混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化-高桥.ppt
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1、混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,徐 栋 同济大学桥梁工程系 二一年六月,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,主 要 内 容,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法混凝土桥梁结构的剪切配筋新方法体外预应力技术及其应用连续刚构桥中的体内体外混合配束,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,面向配筋 适应规范的梁系本质 精细化 拆解梁体截面的剪应力超静定 整体分析 不针对局部效应 上下部结构分析与配筋设计的无缝化,面向配筋的精细化整体分析方法的特点:,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,面向配筋的精细化整体分析方法为梁系计算方法,规范具有鲜明的梁系本质,并在可预见的将来不会改变 梁系分析的设计
2、计算结果可以直接用于配筋 块单元分析由于混杂大量局部效应,尚不能直接用来配筋,故目前主要用于纯分析,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,用于配筋的指标内力(主轴向,绕x轴),常用的指标内力,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,对开口截面(剪应力静定),如矩形截面以及T型截面和I字型截面,在竖向剪力作用下剪应力分布特点是:仅在主轴(面内)存在剪应力;且沿厚度方向均匀分布。,开口截面腹板剪应力分布,开口断面的剪应力,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,一个问题:什么是梁?,平面分析方法无法将复杂的空间结构简化到一个平
3、面上去,所以其外部、内部均是超静定的,解决的方法是用各种系数或近似方法去简化。,梁系计算方法的分类,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,准空间分析方法可以将复杂的空间的结构在计算框架内建立计算模型(例如主梁采用单梁的“鱼骨”模型),但对于剪应力超静定的箱梁截面,其分析结果仍然是三个力、三个力矩的六种受力特征。,梁系计算方法的分类,当截面是剪应力超静定时,现行梁系设计计算方法的分析结果并不完整,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,梁系计算模型特点,3/6自由度单梁 不满足(无法拆解截面内部空间效应)7自由度单梁 基本
4、满足(欠缺板的面外弯曲效应,欠缺 剪力滞效应)对于箱梁结构经济的计算方法 平面梁格(特殊情况下为Hambly梁格)不满足(有剪 力滞,但无法拆解内部剪应力超静定)空间网格 满足,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,箱梁截面偏心受力效应示意图,箱梁截面应力图(7自由度单梁模型),混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,一个箱梁截面的Hambly平面梁格划分,一个箱梁截面的单层梁格划分,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,一个箱梁截面的空间网格划分,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方
5、法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,空间网格表达的钢混凝土叠合梁桥,全桥空间网格模型,截取一个节段,截面划分,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,原断面,传统叠合梁,板式构件分离,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,要点 1 面内受力和面外受力要点 2 每块板的三层应力,面外(反映局部荷载),面内(反映整体荷载),混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,箱梁结构应该关注的9个指标应力,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,一维应力与二维
6、应力的区别是:一维应力产生的裂缝是从截面边缘开始的,并不会贯穿板厚,剪应力照样可以传递;而二维应力产生的裂缝是全截面的,是贯穿板厚的,剪应力无法传递。空间网格模型可以得到表中所有需要关注的一维应力和二维应力为代表的指标应力。应该特别指出,这些指标应力与桥梁结构材料是无关的,即适用于所有材料,包括钢结构、叠合梁结构和混凝土结构以及其它形成板式受力构件的材料。,桥梁结构整体分析的最终目标是验证受力的安全性及配筋。所有一维应力下需要校核的应力特征在二维应力情况下同样需要校核,例如钢结构或许存在主应力方向上的疲劳。而对于混凝土结构,就要针对前述表中各项指标应力进行配筋。,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分
7、析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,面向配筋的精细化整体分析方法的分析模型,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,类型 1 多梁式桥梁,如铰接或刚接的简支T梁桥、空心板桥等 推荐模型:平面梁格,避免采用同一个横向分布系数 类型2 混凝土或钢弯箱梁桥、直箱梁桥 推荐模型:7自由度单梁,解开箱梁的内部剪应力超静定,面向配筋的精细化整体分析方法的分析模型,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,类型 3 多腹板的宽箱梁桥、宽(箱)梁为桥面的斜拉桥、拱桥和悬索桥 推荐模型:平面梁格,纵梁横梁一起计算,考虑了剪力滞效应
8、类型4 叠合截面桥梁(梁式桥、斜拉桥、拱桥等)推荐模型:混凝土桥面部分采用网格,以得到最关键的混凝土桥面面内剪应力,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,箱梁应力特征及配筋方法的适用性,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,对于剪应力超静定分布的箱梁截面,主要关注主轴面内受力的传统方法是将之等效为I字型截面梁来处理。,箱梁等效为工字梁,梁与薄膜(Membrane)的转化关系箱型截面,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋
9、设计的精细化,指标内力下箱梁截面的应力分布,箱梁截面在内力计算效应(六项内力)的作用下的实际应力分布如下:,梁与薄膜(Membrane)的转化关系箱型截面,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,对一个矩形截面梁,也可以通过如上图所示的转换关系从梁的受力分析转换为薄膜的应力分析,指标内力的分析结果是一样的:指向面内主应力。,梁与薄膜(Membrane)的关系,梁与薄膜(Membrane)的转化关系矩型截面,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,对于剪应力超静定分布的箱梁截面,主要关注主轴面内受力的传统方法是将之等效为I字
10、型截面梁来处理。,箱梁等效为工字梁,梁与薄膜(Membrane)的转化关系箱型截面,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,箱型截面的面内受力和面外受力,箱梁截面的受力下整体作用和局部效应,局部受力(横向弯曲),整体受力(弯剪效应),混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,箱梁截面“梁”+“薄膜”单元,箱梁截面可以分为“梁+薄膜”单元或“全薄膜”单元,梁与薄膜(Membrane)的转化关系箱型截面,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,箱梁截面“全薄膜”单元,箱梁截面可以分为“梁+薄膜
11、”单元或“全薄膜”单元,梁与薄膜(Membrane)的转化关系箱型截面,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,设计方法与规范的缺失 没有建立针对顶底板的配筋方法,?,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,1.设计计算方面的不足:没有解决内部超静定问题,即无法算清楚超静定剪力流的分布 结果:直线或曲线的箱梁桥的设计计算的困难;对结构性开裂原因分析不清楚。2.现行配筋方法的不足:仅针对梁,缺失针对“薄膜”(Membrane)的配筋方法 结果:忽略了箱梁顶底板的剪切配筋;箱梁顶底板、结合梁的桥面板配筋方法缺失,小节,混凝土桥
12、梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,从计算分析到配筋存在两个关键问题:分析方法需要面向配筋,即仍然适用梁系本质,同时需要解开所有断面的内部超静定和空间效应 面向配筋的精细化整体分析方法 需要克服混凝土构件剪扭配筋设计的症结 混凝土构件剪扭配筋的新方法,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,箱梁应力特征及配筋方法的适用性,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,返回,现行规范体系对于顶板和底板面内的薄膜(Membrane)的剪切配筋方法是缺失的,而针对腹板配筋的原苏联脱离体理论是有缺陷的。将
13、混凝土结构的配筋和计算连通的基础有两个:能够完整得到该表中的所有应力特征 能够建立针对所有应力特征的配筋方法,剪切配筋新方法的提出,混凝土桥梁结构面向配筋的整体分析方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,梁的设计状态,混凝土构件剪扭配筋新方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,梁设计状态的的不一致,梁的设计状态,混凝土构件剪扭配筋新方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,设计方法的矛盾之处:轴力、弯矩:满足平面假定,设计方法为针对“截面”的方法 剪力、扭矩:不满足平面假定,设计方法为针对“结构”的方法,当弯、剪、扭组合受力时,配筋理论难以协调,只能大量依赖试验结果,混凝土构件剪扭配
14、筋新方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土构件剪扭配筋新方法,混凝土和钢筋的联合抗剪机制是目前各国规范中各种抗剪配筋方法的差异所在,这反映在三个方面:混凝土的抗剪贡献以及贡献机制 抗剪钢筋的配置形式及贡献机制 抗剪钢筋的配置数量(数学模型),混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,梳齿状结构表示的抗剪受力机制,认为当箍筋屈服后,剪力完全由剪压区混凝土承担,即下半截脱离体或梳齿状结构中的“齿”均没有受剪作用。,脱离体模型的抗剪机制,混凝土构件剪扭配筋新方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,具有弯曲裂缝的钢筋混凝土梁的剪应力分布,脱离体模型的本质 开裂后弯曲剪应力不穿越弯曲裂缝,混
15、凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,混凝土构件剪扭配筋新方法,腹剪破坏模式,极限脱离体的弯剪破坏模式(斜截面抗弯存在吗?),混凝土构件剪扭配筋新方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,桁架模型以及美国ACI规范、欧洲规范,桁架模型的平衡,混凝土构件剪扭配筋新方法,混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化,开裂后主压应力翻倍:,开裂后纵向钢筋应力增加量:,开裂后主压应力与竖向箍筋应力:,现行的ACI规范采用45桁架模型作为抗剪配筋的理论基础,另外人为增加“混凝土抗剪贡献”来修正过于保守的45桁架模型。混凝土抗剪贡献为钢筋混凝土梁出现弯剪裂缝和腹剪裂缝时的较小剪力值。但没有考虑上下缘钢筋的抗剪应力
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