高速路兰坪尾分离式立交上部结构内力计算.docx
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高速路兰坪尾分离式立交上部结构内力计算
摘要
箱形截面梁是目前桥梁中广泛采用的一种截面形式,具有优良的结构受力性能,但其受力分析则较为复杂。
本文首先简述了现阶段箱梁桥发展;然后简述了空间梁格法的基本理论,采用空间梁格法对箱梁桥进行有限元分析;又着重探讨了影响梁格法分析精度的因素:
学习和使用桥梁博士对一座实际的混凝土连续箱梁桥进行了结构内力分析研究及安全验算。
对于复杂的变截面连续箱梁的应力分析,需通过桥梁博士对结构进行空间分析。
文中以宁德宁武高速公路工程A3合同段兰坪尾连续箱梁桥为研究对象,采用桥梁博士对桥梁进行分析以及安全验算,重点研究了采用空间梁格法分析箱梁结构内力,对连续箱梁桥截面尺寸、预应力钢束应力损失、配筋、强度、裂缝以及承载力极限状态和正常使用极限状态进行安全验算;本文提出的空间梁格划分的计算方法对连续箱梁桥的验算满足要求,为类似的箱梁桥空间分析提供了参考,具有工程实际意义,也为进一步完善箱梁桥结构分析程序奠定了基础。
关键字:
连续箱梁;空间梁格法;桥梁博士
Abstract
Theboxgirderisakindofsectionalformadoptedextensivelyinthebridgeatpresent,thereisfinestructurethatreceivesstrengthperformance,butitsloadedanalyzingcomparativelycomplicated.Thispaperoutlinesthedevelopmentstageboxgirderbridge;thenoutlinedthespacebridgegrillagemethodthanthebasictheory,theuseofspacegrillagemethodforfiniteelementanalysisofboxgirderbridge;Hasfocusedontheanalysisoftheaccuracyofsorghumcellfactors:
studyandusearealbridgeDr.concretecontinuousboxgirderbridgeanalysisoftheinternalforcecarriedoutandsafetychecking.
Forcomplexcontinuousboxgirderwithvariablecross-sectionstressanalysisofthestructuretobecarriedoutbyDr.Bridgesspatialanalysis.NingdeNingwupapertoA3highwayprojectcontractsectionoftheendofcontinuousboxgirderbridgesLanpingastheresearchobject,theuseofanalysisofthebridge,DrBridgeandsecuritychecking,focusontheuseofspatialanalysisgridboxbeamstructureoftheinternalforces,thecontinuouscasebridgesectionsize,stresslossofpriestessessteelbeam,reinforcement,strength,fracture,andnormaluseofcarryingcapacitylimitstatesafetylimitstatechecking;theproposeddivisionofspacegrillagemethodofcheckingtomeetthecontinuousboxgirderbridgerequirementsforspatialanalysissimilartotheboxgirderbridgeprovidesareference,practicalsignificanceinengineering,butalsofurtherimprovetheboxgirderbridgeanalysisprogrambasis.
Keywords:
Continuousboxgirder;Spacegrillageanalysismethod;Dr.bridge3.0
目录
1绪论1
1.1箱梁桥概况1
1.1.1箱形截面梁1
1.2空间梁格法2
1.2.1空间梁格法理论3
1.2.2建立梁格力学模型3
1.3影响箱梁梁格法分析精度的因素探讨4
1.3.1纵梁划分模式的影响5
1.3.2虚拟横梁间距的影响6
1.3.3对宽翼缘箱梁翼缘有效宽度的影响6
1.3.4虚拟纵梁的影响7
1.3.5剪切变形的影响7
1.4本文的研究内容和方法7
2斜弯桥在桥梁博士中设计计算8
2.1结构的离散8
2.2建立项目文件8
2.3总体信息输入9
2.4单元信息输入10
2.5钢束信息输入11
2.6施工信息输入13
2.7使用信息输入15
2.8输入数据检查20
3A3兰坪尾连续箱梁桥安全验算21
3.1A3兰坪尾连续箱梁桥概况21
3.2连续箱梁桥桥梁博士建模23
3.2.1autoCAD绘图24
3.2.2创建项目组25
3.2.3单元总体信息输入25
3.2.4单元信息输入26
3.2.5钢束信息输入31
3.2.6施工信息输入38
3.2.7使用信息输入42
3.2.8项目执行44
3.3连续箱梁桥计算输出45
3.3.1输出文本数据结果53
3.3.2输出图形数据结果58
结论59
参考文献60
1绪论
1.1箱梁桥概况
箱形截面梁由于其简洁的结构外形和良好的抗弯、抗扭性能,成为梁桥设计时常用的截面形式,特别是在中等跨径和大跨径预应力混凝土弯桥设计中,其截面基本上都是采用箱形结构。
70年代我国公路上开始修建连续箱梁桥,到目前为止已建成了多座连续箱梁桥,如一联长度1340m的钱塘江第二大桥(公路桥)、全长2070m的厦门大桥等[1]如图1-1,1-2所示。
箱形截面能适应各种使用条件,由于箱梁受力的复杂性,其研究方法亦多种多样,但概括起来,可分为两大类,即解析法和数值法。
图1-1钱塘江第二大桥图1-2厦门大桥
1.1.1箱形截面梁
箱形截面梁是一种闭1:
3薄壁结构,其长度远大于横截面尺寸,并且壁厚度又远小于截面宽度或高度。
因薄壁箱梁具有优良的结构及受力性能,与悬臂拼装和悬臂浇注的现代化施工相适应,所以在桥梁工程中得到了广泛的应用,其优点主要表现在:
(1)箱梁截面抗扭刚度较大,在施工和使用过程中均有良好的稳定性;
(2)顶板和底板都具有较大的混凝土面积,有效的抵抗正负弯矩,因而特别适应具有正负弯矩的连续结构;
(3)箱梁结构中部得到很大的挖空,因而自重小:
(4)承重结构和传力结构相结合,使各部件共同受力,截面使用效率高,适合预应力混凝土结构空间布置钢束。
如图1-3所示,箱梁在偏心荷载作用下的变形与位移,可分成四种基本状态:
纵向弯曲、横向弯曲、刚体扭转及扭转变形(即畸变)。
(a)箱梁在偏心荷载作用下变形与位移;(b)纵向挠曲;(c)横向挠曲
(d)刚体扭转;(e)扭转变形(畸变)
图1-3箱梁的四种基本状态
随着箱形截面桥梁跨度的日益增大,以及对薄壁结构研究的深入,箱梁截面扭转、畸变的影响越来越受到工程人员的重视。
不管是工程实践,还是理论研究都表明,箱形截面桥梁在偏心荷载作用下横截面受力的复杂性是不容忽视的。
在一些箱梁桥中经常看到某些横截面因较大的扭转畸变作用而产生明显变形,严重的影响了桥梁的正常使用性能。
1.2空间梁格法
梁格法是由莱特福(Liythgoot)和绍柯(Sawko)于六十年代首先提出,其实质是一种有限元法。
梁格分析法的主要思路,是用一个等效梁格来代替其上部结构,如图l-4。
实际箱梁桥与比拟梁格之间的等效关系,主要表现在梁格各构件的刚度上。
因此,等效梁格的物理意义就是假定把分散在箱梁桥上部结构每一部分的弯曲与扭转刚度集中到最临近的梁格内,即实际结构的纵向刚度集中到梁格纵向构件内,横向刚度则集中到梁格的横向构件内。
理想的梁格刚度应该是当箱梁桥上部结构与等效梁格承受相同荷载时,它们的挠曲相等,而且在每一梁格内的弯矩、扭矩、剪力均等于它所代表的那一部分上部结构的内力。
但是由于等效梁格与实际结构有着不同的受力特性,上述“等效”的理想状况是难以达到的,故这个模拟只能是近似的。
(a)实体结构(b)等效梁格
图1-4梁格分析法
对于多梁式结构,每一纵向梁格的刚度实际上就是一根纵向单梁的刚度,横向梁格的刚度就是横隔板的剐度,这在概念上比较容易理解。
但对于箱梁结构而言,梁格法中用纵梁与横梁组成的等效体系在理论上不能严格的模拟箱形梁上部结构的性能。
例如在实际箱梁结构中,内力与位移都是连续的,而用梁格法得到的结果并不能保证这一点。
但是,梁格法广泛应用于不同的结构,而且有相对节省计算和时间的优点,精度也能够满足设计要求,所以这种方法在分析箱梁结构过程中得到了广泛的应用。
1.2.1空间梁格法理论
箱型断面可以看成是几个顶底板相连的工字型断面的组合,当桥面很宽或不规则时,或因为车道的分叉等导致不规则加载时,会使各个工字梁的内力产生差异,此时为了得到各梁较为准确的内力,可以用很多纵向单元来模拟工字梁,同时加入一些横向单元来模拟各工字梁之间的横向连接,有时为了加载的方便还会引入一些虚拟单元,从而形成一个平面网格如此用一系列相互交叉的单元组成的平面网格。
结构来进行箱梁的受力分析,即梁格法。
梁格法的最基本原则是:
在相同荷载作用下,梁格模型和它所模拟的箱梁具有相同的变形,并且每个梁格单元的内力就是它所代表的那部分梁体应力的积分。
因而在运用梁格法时,关键问题是如何划分梁格单元,各单元截面特性的计算、加载,以及对分析结果的正确运用。
单元的划分应考虑力在原箱梁内的传递方向,以及原箱梁的变形特征,同时要考虑加载的方便,还应明确结构分析的目的。
为了得到每条腹板各个截面的设计弯矩和设计剪力,在每条腹板处设置纵向单元,为了加载的方便,在悬臂端部设置虚拟的纵向单元。
箱梁在纵向弯曲时应符合平截面假定,而箱梁的纵向弯曲由各纵向单元的弯曲来模拟,因而各纵向单元顶底板的纵向划分位置应使得各单元截面的中性轴在同一水平面,并和原箱梁整体截面的中性轴在同一位置。
横向单元和纵向单元垂直,一般在跨中,1/4跨,1/8跨,支座处,横隔梁处设置横向单元。
横向单元的间距直接决定了荷载在纵向单元之间的传递,间距过大会使相邻纵向单元间的力产生很大的跳跃;间距太密又会大大增加工作量,也毫无必要,一般可遵循以下原则:
最大间距不能超过相邻两个反弯点间距的1/4,在支点的附近应适当加密。
1.2.2建立梁格力学模型
(1)梁格模型节点的平面坐标
各截面处各“工”型的形心的平面坐标,或者说是水平形心主轴与各腹板中线交点的平面坐标,就是梁格纵向主梁节点的平面坐标。
这样一来,实际上等宽度的桥梁,由于它的腹板在中墩附近向箱内加厚,对应的梁格模型,就不会是等宽度的了,在中墩附近变窄。
(2)梁格模型的形心
在梁格模型里,纵向主梁单元是沿着它的形心走的。
变高度梁的形心也是变高度的。
即使是等高度梁,由于底板加厚、考虑翼板有效宽度,形心高度也有变化,这两种情况下的形心位置,都是跨间高、墩台附近低,像拱一样。
所以梁格模型不应当是平面的。
对于刚构体系的梁桥,如果能建立变高度的梁格模型,“拱”的效应就可以计算出来。
对于连续梁,采用平面梁格应当足够了。
(3)梁格力学模型支点截面位置
既然在梁格模型的纵向主梁单元是沿着它的形心走的,那么在支点截面,形心是在支点上方一定高度,梁格模型不应当直接摆放在支点,而应当通过竖向刚臂与支点联系,像个有腿的长条板凳一样。
板凳腿的高度还值得讨论。
按照经典的弹性薄壁杆理论,弯曲变形是绕着形心发生的,扭转变形是绕着剪力中心发生的。
所以,在计算弯曲效应时,板凳腿取形心高度,在计算扭转效应时,板凳腿取剪力中心高度。
但弯曲和扭转是同时发生的,板凳腿有两种高度,会不会把变形“卡死”?
不会,因为在这里我们只是做了个数字游戏,并没有在同一位置上安装一长一短两个刚臂。
(4)计算车辆荷载效应及内力组合
这项计算取决于所用的软件能否计算梁格模型的内力影响面,和对影响面动态布载。
如果没有这功能麻烦就大了,只能对确定的荷载爬移事故,它们在设计时用的软件,不可谓不高级,但共同特点是都不能输出扭矩包络图,它们的中墩偏心设置,全是盲目的。
进行复核性计算了。
顺便说明,与影响面方法对应的,还有一种叫做内力横向分配理论的方法,从理论上说,两种方法的结果,都覆盖了曲线梁桥所有部位的最大最小内力,数值虽然有差别,都是安全的。
影响面方法更精确一些,但缺点是它不能计算全桥扭矩包络图,而内力横向分配方法可以。
扭矩包络图对曲线梁桥设计计算非常重要。
许多曲线梁桥发生支座脱空、侧翻、爬移事故,它们在设计时用的软件,不可谓不高级,但共同特点是都不能输出扭矩包络图,它们的中墩偏心设置,全是盲目的
1.3影响箱梁梁格法分析精度的因素探讨
梁格单元划分的疏密程度,直接关系到结构原型与比拟梁格之间的等效程度和计算精度。
从理论上讲,网格划分的越细,也就越能代表真实结构。
但网络划分的越细,在实际工程中具体应用时也就越麻烦,耗费机时就越多,实际应用也就越不方便。
所以有必要找一种既能反映结构的受力特性,又运用方便的网络划分方法。
因此,找出影响其分析精度的因素是有必要的。
1.3.1纵梁划分模式的影响
在梁格分析法中,纵梁的划分是关键。
纵梁划分方法的不同,对计算结果的可信度及精度有较大影响。
对于T形梁桥,其梁格模型中纵向主梁的个数,应当是腹板的个数;对于实心板梁,纵向主梁的个数可按计算者意愿决定;对于箱形梁桥,由于箱梁桥上部结构的形状和支座布置的多样性,对纵向网格的划分很难提出一个通用的划分方法。
一般来说,用梁格法模拟箱梁结构时,假定梁格网格在上部结构弯曲的主轴平面内,纵向构件的位置均与纵向腹板相重合,这种布置可使腹板剪力直接由横截面上同一点的梁格剪力来表示,如图1-5所示;
图1-5箱梁结构的模拟梁格
箱梁从什么地方划开,使其成为若干个纵向主梁,汉勃利提出了一个原则:
应当使划分以后的各工型的形心大致在同一高度上,也就是要满足;梁格的纵向构件应与原结构梁肋(或腹板)的中心线相重合,通常沿弧向和径向设置;纵向和横向构件的间距必须相近,使荷载的静力分布较为灵敏。
这样划分主要是考虑使得格梁和设计时的受力线或中心线重合,也就是要根据原结构的受力来划分网格。
按照上述的划分原则,以一个单箱单室的箱梁上部结构为例,截面尺寸见图1-6,把其从两腹板间中央切开成“工字型”梁,图1-6给出了箱梁截面的梁格划分图式,所划分的梁格网格是具有与腹板中心线相重合的两根“结构的”纵向构件1,2,很显然,这样的划分方式使得两个纵向构件的中性轴位于同一直线上,并且恰好与整体箱梁截面的中性轴重合,便可以在计算梁格刚度时简化计算,每一“工字梁”的惯性矩是上部结构总惯性矩的1/2,其梁格性质见表1。
图1-6箱形截面梁格划分示意图
表1纵向梁格的梁格性质
构件
截面面积/㎡
抗弯惯矩/m4
抗扭惯矩/m4
剪切面积/m4
1
3.8318
1.5146
0.6135
0.858
2
3.8318
1.5146
0.6135
0.858
1.3.2虚拟横梁间距的影响
在梁格分析法中,纵梁与纵梁的分离必然需要通过在纵梁间的虚拟横梁来使得各纵梁共同承担外力荷载。
若全桥顺桥向划分M个梁段,则共有M+1个横截面,每个横截面位置就是横向梁单元的位置。
支点应当位于某个横截面下面,也就是在某个横梁下面,每一道横梁都被纵向主梁和支点分割成数目不等的单元。
纵桥向梁格网格的划分,每跨至少划分成4段~6段,其中在截面变化处、边界条件变化处、横隔梁处、关键截面(如跨中、四分点)等一般需要划分,通常每跨分成8段或更多,即可保证有足够的精度。
研究证实,对于跨径20m的情况,纵桥向划分6个~8个单元即可满足精度要求,若再细分网格将会产生工作量增大而计算结果的精度改善却不明显的情形。
连续弯箱梁桥的中间支座附近因内力变化较剧烈,故一般应加密网格。
1.3.3对宽翼缘箱梁翼缘有效宽度的影响
箱梁截面梁为闭合截面梁,它与开口截面梁在弯曲正应力的分析上没有什么不同,弯曲正应力的分布仍按照平面假设,即截面上某一高度处的应力大小和该处距中性轴的距离成正比。
但需要指出的是,如同开口截面一样,箱形梁顶板或底板中的正应力,也是通过顶(底)板和腹板处正应力的受剪面而传递的,顶底板的正应力沿板宽的分布是不均匀的,靠近腹板正应力较大,离腹板较远处正应力有所减小。
这种由于剪力影响而使正应力分布不均匀的现象称为“剪力滞效应”。
这在具有较薄顶底板的宽箱梁中影响较为显著,且越接近梁的支点时由于剪力越大而影响显著。
因此,当箱梁翼缘较宽或悬臂板较大时,应考虑箱形梁翼缘正应力有效分布宽度对梁格截面特性的影响。
我国JTGD6222004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(以下简称《公桥规》)第4.2.3条规定了箱形截面梁在腹板两侧上、下翼缘的有效宽度的计算方法,这里不再赘述。
考虑有效宽度主要是使用于预应力箱形梁的剪滞效应分析,即考虑上下板的有效宽度(受压区)后,对截面惯性矩进行相应的调整如,最后进行应力计算。
对内力计算没有影响。
图1-7箱形截面中虚梁设置图
1.3.4虚拟纵梁的影响
为了计算方便,对于箱形截面常在悬臂的边缘增加两根纵梁,如图1-7所示。
这样在计算机仿真时便可以绘制出悬臂部分的影响面,在利用影响面计算活载效应时便可以方便的多。
同样,对于腹板间距较大的箱梁,为了提高活荷载计算结果的精确度,一般需要在两腹板所代表的纵梁之间增加一根或几根纵梁,以使得影响面在两腹板之间位置处的数值更加精确。
这些纵梁称之为虚拟梁,主要是考虑它截面刚度的取值与其他纵梁截面刚度取值的不同[3-7],且计算过程中不计入虚拟构件的自重作用。
因此,虚拟纵梁构件模式的不同划分,也会影响梁格计算精度。
1.3.5剪切变形的影响
梁格法中,对于高跨比较大的梁来说,剪应力引起的剪切变形对构件的扭转作用较大,从而对横向刚度的取值就有着较大影响,但是对浅梁,剪应力引起的剪切变形比较小,可以忽略。
1.4本文的研究内容和方法
本文综述了梁格分析理论及梁单元有限元法分析原理,结合宁武高速公路连续箱梁桥静载试验,借助桥梁博士分析软件的强大功能,对结构的活载作用效应进行计算机仿真,据此基础重点研究了:
(1)影响梁格法分析精度的因素;
(2)学习和使用桥梁博士;
(3)利用空间梁格有法,采用桥梁博士对连续箱梁配筋、强度、裂缝以及正常使用极限状态和承载力极限状态进行安全验算
2斜弯桥在桥梁博士中设计计算
利用本系统进行设计计算一般需要经过:
离散结构划分单元,施工分析,荷载分析,建立工程项目,输入总体信息、单元信息、钢束信息、施工阶段信息、使用阶段信息以及输入优化阶段信息(索结构),进行项目计算,输出计算结果等几个步骤。
2.1结构的离散
对于斜弯桥,结构的离散的原理和方法与直线桥结构离散的原理和方法基本一致。
纵向每跨以至少八个单元为宜。
横梁一般以实际的大横梁为主,无横梁处宜采用上下底板替代,上下底板合成的断面宜采用将板厚相加的矩形断面,因为横向传力时,上下板的挠曲变形相对独立,难以形成共同受力的截面特征(即各自绕自己的中性轴转动,但也有部分共同作用的特征,因此采用合成的矩形断面妥协处理)。
2.2建立项目文件
(1)用户通过“文件”下拉式菜单,选择“新建项目组”或“打开项目组”(如图2-1所示);
图2-1下拉菜单对话框
(2)通过“项目”下拉式菜单选择“创建项目”,或者在项目组管理窗口,通过右键来点击“创建项目”所示的“创建项目”窗口。
图2-2创建项目菜单对话框
图2-3创建项目对话框
(3)输入项目名称、通过点击“浏览”来选择存储路径,在下拉条中选择项目类型。
(4)创建项目后,程序出现了如图2-4所示的界面。
现在用户就可以根据事先的准备,输入数据了。
在一个项目组中,创建一个新项目,或通过双击打开一个既有项目,程序均会出现如图2-4所示的数据文档窗口,在此窗口输入或查看所有的计算原始数据。
2.3总体信息输入
在建立好项目之后,选择数据栏下的输入项目原始数据项,系统将打开如图2-4所示的窗口,在此窗口中输入项目总体信息。
图2-4数据文档窗口-总体信息
(1)计算类别
①只计算内力位移:
系统只给出结构的内力和位移结果,不计算应力。
②估算结构钢筋面积:
系统将对结构进行截面配筋,不计算应力。
③全桥结构安全验算:
系统将对结构进行截面验算,计算应力。
(2)计算内容:
①是否计算预应力、收缩、徐变、活载信息。
②是否进行组合。
③计算类别是只计算内力位移时,应设定是否对结构的内力和位移进行荷载组合。
(3)桥梁环境
①湿度:
桥梁所处环境的湿度,在混凝土的收缩变形与徐变计算中需要该信息,从列表框中选择。
对《公桥规》2004,一般填0.8。
②环境有强烈腐蚀性:
在验算抗裂性时需要该信息;
(4)附加信息:
计算附加控制信息,与直线桥计算相似。
其中加载步长意义如下:
①纵向加载步长(米):
如果输入0值,系统在计算活荷载时,纵向加载步长取用0.1m;否则取用输入的数值。
一般取用正常跨径的1/50精度即可得到保证。
②横向加载步长(米):
如果输入0值,系统在计算活荷载时,横向加载步长取用0.02m,否则取用输入的数值。
一般取用桥梁宽度的1/100精度即可得到保证。
(5)结构配筋计算信息:
系统将打开一个截面配筋一般信息对话框,在这个对话框中设定配筋的控制信息。
仅在结构配筋时该项才有效。
2.4单元信息输入
单元信息是对结构离散后各个单元的几何物理特性的描述。
在输入完项目总体信息后,选择数据菜单中的输入单元信息命令,也可以在输入区单击鼠标右键,然后在弹出的右菜单中选择输入单元信息命令,便可出现输入单元信息的对话框,如图2-5所示。
图2-5数据文档窗口-单元信息
2.5钢束信息输入
要输入预应力钢束信息,可以选择数据栏下的输入预应力信息这一项,或在数据输入区单击鼠标右键,在弹出的菜单中进行选择,弹出现如图2-6所示的窗口。
图2-6数据文档窗口-钢束输入
对于斜弯桥,其预应力钢筋信息的输入方法与直线桥的预应力信息输入基本一致。
不同之处是:
(1)钢束几何描述之Z:
钢束局部坐标系原点在结构总体坐标系中的Z坐标(即立面上的竖坐标)。
(2)钢束几何描述之竖角:
钢束所在竖弯平面与总体坐标中的竖平面的夹角。
向左侧(钢束起点到终点方向)倾斜为正,向右侧倾斜为负。
角度范围-90度到90度。
这里的“总体坐标中的竖平面”是指通过单元的左右节点与水平面
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