1、混凝土桥梁结构的精细化设计方法徐 栋同济大学桥梁工程系二 一 年四月参考资料： 桥梁体外预应力设计技术 徐栋编著，人民交通出版社， 2008年 10月 （慧加软件）参考资料混凝土桥梁结构的精细化设计方法主 要 内 容u 混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法u 预 防持 续 下 挠 的措施 剪切配筋新方法u 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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法l 面向配筋 适应规范的梁系本质l 精细化 拆解梁体内部的剪应力超静定l 整体分析 不针对局部效应 面向配筋的精细化整体分析方法的特点：混凝土桥梁结构的精细化设计
2、方法 面向配筋的精细化整体分析为梁系计算方法l 规范具有鲜明的梁系本质，并在可预见的将来不会改变l 梁系分析的设计计算结果可以直接用于配筋l 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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法主轴弯矩 Mx 承弯剪力 Qy 弯剪轴力 N 压 /拉扭矩 Mz 扭转（剪）用于配筋的指标内力（主轴向，绕 x轴） 常用的指标内力分类 分析方法 主梁以外的结构 主梁自身 主梁模型 第一台阶 平面 杆系 平面分析（外部超静定） 平面分析 （内部超静定） 三自由度单
3、梁 第二台阶 准空间分析 空间分析（外部静定） 平面分析 （内部超静定） 六自由度单梁 第三台阶 空间分析 空间分析（外部静定） 空间分析（内部静定） 空间 网格或七自由度单梁 平面分析方法无法将复杂的空间结构简化到一个平面上去，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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法 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
4、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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法 梁系计算模型特点l 3/6自由度单梁 不满足（无法拆解截面内部空间效应）l 7自由度单梁 基本满足（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l 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）l 空间网格 满足混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝
5、土桥梁结构的精细化设计方法一个箱梁截面的 Hambly平面梁格划分一个箱梁截面的单层梁格划分混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法顶 板底 板腹板1 腹板2 腹板3一个箱梁截面的空间网格划分混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法空间网格表达的钢 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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法原断面 传统叠合梁板式构件分离混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法要点 1 面内受力和面外受力要点 2 每块板的
6、三层应力AS fs=bd i c d i面外（反映局部荷载） 面内（反映整体荷载）顶 板底 板腹板1 腹板2 腹板3混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法构件 受力方向 应力特征 与传统关注应力比照 纵向面外上缘 一维应力 整体截面上缘应力 横向面外上缘 一维应力 另外进行桥面板局部计算 横向面外下缘 一维应力 另外进行桥面板局部计算 箱梁顶板 中间层面内 二维应力 常被遗漏 纵向面外下缘 一维应力 整体截面下缘应力 横向面外上缘 一维应力 横向面外下缘 一维应力 主要为计算底板钢束的外崩力，简化计算方法仍不完善 箱梁底板 中间层面内 二维应力 常被遗漏
7、箱梁腹板 中间层面内 二维应力 腹板主应力 箱梁结构应该关注的 9个指标应力顶 板底 板腹板1 腹板2 腹板3混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法一维应力与二维应力的区别是：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
8、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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法构件 受力方向 应力特征 配筋特点 现行规范 情况 纵向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 横向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 箱梁顶板 中间层面内 二维应力 剪切 配筋 缺失 纵向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 横向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 箱梁底板 中间层面内 二维应力 剪切 配筋 缺失 纵向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋
9、 适用 横向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 箱梁腹板 中间层面内 二维应力 剪切配筋 有缺陷 箱梁应力特征及配筋方法的适用性混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法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 结构
10、 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法 从计算分析
11、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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法构件 受力方向 应力特征 配筋特点 现行规范 情况 纵向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 横向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 箱梁顶板 中间层面内 二维应力 剪切 配筋 缺失 纵向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 横向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 箱梁底板 中间层面内 二维应力 剪切 配筋 缺失
12、 纵向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 横向面外 一维应力 轴力与弯矩配筋 适用 箱梁腹板 中间层面内 二维应力 剪切配筋 有缺陷 箱梁应力特征及配筋方法的适用性混凝土 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法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 结构 面向配筋的精 细 化整体分析方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法 梁的设计状态混凝土
13、 构 件剪 扭 配筋新方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法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 配筋新方法混凝土桥梁结构的精细化设计方法混凝土 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）混凝土桥梁结构的精细化设计方法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的精细化设计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的精细化设计方法
