程,Bridge Engineering,主讲:赵 华,湖南大学本科教学讲义,课时:32学时考核:闭卷考试,第二篇 混凝土梁桥和刚架桥,湖南大学土木工程学院桥梁教研室,第四章 混凝土悬臂、连续体系 梁桥计算B,4.4 预应力计算的等效荷载法,4.4.1 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:,初预矩,预应力引起的挠曲变形和次内
2、力,次力矩(力法或等效荷载法),(4.4.1),简支梁压力线与预应力筋位置重合连续梁压力线与预应力筋位置相差:,压力线,4.4.2 等效荷载法原理,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。,1.基本假定,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:,(4.4.2),预应力筋对中心轴的偏心力矩M(x)为,由材料力学知:,(4.4.3),(4.4.4),索曲线倾角的改变量,等效
3、荷载(向上为正),(4.4.5),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。,曲线索等效荷载,3.折线预应力索的等效荷载,折线索的索力线方程:,(4.4.5),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:,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,等效荷载法的应用,(1)计算步骤,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。,求截面的次力矩:M次=M总M0,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;,按
4、布索形式分别确定等效荷载值,(2)示例,初预矩图,两等跨等截面连续梁,索曲线的布置如下,各段索曲线的偏心距e(x)方程列出如下表,端部预加力Ny=1158kN,求中支点B截面的总弯矩M总和次力矩M次。,半结构索曲线方程,绘制预加力的初预矩图,即:,结构、预加力对称于中支点B截面,取半结构分析,视B截面为固定端。计算步骤如下:,计算预加力的等效荷载 a-d段的端转角:,a-d段的等效荷载:,d-b段的端转角:,d-b段的等效荷载:,(向下),(向上),B支点总预矩M总计算,B支点的总弯矩为:,B支点次力矩M次,计算图式见图,可分解为两种简单工况,然后应用手册中给出的公式计算;注意:手册中,q是以
5、向下为正,向上为负。,B,B,线性转换只要保持束筋在超静定梁中的两端位置不变,保持束筋在跨内的形状不变,而只改变束筋在中间支点上的偏心距,则梁内的混凝土压力线不变,总预矩不变。,预应力束在中支点上调整偏心距e后,支点B所增加(或减少)的初预矩值,与预加力次力矩的变化值相等,而且两者图形都是线性分布,因此正好抵消。,4.4.4 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。,承受均布荷载q的两等跨连续梁左跨弯矩计算公式:,验证:,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。,吻合束-超静定结构中,次内力为零的预应力束!
6、,扩展-用力法解预加力次力矩(直线索为例),力法方程,变位系数,赘余力,总预矩,压力线位置,预应力计算的等效荷载法作业:,试求如上图所示的两跨连续梁,截面等宽,假定为矩形截面,截面高度变化如图所示,假定截面抗弯刚度和高度的立方成正比。预应力筋布置及索曲线方程如书P142例题2-4-4(索曲线方程以图中黑点划线为坐标建立,截面形心轴为图中红色虚线),求(1)预应力钢筋的等效荷载图示;(2)预应力引起的中支点B截面的总弯矩及次力矩。,4.5 混凝土徐变次内力计算的换算弹性模量法,4.5.1 徐变次内力的概念,1 名词,(1)徐变变形,弹性变形 在长期持续荷载作用下,混凝土棱柱体继瞬时变形;,徐变变
7、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,(2)徐变应变,徐变应变单位长度的徐变变形量。,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,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,徐变应变 与混凝土应力 呈线性关系,称为线性徐变理论。,徐变变形量,棱柱体长度,(3)瞬时应变,弹性变形量,棱柱体长度,(4)徐变系数,徐变应变,与t 有关,弹性应变、恒定值,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
8、部弯矩均为;随着时间的增长,两悬臂梁端部将发生随 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。,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。,4.5.2 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=
9、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。,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:,加载龄期为 的混凝土至 时刻的徐变系数;,(1)老化理论,(4.5.1),加载龄期为 的混凝土至 时刻的徐变系数;,(1)先天理论,先天理论认:不同龄期的混凝土徐变(徐变曲线)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。,(4.5.2),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
10、比较符合后期加载情况。,(2)混合理论,早期加载,后期加载,2 公路桥规关于徐变系数的表达式,(4.5.3),名义徐变系数:,其中:,加载后徐变随时间发展的系数,其中:,加载龄期(d);,计算时刻混凝土龄期;,RH环境年平均相对湿度();,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 长度;,28d龄期混凝土的平均立方体抗 压强度(MPa);,龄期28d混凝土立方体抗压强度标 准值(MPa);,4.5.3 混凝土结构的徐变变形计算,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。,1 基本假定,2 静定结构在恒定荷载条件下的徐变变形计算,悬臂
11、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。,载变位,有下列关系式:,单位力P=1时其作用方向上的位移,单位力矩M=1时,作用方向上的转角,按照结构力学中的虚功原理:,(4.5.4),(4.5.5),载变位,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,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。,单位力矩 弯矩图,恒载q 弯矩图,常变位,微分方程式,单位力矩 弯矩图,恒载q 弯矩图,狄辛格法:在时间增量 内,切口两侧变形增量的协调方程:,(4
12、.5.6),切口处由单位力矩 引起截面两侧相对弹性角位移,时间增量dt内的徐变系数增量,切口处由恒载q引起截面两侧相对弹性角位移,M(t)作用下徐变变形,dM(t)引起的弹性变形,恒载作用下徐变变形,巴曾法:在任意时刻t 时,切口两侧的变形协调方程:,老化系数,又称时效系数,它是考虑结构次内力的徐变因混凝土的老化而逐渐衰减的一个 折减系数,其值小于1。,代数方程式,(4.5.7),式()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()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
13、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:,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。,(4.5.6),(4.5.6),式()的求解:,令:,(4.5.8),(4.5.7),M(t)下切口处徐变变形:,4 换算弹性模量概念,(4.5.7),1)应用在不变荷载(恒载)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
14、徐变变形(常变位)计算的换算弹性模量,则式()成为:,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:,(4.5.7),(4.5.9),(4.5.10),(4.5.11),结构力学公式,4.5.4 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。,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,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
15、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。,2 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,各节段的 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:,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、;,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:,选取基本结构的计算图式;,按不同
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