《对桥梁结构一些经典概念的探讨(阅)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对桥梁结构一些经典概念的探讨(阅)（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、对桥梁 构造某些“典型概念”的探讨对桥梁构造某些“典型概念”的探讨文/徐栋6 R&% A% 作者的话: 非常感谢桥梁杂志的约稿，我所理解“重点实验室”栏目中的“实验”是广义的，并不仅仅指真材实料的实验,也可以涉及新理论,甚至新设想的实验性研究成果,或是研究过程中的探讨。笔者近年来对混凝土桥梁构造的分析和配筋理论等方面做了某些较为进一步的研究,借此机会分享某些研究成果，也将某些思考、困惑及感爱好的问题拿出与业界同仁探讨。由于笔者水平有限，如有条理不清、错误甚至是谬误的地方请人们不吝指正。综合现状通过近三十年的大规模建设,国内的桥梁工程师已经具有丰富的设计经验和较高的知识水平。复杂桥梁或复杂截面的
2、桥梁在国内得到了非常普遍的运用,在课堂上学的分析措施和针对简朴桥梁的现行规范体系由于不能完全解决问题，往往浮现“安全度局限性导致的初期破坏和蜕化所带来的损失，或者因过于保守导致的挥霍”1的现象。在工程实践中发生的许多令桥梁工程师困惑却客观存在的问题使她们不断谋求解答,甚至可以说,由于混凝土桥梁的大规模实践，世界上或许没有哪个国家的工程师像中国工程师那样渴望彻底理解复杂桥梁的受力状况。 m4 C( q% c5 7 2 d + c2 桥梁构造理论发展的动力来自工程实践中浮现的问题，同步国内对过去新建桥梁的维修加固也在日益增多,但指引维修加固的思想仍然停留在现行桥梁常用计算措施和规程上,目前已经到了
3、应当对过去常用的分析理论和设计思想进行反思和重新梳理的时候。对于桥梁构造的分析措施,发达国家由于受到来自国家强力发展方向的推动,如航空航天、新材料、机械等，因此发展迅猛,浮现了一批水平很高的通用大型有限元分析软件,这些大型通用软件有些甚至已有几十年的历史。这些软件对于桥梁构造的影响是深远的，使桥梁工程师对于桥梁构造的局部和微观受力状况的认知达到了前所未有的高度和水平。但是，桥梁构造,特别是混凝土桥梁构造具有的几大特性,如桥梁施工、收缩徐变效应、预应力、活载计算等，这些大型软件并不能完全满足规定。85H # v,Q F i8 对于混凝土构件的配筋配束措施,是涵盖受弯、受剪、受扭、受拉(压)的不同
4、方向和不同组合的设计原理，内容非常丰富,也是很早（甚至将近1）以来发展起来的典型学科。国内外有关规范虽然通过几轮发展，其基本思想仍然停留在“窄梁”范畴。同步，由于各时期的发展和内容补充，里面也留存有大量各时期的，有些甚至已经早已过时的痕迹。因此虽然规范有时显得越来越厚，但事实上并不代表越来越好。1 a; f0 h； Y 9 q 作者近年来通过参与国内桥梁规范的最新修订，深刻体会到目前飞速发展的构造分析措施与“蜗行”的桥梁构件设计规范之间的矛盾,就像一种人拥有一条长和一条短的两条腿,其前行速度仍受制约。具体的体现便是构造分析的措施越来越精细,而配筋配束设计理论却仍停留在简朴构造范畴，导致了虽然能
5、对复杂桥梁构造进行非常精细的分析，却无法建立与配筋设计措施紧密联系的尴尬状况。对桥梁构造分析方面某些“典型概念”的探讨横向分布桥梁空间构造的近似计算措施，实质上是在一定的误差范畴内，谋求一种近似的措施把一种复杂的空间问题转化成平面问题进行求解。初期工程师们采用将空间问题转化为平面问题的横向分布理论，来对多梁式桥梁进行分析验算。横向分布理论的研究，加深了工程师们对桥梁多种上部构造形式的力学性能（纵、横向分派荷载的性能）的理解。如图1为一座常用的多梁式简支梁桥。图1 多梁式简支梁桥在横向分布的计算措施中,刚性横梁法和比拟正交各向异性板法（又称-M法)为最为常用的措施。众所周知，其基本前提是纵横向影
6、响面具有相似的图形2。为了简化计算,剪力采用了杠杆法近似考虑。% 9 ) A& u; O，S 对于箱梁构造，特别是如图2的宽箱梁构造,同样存在各道腹板的荷载横向分派问题。在单梁模型计算中，往往借用“横向分布”的概念,将各道腹板当作一根梁，采用与多道梁式构造同样的横向分布计算措施来计算。) f2 l ?0 R rw9 h8图 多室宽箱梁截面对图截面而言,一般一排仅采用2个支座，不会每道腹板下面均设支座,而桥梁构造一般也为持续梁构造。可见，其力学图式与图1的计算原型构造相差甚远,特别是简支支撑条件已完全变化。 图3是一种4跨持续梁采用的单箱多室箱梁截面及其梁格分割线,中间向两边的腹板编号为0、1#
7、和2#。该桥的支座布置见图4。图5分别为采用梁格计算和老式G-法计算的3车道活载的0#、1#和2#腹板的剪力横向分布系数。图3 单箱多室截面宽箱梁图4纵桥向支座布置图50号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图图6 1号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图图7 2号腹板剪力横向分布系数沿半跨长变化图梁格模型和有效分布宽度宽箱梁的空间效应重要为各道腹板的荷载分派和腹板较宽时自身的剪力滞效应。在现行桥梁规范中仿佛也并没有梳理清晰。6 9 %w0f+ K3 C8 x 针对图2的宽箱梁，可以采用图8的稀疏划分方式来计算，即可以划分为B14的4道主梁。采用这个计算模型，可以计算出各道腹板的弯矩和剪力更为精确的
8、“横向分布系数”。由于划分出来的构造仍然是梁，因此当不考虑剪力滞效应时，虽然各道划分梁上的应力都不相似,但自身的应力分布是均匀的。当考虑剪力滞效应时，尚需要根据规范公式计算B14各道梁的剪力滞效应。 因此说，规范中的剪力滞系数并不适合于独立宽箱梁,而仅适合于划分开后的工字形梁，而T形梁（或工字形梁)正是规范中剪力滞效应基本图示的来源。图8 采用稀疏划分的宽箱梁截面(也许还需要考虑剪力滞效应）针对图2的宽箱梁，也可以采用图的致密划分方式来计算,b1b为4道腹板位置。图9采用致密划分的宽箱梁截面(剪力滞效应无需单独考虑)这个计算模型中划分出来的构造仍然也还是梁,每道梁的应力自身是均匀的,但各道梁应
9、力的不同分布直接反映出各道腹板受力的“横向分布”。同步由于划分致密，剪力滞效应在计算模型中由各道梁的应力差别反映出来。也就是对于致密划分的宽箱梁,不再存在“有效分布宽度”的基本。 梁格模型实质上是采用阶梯状的应力来体现本来的光滑分布的应力。图1为一种单箱单室截面的阶梯状应力分布来体现本来光滑的、涉及剪力滞效应的应力分布。图0 光滑的应力由梁格模型阶梯状体现需要注意的是，“有效分布宽度”是将复杂截面简化为简朴截面的措施,这个概念仅合用于竖向剪应力。对于桥面较宽的复杂截面桥梁，采用“有效分布宽度”，则意味着丢掉了桥面板面内的水平剪应力，这直接导致了现行规范均缺失针对箱梁桥面板面内的配筋措施,也导致
10、了当桥梁构造浮现顶底板面内斜裂缝问题时会浮现无法判断、无从着手的状况。)9 M7 c( H% &% D5w汉勃利（HAMBY）平面梁格与“所见即所得”的折面梁格ably梁格存在两个误区:第一是过度强调梁格划分后各分离截面的形心必须保持与原整体截面形心一致,因此按照Hambl措施建立的梁格一定在一种面上，故称之为平面梁格模型；第二是采用了许多近似参数,试图将箱梁剪扭问题一并解决。/ ( i0 u1 （ ) R C0 8 . F m 对于梁格计算措施的技术文献较少,最常用的是Hambl的BrideeckBhavo3中有关平面梁格措施的论述。国内工程界最早接触的梁格计算也多来自汉勃利平面梁格概念。如
11、图11为采用汉勃利(MBLY)平面梁格划分的图1中的宽箱梁截面。) d3 z) X$ O+L+ Y图11采用汉勃利(AMBLY)梁格划分的宽箱梁截面虽然这种梁格分析措施国内在20世纪0年代就有学者研究,但由于HAMBLY梁格自身存在理论缺陷，也没有对梁格分析措施完全结识清晰,故没有被业界所承认。 $J3 % l：r9 y； * G( U 如果没有横梁，Hamly措施是对的，即整体截面分解后的刚度“合成”后必须等同于原刚度，截面形心也不变。但是，从构造的受力本质上,在梁格模型中纵梁截面及其刚度的“合成”或“组装”是由横梁完毕的,故纵梁可以自由划分7。如图中的稀疏划分或者图9中的致密划分,各分离截
12、面的模型位于其自身的形心位置,截面特性也即“所见即所得”。由于每道梁的重心不在一种面上，因此这样的计算模型可以称为“折面梁格”，以示与平面梁格模型辨别。3X(p-A d 用重要关注面外受力的Hably措施，来分析重要反映面内受力的箱梁剪扭效应,自身就存在缺陷。因此，想用平面梁格来解决薄壁箱梁问题往往难以奏效。1LP ) f1 “弯扭耦合”的曲线梁箱梁构造的空间效应重要为三种:各道腹板的荷载分派、剪力滞效应以及薄壁效应。前面采用梁格模型的阶梯状应力体现方式,即可自然反映各道腹板的荷载分派问题；采用致密的梁格划分即可自然解决剪力滞效应问题。对于曲线梁桥，始终以来“弯扭耦合”的说法较为普遍。随着有限
13、元技术的发展，用折线模型替代曲线是常用的解决措施，这种措施通过直线梁单元中心线在平面上的差别反映出曲线桥的“弯扭耦合”。于是，这个问题就简朴了:“弯扭耦合”就成了对于应力的耦合直线梁单元弯矩和扭矩并存,而其中的约束扭转会产生翘曲正应力（与弯曲正应力“耦合”）。事实上，直线桥承受活载偏载时同样也会产生这种应力层面上的“弯扭耦合”效应,只是以往用一种模糊的“放大系数”将扭矩效应考虑到了弯矩里面。因此，无论对于曲线箱梁桥和直线箱梁桥，对于薄壁效应，核心是需要分离自由扭转和产生翘曲正应力的约束扭转。# H6 . . v% b) 曲线箱梁桥此外一种特点是外侧腹板重量不小于内侧腹板重量,导致内外侧重量对于
14、桥面中心处会产生外翻扭矩，也导致当采用单梁模型计算时，支座反力在横向的分派有误差。但是，这个误差可以以便地通过扭矩补偿方式解决。于是，当采用重量扭矩补偿方式解决曲线桥内、外腹板重量差别后,便可以采用单梁模型精确计算曲线梁桥内外支座反力。对于内部的薄壁应力计算，直线梁桥和曲线梁桥在计算模型上是没有实际区别的,同样都是薄壁箱梁问题，在设计实践中的代表参数均为正应力放大系数和剪应力放大系数。7 h2 Y； 2 q9 t文献6采用7自由度模型对某绕城高速公路互通立交中一段（跨径布置为1800m+22.00m+1.00m,平面弯曲半径为.00,箱梁截面宽8.45m的匝道弯桥进行分析,得到该弯箱梁活载弯矩
15、放大系数、恒载剪力放大系数和活载剪力放大系数如图1214所示。 图12 活载弯矩放大系数与老式偏载系数比较 图13 恒载剪力放大系数与老式偏载系数比较 图14活载剪力放大系数与老式偏载系数比较！ P s7 ： # R O.c 显然,老式剪力活载放大系数1.05在弯桥构造上是严重偏低的。需要重点指出的是，这只是桥宽8.45m的双车道小跨径弯桥,随着车道数目的增长,活载剪力的放大系数也会明显增长。 当采用折面梁格法或汉勃利平面梁格法分析弯箱梁桥时，模型通过腹板正应力的不同可以体现约束扭转翘曲正应力。但问题是剪应力，由于汉勃利梁格措施对单箱单室截面的分割位置在顶底板剪应力0点位置，故腹板弯曲剪力流的计算正好是精确的，但由于模型打断了自由扭转剪力流和约束扭转剪力流,因此有关两种扭转剪应力的计算都是不精确的。% 9J# $ g; m0$ z- % h 除了单箱单室的腹板弯曲剪力流,采用折面或平面梁格模型均无法计算箱梁顶底板的剪力流。这时,需要采用更
