華陽特大橋主橋剪力滯效應科研課題簡介

1、華陽特大橋剪力滯效應科研課題簡介一、概述1、設(shè)計標準v 道路等級：城市主干道；v 設(shè)計荷載：公路I級；v 設(shè)計車速： 60km/h；v 航道等級：V級；v 通航標準：通航凈高為8m，通航凈寬為130m(通航論證送審稿，已開評審會，未正式批復)，最高通航水位采用洪水重現(xiàn)期10年一遇洪水位5.65m（85國家高程，下同）；v 地震烈度：根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2001）及中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001），華陽特大橋場地的地震基本烈度為VII度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，地震設(shè)計特征周期值（50年超越概率10%）為0.43s。v橋梁橫斷面布置華陽特大橋工程按照雙

2、向八車道城市主干道標準修建。主橋橫斷面具體布置為：橋面寬度: 0.25m欄桿+2.5m人行道+0.45m防撞欄+15.585m行車道+0.45m防撞欄+1.03m中央分隔帶+0.45m防撞欄+15.585m行車道+0.45m防撞欄+2.5m人行道+0.25m欄桿=39.5m；全寬39.5m。2、主要采用的設(shè)計規(guī)范v公路路線設(shè)計規(guī)范JTG D202006v公路路基設(shè)計規(guī)范JTG D30-2004v公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTG D502006v公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTGD602004v公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范 JTG D62-2004v公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范JTG D63-200

3、7v公路橋梁抗震設(shè)計細則 JTG/T B02-01-20083、工程規(guī)模華陽特大橋?qū)儆谌A陽路南延線道路工程項目，跨越潭洲水道。該項目為南北走向，北起佛陳路碧桂花城段，南止于荷岳路。華陽特大橋位于東平新城核心區(qū)，連接陳村與樂從兩鎮(zhèn)，為雙向8車道。橋位具體位于燈籠沙洲島下游344m處，航跡線偏于南側(cè)，較為順直；該處潭洲水道分南北兩個航道，其中南航道槽較深，為其主要航道。橋軸線法線方向與水流主流向的交角為6°。4、主橋109+168+109m連續(xù)梁u 上部結(jié)構(gòu)采用（109+168+109）m跨PC連續(xù)梁，邊中跨比值為0.65。箱梁采用C60砼，單箱單室箱形斷面，頂板寬19.3m，底板寬9.

4、7m，兩側(cè)翼緣板懸臂長4.8m。圖1 華陽特大橋主橋跨中附近截面圖2 華陽特大橋主橋支點附近截面根部梁高H根10.5m，跨中及邊跨端部梁高H中4.0m，H根/L1/16，H中/L1/42。箱梁梁高變化采用2次拋物線，變化范圍為懸澆段末端至根部外側(cè)處，梁高變化方程為截面梁高方程：H=0.001003048x²+4.0(m)，梁高H系箱梁橫斷面外腹板外緣處高度。邊跨現(xiàn)澆段支點附近處腹板厚度采用75cm，跨中采用50cm，向主墩方向分次漸變?yōu)?5cm、100cm，0#塊腹板厚度為120cm。箱梁頂板厚度0#塊為50cm，其余均為32cm。箱梁底板厚度變化采用2次拋物線，由箱梁根部120cm

5、漸變到跨中35cm；底板厚度方程：H=0.000138113x²+0.35 (m)；箱梁橫坡由腹板高度調(diào)整，頂板橫向設(shè)置2%的橫坡，底板保持水平。u 下部結(jié)構(gòu)墩身與路線正交，采用左右分幅薄壁箱形空心墩，C40砼。墩厚450cm，寬1170cm。墩身于橫橋向兩側(cè)設(shè)為橢圓形，以減少水流阻力。左右幅橋承臺采用分幅式承臺，C40砼，每一個承臺兩端帶橢圓弧倒角，承臺尺寸順橋向為15.3m，橫橋向為18.8m，厚4.5m，并設(shè)0.5m厚的C25承臺封底砼?；A(chǔ)采用群樁，每墩半幅由9D250cm直徑鉆孔灌注樁組成。主墩承臺標高為2.0m。過渡墩采用分離薄壁空心墩，分離式承臺。半幅承臺順橋向尺寸為7

6、00cm，橫橋向尺寸為1200cm；配6根D180cm鉆孔樁。過渡墩承臺頂標高設(shè)于地面以下約50cm，12#過渡墩承臺頂標高為2.5m，15#過渡墩承臺頂標高為2.7m。二、剪力滯效應1、研究意義近年來，隨著我國交通事業(yè)的大發(fā)展，特別是高等級公路的大量建設(shè)，連續(xù)箱梁橋因其具有結(jié)構(gòu)輕、剛度大、行車舒適性好、施工技術(shù)成熟等優(yōu)點，因此，在橋梁工程中得到了廣泛的應用。近幾十年的工程實踐和研究表明，在對稱荷載作用下法向應力沿橫截面的分布是不均勻的，這種現(xiàn)象在開口截面(如T梁)中，稱之為“翼緣板有效分布寬度”；在閉口截面(如箱梁)中，則稱之為“剪力滯效應”。對于箱形薄壁梁橋，寬跨比較大、寬高比較為突出時，

7、剪力滯效應會更為嚴重，如果忽略它的影響，勢必導致結(jié)構(gòu)的失利。從1969年11月到1971年11月，在奧地利、英國、澳大利亞、德國相繼發(fā)生了四起大跨徑鋼箱梁失穩(wěn)或破壞事故。事故發(fā)生后，許多橋梁專家對這四座橋的設(shè)計及計算方法進行了研究與分析，揭示出這四座橋的計算方法存在嚴重的缺陷，其中一項就是設(shè)計中沒有認真對待“剪力滯效應”，因此導致應力過分集中，造成結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或局部破壞。按照經(jīng)典的定義，靠近腹板處翼板中的縱向應力大于靠近翼板中點處的縱向應力，稱之“正剪力滯”；而翼板中點處的縱向應力大于其腹板附近翼板的縱向應力，稱之“負剪力滯”。為了方便地描述箱形梁剪力滯效應的影響程度，工程上引入剪力滯系數(shù)的概念

8、，作為衡量剪力滯效應大小的主要指標，即當靠近腹板處翼緣的正應力比遠離腹板處翼緣正應力大時為正剪力滯即>1；當靠近腹板翼緣的正應力比翼板中心處或懸臂邊緣處翼緣正應力小時為負剪力滯，即<1。圖3 剪力滯后現(xiàn)象2、研究狀況近幾十年來，國內(nèi)外學者致力于箱梁剪力滯效應問題的研究，分別從解析理論、數(shù)值解法和模型試驗等方面對剪力滯效應問題提出了許多新設(shè)想與新理論。綜合起來有以下幾種理論與方法：(一)、解析理論1) 卡曼理論最早涉及剪力滯問題的理論推導是弗·卡曼(T.V.Karman)。他曾取一跨徑為2L且承受余弦形荷載的連續(xù)梁為解析對象，利用最小勢能原理，推導出連續(xù)梁的有效分布寬度，稱

9、之為“卡曼理論”。盡管他所考慮的是無限寬度的翼緣板，但是實際上其解答也適合于有限寬度的翼緣板。但由于其分析過程比較繁復，使其在工程實際問題中的應用受到了一定的限制。2) 彈性理論解法彈性理論解法是建立在經(jīng)典彈性理論的基礎(chǔ)上的，這里包括正交異性板法、折板理論、板殼理論等。正交異性板法是把肋板結(jié)構(gòu)比擬為正交異性板，其肋的面積假定均攤在整個板上，然后應用彈性薄板理論，從邊界條件出發(fā)，導出肋板結(jié)構(gòu)的應力和撓度公式，獲得剪力滯問題的解。瑞斯納(E.Reissner)早在1938年把上下翼板呈波紋狀的懸臂矩形箱截面的剪力滯問題比擬成一正交異性板進行了分析和研究，并作了一些近似簡化處理。埃伯德一賽德(Abd

10、elSayed)曾在1969年把正交異性板法應用于鋼箱梁的橋道板的剪力滯分析，稱之為“賽德微分方程”，后來馬爾科(Malcolm)等人進一步用它來分析加勁箱梁的剪力滯問題。折板理論(Theory of Folded Plates)是將箱梁離散為若干矩形板，以彈性平面應力理論和板的彎曲理論為基礎(chǔ)，利用各板接合處的變形和靜力平衡條件，建立方程組，可用矩陣形式進行計算。折板理論由戈爾德貝格(Goldberg)和李維(Leve)等首先提出，并由狄弗力一史肯(DefriesSkene)和斯考特里斯(Scordelis)寫成了矩陣形式而適應于計算機的分析。朱光漢和埃魯特·杜里克則把此法用于復式折

11、板結(jié)構(gòu)，并進一步擴展應用于箱梁橋的分析?？栁倪_思(Karl Van Dalen)等運用上述方法對寬低箱梁的剪力滯效應進行了研究，分析了箱梁截面尺寸的多種比值對剪力滯系數(shù)的影響，并指出：翼緣板的寬跨比和梁的邊界條件是影響剪力滯效應的主要因素。J.E.吉普遜(J.E.Gibson)和M.H.米特瓦利 (M.H.Mitwally)在1976年提出了用板殼理論(Chosed Multi-shell Theory)分析箱形梁及其剪力滯效應。他們認為各種截面形狀的箱梁都可以看成是板單元和筒殼單元的組合體，因而可以分別利用板的理論和筒殼理論加以處理。3) 比擬桿法比擬桿法是將處于受彎狀態(tài)的箱梁結(jié)構(gòu)比擬為只

12、承受軸向力的桿件與只承受剪力的系板的組合體，然后根據(jù)桿與板之間的平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件建立起一組微分方程，每塊翼板中所產(chǎn)生的剪力滯特性，可以通過理想化加勁桿的內(nèi)力來確定。比擬桿法最早探討這個問題的是楊格(Younger)，他提出了“加勁薄板理論”(Stiffener Sheet Theory)，即用等厚連續(xù)薄板來代替離散的縱向加勁肋，并假設(shè)由它承受所有的軸向荷載。海杰一阿格瑞斯(Hadji-Argyris)在此基礎(chǔ)上，提出了“有限加勁肋理論”(The Finite Stringer Theory)，即把縱向加勁肋視為離散的僅承受軸向荷載的桿件，桿件之間用僅承受剪力的系板連接，板本身的承載能力可

13、以簡單地確定為是一塊附加在離散縱向加勁桿件上的面積。后來庫恩(Kuhn)等提出一種簡單加勁肋代換法，考慮了肋板剪力流的影響，解決了在軸向力作用下具有三根加勁肋的板和懸臂箱梁受彎時的剪力滯效應分析。英國學者H.R.伊文斯(H.R.Evans)和A.R.塔海倫(A.R.Taherian)作了進一步的改進，提出了“三桿法”理論，使之更適用于一般受彎矩箱梁結(jié)構(gòu)的剪力滯分析。國內(nèi)學者程翔云教授等在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了用樣條函數(shù)逼近法求解高階微分方程組，解決了帶懸臂翼板等截面矩形箱形結(jié)構(gòu)及T形梁剪力滯的計算問題。4) 能量變分法能量變分法是從假定箱梁翼板的縱向位移模式出發(fā)，以梁的豎向位移和描述翼板剪力

14、滯的縱向位移差的廣義位移函數(shù)為未知數(shù)，應用最小勢能原理，建立控制微分方程，從而獲得應力和撓度的閉合解。能量變分法最早由瑞斯納(EReissner)提出，他假設(shè)翼板的縱向位移沿橫向按二次拋物線分布，第一次成功地應用能量變分法分析了雙軸對稱矩形箱梁剪力滯問題，開創(chuàng)了研究箱梁剪力滯問題的新途徑。國內(nèi)學者郭會瓊教授等在Reisser微分方程的基礎(chǔ)上，將翼板縱向位移沿橫向分布函數(shù)修改為三次拋物線，并用模型試驗和數(shù)值分析加以驗證。1982年，伊利諾伊斯大學副教授福啟(D.A.Foutch)和P.C.張(P.C.Chang)用瑞斯納方法對懸臂箱梁承受均布線荷載、自由端作用一集中荷載、自由端有一轉(zhuǎn)角、在自由端

15、的腹板上作用一集中彎矩等四種情況的剪力滯效應進行研究，發(fā)現(xiàn)了與正剪力滯完全相反的情況負剪力滯效應，并且認為負剪力滯僅僅發(fā)生在非均布力情況。他們認為負剪力滯現(xiàn)象是一種反?，F(xiàn)象。國內(nèi)學者程翔云從物理概念上澄清了負剪力滯現(xiàn)象。(二)、數(shù)值分析法數(shù)值分析法主要包括有限元法、有限條法、有限差分法和有限段法。1) 有限單元法有限單元法是解決各種復雜工程問題的一種行之有效的數(shù)值分析法，它能用來分析等截面或變截面梁橋的剪力滯問題。K.R.Moffatt和P.J.Dowling通過有限單元法對影響箱梁剪力滯效應的各種參數(shù)作了系統(tǒng)的分析與研究，提出了各種荷載下的不同寬跨比、支承形式、截面加勁情況的有效寬度比。黃劍

16、源教授用有限單元法計算了變截面箱形連續(xù)梁橋的剪力滯效應。2) 有限條法有限條法是從有限單元法發(fā)展出來的一種半解析方法，與有限單元法相比，它具有簡單、計算量小的優(yōu)點。此法是分析等截面簡支梁橋的有效方法。目前國內(nèi)外許多學者采用了這種方法分析箱形梁的剪力滯。3) 有限差分法有限差分法是一種傳統(tǒng)的方法，此法是在能量變分法所求得的剪力滯微分方程組基礎(chǔ)上，給出相應的有限差分格式，進行變截面箱梁橋的剪滯分析。張士鐸教授用此法對直線變截面懸臂梁的剪力滯進行了分析，并探討了負剪力滯規(guī)律；有關(guān)文獻用差分法計算了變截面多跨梯形箱粱的剪力滯，并與模型試驗作了比較。4) 有限段法有限段法也是從有限單元法發(fā)展出來的一種半

17、解析法。由我國學者羅旗幟最早提出的一種分析剪力滯效應的有限段法，該法以剪力滯微分方程的齊次解為位移模式，建立了平面梁單元的半解析有限段模型，將三維空間問題簡化為一維空間，實現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)分析中自動計入剪力滯效應的功能。該法被推廣應用于斜拉橋、變截面箱梁橋及曲線箱梁橋的剪力滯分析。(三)、模型試驗科學試驗是重大工程建設(shè)中必不可缺的一環(huán)，是為結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)和結(jié)論的主要手段之一，也是檢驗數(shù)值理論和解析理論正確性的主要依據(jù)。郭金瓊等“完成了有機玻璃制作的梁式橋模型，測試了13個方案31個截面的剪力滯效應，驗證了簡支矩形箱梁的剪力滯理論。有關(guān)文獻制作了兩個不同橫截面尺寸的箱粱有機玻璃模型，針對箱梁在軸向和

18、橫向荷載共同作用下的剪力滯問題進行試驗研究，獲得了一些重要結(jié)論。有關(guān)文獻制作了5個不同鋼箱梁模型，分別對單箱單室、單箱雙室及組合箱梁的剪力滯進行試驗研究，為制定英國橋梁規(guī)范提供了參考。近幾年來，隨著大跨徑橋梁的迅速發(fā)展，為確保工程的安全性和可靠性，設(shè)計人員常采用模擬實橋進行試驗研究。我國錢塘江公路二橋進行了1：40的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗研究了變截面多跨連續(xù)梁的剪力滯效應，并提出了簡化的計算方法。它們分別驗證了現(xiàn)有的剪力滯理論。3、研制思路及目標華陽特大橋主橋的跨中截面和支點截面，如圖1和圖2所示。以往的研究表明，對于這種大懸臂、腹板間距大的單箱單室箱梁截面，有如下結(jié)論：(1) 單箱梁的懸臂施工過程是一個自重逐漸累加的過程,在懸臂澆筑初始階段,箱梁的空間效應明顯,應按空間結(jié)構(gòu)分析其受力,此時若仍按平面桿系結(jié)構(gòu)計算將帶來很大的誤差,且其結(jié)果將偏于不安全。(2) 單箱梁的懸臂施工階段存在正負剪力滯效應,其正應力分布規(guī)律與諸多因素有關(guān)。對于直腹板直線變截面箱梁懸臂施工,自重是造成剪力滯效應的主要原因,掛籃等集中荷載對剪力滯效應沒有影響。(3) 單箱