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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于刚性横梁法的曲线梁桥横向分布的研究 姓名：张华兵 申请学位级别：硕士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：张海龙 20070601 I 摘摘 要要 随着我国现代化建设的迅速发展以及人民群众出行需求的不断增长，对于交通 运输，除了要求便捷快速外，对交通设施的视觉感官的要求也越来越高。我国在近 十几年修建了大量的高等级公路，建设了大量的各种桥梁。由于路网的不断完善和 发展，各道路之间的交叉也不断增加，相应也有很多的立交桥的出现。高等级公路 的设计要求中小桥的平面布置服从公路线形，因此曲线梁桥非常多，在公路及城市 道路的立体交叉工程中，曲线梁桥是实现各方向交通连接的必要手
2、段。因此曲线梁 桥是现代交通工程中的一种重要桥型。 由于曲线梁桥与直线梁桥的受力特点不同，所以曲线梁桥的设计不同于直线梁 桥，在分析方法上也存在较大的区别。本文以伏拉索夫薄壁结构弹性理论为基础， 介绍了曲线梁桥结构特性和受力特点。并对一次超静定的曲线梁桥进行了纵向和横 向分析，介绍了曲线梁桥的横向分布理论，根据刚性横梁法的计算原理得出了计算 曲线梁桥荷载横向分布的一般公式，并编制了相关的计算程序。对于同一算例，分 别用 ANSYS 仿真和程序计算的方法得出了各自的横向分布的计算结果， 对这些结果 进行比较分析，验证了程序的正确性和适用性。 最后以曲线梁桥的宽跨比、弯扭刚度比和圆心角等为计算参数
3、，列出了曲线梁 桥的荷载横向分布影响线的表格，进行了对比和分析，对类似的曲线梁桥的设计提 供了方便，具有积极的借鉴意义。 关键词：关键词：曲线梁；弯扭耦合；刚性横梁法；横向分布；影响线 II Abstract With the rapid development of Chinas modernization, the peoples demands of getting around are increasing. The people demand not only the traffic is convenient and rapid but also the visual appear
4、ance of traffic constructions getting better in recent ten years. Because of the constant improvement and development of the road network, the crosses between roads are also increasing, so there are many cross-bridges. The design of expressway requests that the layout of middling bridges and small b
5、ridges on expressway. For the crosses of highway and urban road, the curved bridges are necessary to connect the traffic directions. Therefore the curved bridges are important in modern traffic engineering. Because of the different mechanics characteristics between the curved bridges and the straigh
6、t bridges, so the design and the analysis methods of the curved bridges are different from the straight bridges. The study is based on the flexibility theory of the thin structures and the writer introduces the character of the curved beam bridges. Then the writer analyses the curved beam bridges wh
7、ose degree of redundancy is one and calculates the spring constant of the load lateral distribution. According to the rigid-crossbeam method, the writer calculates the formula that applies to the curved bridges and programs it. There are two different methods that can calculate transverse distributi
8、on, one is the program and the other is emulator. The writer comes to a conclusion that the program is usable after analyzing the result. Finally, the writer makes a chart of transverse distribution by defining the correlative constants. This article is well helpful to the design of the similar curv
9、ed beam bridges. Keywords: Curved beam; Bend-twist coupling; Rigid-crossbeam method; Transverse distribution; Influence lines 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版
10、权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密 ， 在 年解密后适用本授权书。 不保密 。 本论文属于 1 1 绪绪 论论 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 随着我国国民经济持续、快速的发展，交通运输和城市基础设施的建设日益受 到重视
11、。公路、铁路、城市道路和立交枢纽等各种工程建设正蓬勃发展，方兴未艾。 与此相应，在桥梁结构和各种现代结构工程中，已遇到大量不同形式的曲线形结构， 在工业发达国家的城市内，多层立交交通和高架道路上曲线桥梁的应用已经日益增 多。 在过去，由于计算方法和施工工艺的限制，公路和城市道路桥梁一般都做成直 线型。这在低等级公路上尚属可行，但在高等级的公路尤其是在城市道路上，不仅 给建设带来很大的困难和浪费，而且增加了运营里程，降低了经济效益。在今后的 工程建设中，各种定向线路结构会冲击城市的交通运输系统，如果从美观的角度上 来看，单纯的直线形结构造成视觉效果单调，容易使人疲劳，影响城市景观。从设 计角度上
12、来看，往往采用平面上避免长直线的设计原则，而且许多桥梁的设计遵循 “以直代弯”的理念，以满足道路平面曲线线形的要求。但当弯道半径较小或桥梁 路径较大时，则不能按此要求设计，而曲线梁桥此时就显示出无可替代的作用，建 造曲线梁桥的设想和构思也就被推上了议事日程。早在 60 年代初，国外一些发达国 家的桥梁专家和学者开始对曲线梁桥的计算理论进行研究并付诸于工程实践。此后， 曲线型桥的数量逐年增加。目前，在国外城市立交枢纽和高速公路上，曲线型桥的 数量已经屡见不鲜，近几年，曲线桥还被推广应用于铁路建设上。 总的来说，曲线梁桥的设计对我国广大桥梁工程人员来说还不是很成熟，许多 设计工作者对于曲线梁桥的基
13、本理论、受力特点、较为实用的计算方法、构造上的 处理以及施工上的一些要求还比较陌生。因此，在我国曲线梁的发展还有很大的空 间，人们对曲线梁的进一步研究具有现实的意义，曲线梁的推广对推动我国桥梁事 业的发展具有积极的意义 1 。 2 1.2 曲线梁桥的应用概况曲线梁桥的应用概况 在曲线梁桥的应用方面，据所掌握的文献记载，最初的曲线梁桥是德国 1914 年 建成的一座铁路钢桁架桥。随着钢筋混凝土、预应力混凝土结构的应用，上个世纪 70 年代以来，国外在城市立交和公路桥梁建设中修建了大量曲线梁桥，如 1974 年建 成的瑞士 Cailon 桥、1976 年建成的法国让纳维利埃桥、1982 年建成的加
14、拿大 Bow River 桥、1985 年建成的美国 Linn Love Viaduct 桥等。再如 1987 年建成的日本青森 大桥为三跨预应力混凝土连续梁桥，全长 496m，最大跨径达到 240m，而最小半径 只有 40m，施工方法也多种多样，现浇、悬臂浇注、悬臂拼装、顶推等直线桥的各 种施工方法在曲线梁桥的设计和施工中均得到了应用。 我国在曲线梁桥的研究和应用方面稍晚于国外，同国外相比还存在一定差距。 但是上个世纪 80 年代以来正迅速赶上。近 20 多年来，我国的交通事业有了迅速的 发展，开始大量修建曲线梁桥，曲线梁桥也从此在我国发展起来。特别是在广州、 北京、天津、大连、厦门、南京、
15、青岛、太原等许多城市都较早地修建了由曲线梁 桥组成的大型立交桥。其中天津市中山立交桥在满足交通功能要求的前提下，占地 面积小，造价低，造型优美，线条流畅，是我国城市立交桥中的杰作。90 年代之后， 发展更为迅速，设计和施工水平也得到了进一步的提高，典型的如北京四环路上的 立交桥群、上海南浦大桥引桥、深圳雅园立交桥等。如 1990 年建成的山西平顺县曲 线连续箱梁桥，主跨 28m+35m+28m，桥轴线半径为 90m，在国内首次成功地采用了 顶推法施工。在这些曲线梁桥中，矩形截面、条形截面、外高内低的左右不对称截 面都有。在平面布置方面，最小中心半径 25m，有单跨或多跨连续的，也有闭合圆 环式
16、的 2 。在材料方面，有普通钢筋混凝土的，也有预应力钢筋混凝土的。在施工 方法上，大部分采用支架上现浇拼装法，也有采用悬臂浇筑法、顶推法预制拼装的。 总之，从设计到施工，形式丰富多彩，显示了我国桥梁工作者可贵的创造与探索精 神。 3 1.3 曲线梁桥的特点及研究现状曲线梁桥的特点及研究现状 曲线梁桥的形状是多种多样的，但其基本形状可以分为以下三种： 图 1-1 曲线梁桥的基本平面形状 曲线梁桥的计算跨径采用桥梁中心线的弧长l，桥宽则取曲率中心方向的宽度 B。图 1-1 中，第一图为扇形，是曲线桥中类似直桥中正桥的一种形式，也是可以用 一般理论进行分析的基本形式；第二、三图类似直桥中的斜桥形式，其受力比较复 杂，分析也比较困难。 多跨连续梁曲线桥基本上均由上图中的三种基本形式组成，如图 1-2 示： 图 1-2 常用的连续曲线梁桥 曲线梁的截
