桥梁结构及计算培训讲作业.docx

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1、一、改进有限条法精度及弯桥分析有线条法是一种混合法，它具有正交异性板法和有限元法的优点。有限条单 元结构的组合单元是沿结构纵向分布的“条工条间纵向用接缝连接，由于正交 异性板的纵向结构和这种“条”式单元基本一致，故采用此法分析时十分有效。有限条法可以看作是有限元法在最小势能原理导出未知节点位移参数与外 荷载关系的位移表达式的一种特殊形式。选用条带节线中点的挠度（/）及X向 （横桥向）的转角（纵）作为位移函数。dx按照桥梁结构理论与计算方法（P32）为提高有限条法精度，可采用如下 方法：1 .增加节线上的自由度；2.在条内加入内节线。即采用高级有限条。亦可采用样条有限条，样条有限条法的优点是：便

2、于处理边界条件，中间支 承条件以及内横隔板约束条件等。通过对位移函数的修正，使之满足结构的各种 约束。参考样条有限条法分析弯箱梁桥空间内力（蔺锡九，吕建鸣，土木工程 学报，1989.11）,在用样条有限条分析弯桥时，采用截锥壳条，截锥壳条的位移 函数沿条的横向用插值多项式，纵向用三次B样条函数来表示，i, j节线的样条 节点均在a的等分线上。利用最小势能原理计算结构的内力时，所假设的位移函数满足位移边界条 件。秦荣结构力学的样条函数方法广西人民出版社1985二、加固后桥梁的分析加固后的桥梁分析，大体上分为：桥梁结构的整体分析和加固后的局局部析。 这里讨论加固后的桥梁上部结构的整体分析方法。因为

3、桥梁结构的结构类型不同，加固方式不同，故分析方法不同。（一）按照桥梁结构理论与计算方法（P482）,加固方法主要有：1 .增大截面及配筋加固当桥梁主要受力构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性缺乏时，通常采用增大 构件截面、增加配筋的加固方法。对上部结构，在桥面上加铺钢筋混凝土整体层，以增大主梁的有效高度及受 力主筋，改善桥梁荷载横向分布性能；在主梁受拉边缘或梁侧加大尺寸，增配主 筋，提高主梁的有效高度或抗弯刚度。2 .粘贴钢板（纤维布）加固当主梁出现承载能力缺乏或纵向主筋出现严重腐蚀情况时，主梁会出现严重 的横向裂缝。采用粘结剂将钢板（纤维布）粘贴锚固在混凝土结构的受拉边缘或 受拉薄弱部位，使其与

4、结构形成整体受力结构，以钢板（纤维布）代替增设的补 强钢筋，从而提高主梁的承载能力。3 .锚栓钢板加固在主梁受拉区段两端之间，通过胀拴将增加的受拉钢筋锚固为一个共同受力 的超静定结构体系，使新增的钢板参与梁体受力变形，从而提高主梁的承载能力。加固后主梁截面上相应的钢板拉应变与主梁受拉外缘应力不再协调。4 .体外预应力加固增加体外预应力可以抵消局部结构自重应力，起到卸载作用，从而改善旧桥 性能并可较大幅度的提高其极限承载力。加固后主梁截面上的预应力束筋的拉应变与主梁受拉外缘应力不再协调。5 .改变原有结构体系加固简支变连续；较接变固结，增设加劲钢梁形成组合梁（叠合梁），增加吊索 形成组合结构，增

5、设支承或桥墩增设横隔板、剪力撑以改变横向分布等。6 .其他方法加固如更换桥面铺装，等减少桥梁结构重力。（二）分析方法.粘贴加固1）基本假定对于钢筋混凝土构件，认为钢筋与混凝土牢固地粘结在一起共同工作，协调 变形。对于采用增大钢筋混凝土截面、粘贴钢板（纤维布）等方法加固后的桥梁主 要受力构件，可以认为新旧材料牢固的粘结在一起共同工作、协调变形，由新形 成的组合体承受后续恒载及活载作用，使轴向应变保持平截面变化规律，以简化 分析。2）本构关系混凝土：为简化分析，采用非线性分析；钢材：普通热轧钢筋及钢板材料假想成理想塑性材料；碳纤维布：高强度弹性材料，在正常使用条件下，处于完全弹性状态。3）受拉区混

6、凝土工作特性无资料时采用规范值4）梁单元离散层在每一梁单元中，按照构件截面的儿何形状及钢筋布置、加固材料组成及种 类，将钢筋混凝土构件离散成许多混凝土层、钢筋层、钢板层和纤维布层等。 5）外荷载分级作用对于加固构件应结合桥梁施工及加固过程，逐级增加外荷载进行结构应力状 态分析。假设在正常使用极限状态下进行荷载分级计算。6）小变形假设.锚栓钢板加固锚栓钢板加固后桥的整体截面不符合平截面假定，加固钢板的应力（应变） 是由一次超静定结构的赘余力Np确定的。但钢筋混凝土梁自身截面仍满足平截 面假定。1 .体外预应力加固以力学原理为基础来分析。三、橡胶支座的模拟作用在支座上的竖向力有结构自重的反力、活荷

7、载的支点反力及其影响力。 在计算汽车荷载支座反力时，应计入冲击影响力。正交直线桥梁的支座，一般仅需计入纵向水平力，斜弯桥的支座，还应考虑 由于汽车荷载的离心力或其他原因，如风力等所产生的横向水平力。橡胶支座对柱墩荷载内力计算的影响（黎群，广西交通科技，2003.5） 以一座单柱式钢筋混凝土空心板简支板桥为例,介绍考虑支座的影响与否,桥梁 柱墩荷载内力的两种计算方法,并将两种计算成果加以分析和比拟,从而说明桥 梁支座的重要性,刚性的桥墩台加设橡胶支座后，不但有利于水平力的传递,还能 吸收和阻滞温度等引起的墩台受力。（一）盆式橡胶支座盆式橡胶支座是钢构件与橡胶组合而成的桥梁支座，适用于支座承载力为

8、 1000kN以上的大跨径桥梁。连续梁桥的橡胶支座和墩柱的有限刚度，构成了桥梁上部结构的弹性支承， 对弹性支承刚度进行识别是桥梁结构长期监控的必要前提。（连续梁桥弹性支承识 别研究，易伟建，徐丽，郭国会，中国公路学报，2002.10）制动力往往使控制桥墩截面设计的主要依据。（使用盆式橡胶支座时桥梁空 间行为的研究周焕祖，刘自明，桥梁建设，1993.3）使用盆式橡胶支座时桥梁结构空间受力行为的一种分析方法。将活动支座模 拟为接触面单元。计算了茅岭江桥十种工况的制动力分配，计算结果与实测值较 为吻合，说明介绍的方法正确，分析结果合理，可以用于计算长跨连续梁桥的制 动力分配。将制动力以两种不同的方式

9、分别作用于钱塘江二桥计算模型，结果表 明t制动力集中作用时,：固定墩所受制动力占总制动力的36.3%,靠近固定墩的 活动墩约占11%,其余活动墩较小；制动力均匀分布于梁上时，各活动墩与固定 墩几乎均匀分担了制动力的作用，固定墩仅为14%活动墩最大者为ll%o故：列车在桥上紧急制动的位置是随机的，因此，各活动墩的设计均应按不 太活动的原那么考虑，而不应忽略摩阻作用。对于盆式橡胶支座，在有限元建模时我们可以按照弹性支承的接触面单元进 行考虑。（二）板式橡胶支座板式橡胶支座由数层薄橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合、压制而成。（采用板式橡胶支座的连续梁水平力分配计算，侯勇，桥梁建设，1997, 1）采用结构力

10、学常用的方法分析连续梁的水平力传递情况时。假设如下：（1）梁体除在温差变化及恒载、活载垂直力作用下发生伸缩外,在水平力作用 下不发生伸缩。（2）全桥由支座连接形成一个整体超静定结构。由于橡胶支座与支承垫石之 间一般都用环氧树脂粘结，不会发生相对滑动。支座顶面与梁体底面可能产生滑 动,但可先按不滑动情况计算，当计算出该墩支座顶面所分配之水平力大于或等 于其摩阻力时（摩阻力可按规范规定计算），梁体与橡胶板顶将发生相对滑动，此 时传至该墩台之水平力等于其摩阻力，而在整个连续梁水平力分配时，那么不计该 墩、基础及支座抗推刚度的影响，并将作用在梁上的总水平力减去该墩支座摩阻 力再进行分配。结果说明，这种

11、假设是基本合理的。在建筑物隔振用板式橡胶支座的有限元分析（袁立摘译）中，作者通过 双轴向拉伸试验采用应变能密度函数对胶料的物理性能进行模拟测试。以运用有 限元方法应变能密度函数计算出来的载荷变形关系与实验结果完全一致。压缩承载时的反作用力以同心圆的形状分布。随着压缩载荷的增大，在圆周 附近而不是在圆心处，产生最大压缩反作用力。压缩剪切承载时的压缩反作用 力集中在受外力作用的水平向上。拉伸反作用力的幅度随剪切变形的增大而增 大，但压缩反作用力小得多。橡胶层中的应力和应变分布情况是：压缩承载时的应变从橡胶层中心向边缘 逐渐变大，中心几乎不产生应变。在压缩剪切承载的情况下，在各橡胶层中部， 应变几乎

12、均匀O随着压缩载荷和剪切变形的增大，最大应变会按比例增大。本实验的某些阶段，为压缩载荷超过50MPa或剪切变形超200mm时，中间夹层 钢板所受到的应力必定超过普通钢的屈服应力。因此，很可能会出现局部屈服现 象。虽然中间夹层钢板在本分析中作为弹性体来处理，但在分析极高承载条件下 的支座行为时，应把钢板模拟为弹塑性材料。我们在有限元建模时，可参考盆式橡胶支座，把它当成弹塑性材料来分析。四、基础的模拟桥梁墩台是桥梁结构的重要组成局部，主要由墩台帽、墩台身和基础三局部 组成。桥梁工程P124在桥梁结构理论与计算方法（P49）中，将桥墩下端简化为弹簧支承。在桥梁结构连同地基的整体计算方法（张明武等，城

13、市涵桥与防洪， 2000.9）中，在整体计算解决地基的处理方法时利用边界元模拟弹性地基，取得 了较好的效果。边界元模拟法的基本思路：假定地基为半无限弹性体，用假设干个弹簧来代替 弹性地基的作用，当弹簧的一个端点六个自由度完全固定时这个弹簧就成为边界 元。按现行公路桥涵地基与基础设计规范中的加法，地基系数C与深度z成正 比例关系：C = mZ将桩身等分，每等分长为ZZ。在每个节点处设置一个水平的边界元。设Xz 为桩在深度Z处的水平位移，刚Z点桩侧土的应力为：a_=CX_=mZX_Z点处的水平力为： 二 b 二，/AZ = mZXzblAZ式中一一桩的计算宽度。当Xz=l时 Z点的力即为边界元的刚度（除两端点外）:K, = mZblAZ整体计算还要解决橡胶支座的问题。板式橡胶支座的抗压性能可以用一个连 杆来表示。对于直桥，板式橡胶支座的剪切作用可用一个等效的水平弹簧来代替。 这个水平弹簧的一端与从粱中伸出的刚臂相连，另一端与墩柱顶相连。在不同地基模型下梁式基础的统一计算方法（李晓峰，辽宁工程技术大 学学报，2002.4）中：半无限大弹性体、有限压缩层和温克勒三种地基模型均基 于“地基是线弹性变形体”的假设。据此，可按线弹性变形体模拟基础。五、本篇方法的应用1.