连续刚构桥静动力稳定性分析
- 格式:docx
- 大小:42.60 KB
- 文档页数:10
刚构桥的受力特点刚构桥是一种常见的桥梁类型,其主要特点是以刚构的形式建造而成。
刚构桥具有较高的承载能力和稳定性,因此在桥梁建设中得到广泛应用。
本文将分析刚构桥的受力特点,深入探讨其承载能力和结构稳定性等方面。
一、刚构桥的受力特点刚构桥在受力时主要分为两种情况:荷载作用下的受压和拉力状态。
在桥梁使用过程中,主要承受车辆荷载、重量荷载和风荷载等作用。
下面我们将分别探讨这些情况下的受力特点。
1.荷载作用下的受压荷载作用下的受压是刚构桥常见的受力状态。
在这种情况下,桥梁的承载力主要依靠桥墩和桥面板。
桥墩是桥梁的支撑点,它承受着荷载作用的垂直力和水平力。
而桥面板是车辆行驶的路面,承受着荷载作用的所有压力。
因此,刚构桥在设计时需要考虑桥墩和桥面板的承载能力,保证桥梁的稳定性。
2.拉力状态拉力状态发生在桥梁出现膨胀、收缩或者地震等情况下。
在这种情况下,桥墩受到的拉力会增大,需要有足够的承载能力来保证桥梁的安全性。
为了避免桥梁受到不必要的拉力,设计者通常会在桥墩和桥面板之间设置伸缩缝,以应对桥梁受力状态的变化。
二、刚构桥的结构特点刚构桥的结构特点主要体现在以下三个方面:1.刚性结构刚构桥由多个构件组成,构件之间的连接紧密,结构刚度大。
它们的相互作用形成了一个具有良好刚性的整体结构,可以承受大量的荷载。
因此,刚构桥很少发生变形,具有较高的稳定性。
2.桥面板宽度刚构桥的桥面板宽度通常较大,这是为了保证车辆行驶的平稳性和过桥的安全性。
宽桥面可以增加车辆行驶的安全系数,防止出现侧翻或者失控等情况。
3.桥面板制造刚构桥的桥面板通常由钢筋混凝土制造而成,表面采用防滑处理。
这种结构可以增加桥面板的摩擦力,防止车辆行驶时滑动。
同时,钢筋混凝土具有较高的抗压强度和刚度,可以保证桥梁的稳定性。
三、刚构桥的优点和缺点1.优点刚构桥具有以下优点:(1)承载能力强:刚构桥的结构刚度大,可以承受大量的荷载,稳定性较高。
(2)使用寿命长:刚构桥常常采用钢筋混凝土制造,具有抗压强度和刚度高等特点,使用寿命长。
大跨度连续刚构桥受力性能研究大跨度连续刚构桥是一种常见的道路桥梁结构形式,具有结构稳定性好、承载能力强、使用寿命长等优点,被广泛应用于公路、铁路等交通基础设施建设中。
由于其结构特点和受力性能的复杂性,对于大跨度连续刚构桥的受力性能研究具有重要意义。
本文将就大跨度连续刚构桥的受力性能进行深入探讨。
一、大跨度连续刚构桥结构特点大跨度连续刚构桥一般由桥墩、桥面梁和支座三部分构成。
桥墩用于支撑桥梁的承载,桥面梁则是承载行车荷载的主要构件,支座则用于将桥面梁传递到桥墩上。
在大跨度连续刚构桥中,通常会采用多跨连续梁形式,即多个梁段通过铰链相连接,形成一个整体结构,具有较大的跨度范围。
1.梁段之间的连续性强,受力传递路径清晰,承载能力较高;2.梁段之间存在连接形式,在受力过程中会发生一定的位移;3.梁段与墩台之间的连接形式多样,对受力性能有一定影响;4.由于受力形式的多样性,对桥梁结构的设计和施工要求较高。
二、大跨度连续刚构桥的受力性能分析大跨度连续刚构桥的受力性能主要包括静力分析和动力分析两个方面。
静力分析主要是通过计算各部件的受力情况,来评估桥梁结构的承载能力;动力分析则是考虑桥梁在行车荷载下的振动响应,以评估结构的安全性和舒适性。
1.静力分析在大跨度连续刚构桥的静力分析中,需要考虑各部件受力的平衡关系,计算各部件的内力、位移等参数。
主要包括以下几个方面的内容:(1)梁段受力分析:根据梁段的几何形状和材料性能,计算其弯矩、剪力等内力参数;(2)支座反力计算:根据桥梁的荷载和结构形式,计算支座的反力分布;(3)桥墩受力分析:考虑桥墩在行车荷载下的受力情况,分析其承载能力。
2.动力分析(1)结构振动模态分析:通过有限元分析等方法,计算桥梁在不同模态下的振动频率和振型;(2)振动响应计算:考虑外部激励下的结构振动,计算其位移、加速度等参数;(3)结构耐震性评估:考虑地震作用下的结构响应,评估桥梁的耐震性能。
三、大跨度连续刚构桥的受力性能优化针对大跨度连续刚构桥的受力性能,可以通过以下几个方面进行优化:1.结构设计优化:优化梁段形状、材料选取等设计参数,提高结构的承载能力;2.连接形式优化:改进梁段与梁段、梁段与墩台之间的连接形式,减小结构位移;3.抗震性能优化:考虑地震作用下桥梁的响应特性,采取相应的抗震措施;4.施工工艺优化:优化施工工艺和施工顺序,减小结构受力过程中的应力集中。
桥梁结构的稳定性控制与实践案例分析标题:桥梁结构的稳定性控制与实践案例分析引言:作为建筑工程行业的教授和专家,我从事多年的建筑和装修工作,在桥梁结构方面积累了丰富的经验。
本文将重点讨论桥梁结构的稳定性控制,并通过实践案例分析来展示相关经验和方法。
一、桥梁结构的稳定性概述桥梁结构的稳定性是指其在外部加载作用下,不发生超过其极限破坏能力的不稳定失效。
稳定性分析是桥梁设计的核心环节之一,直接关系到桥梁的安全性和可靠性。
二、桥梁结构中的稳定性控制要素1. 基础设计:合理的基础设计是保证桥梁稳定性的基础,应考虑地质条件、地震作用以及桥梁周边环境等因素。
2. 结构形式选择:根据桥梁跨度、荷载情况和施工条件等因素,选择合适的结构形式,如刚构桥、悬臂桥或曲线梁桥等。
3. 断面尺寸设计:通过合理的断面尺寸设计,控制桥梁结构在荷载作用下的受力性能,防止产生不稳定失效。
4. 施工监控:在施工过程中,进行严格的质量控制和监测,及时发现和解决可能导致桥梁结构不稳定的问题。
三、桥梁结构稳定性的实践案例分析1. 案例一:XXX大桥以XXX大桥为例,探讨了复杂地质条件下桥梁稳定性控制的实践经验。
通过地质勘察和计算机模拟,确定了适宜的基础设计方案,并利用先进的监测技术实时监控桥梁施工过程中的变形情况,确保桥梁的稳定性。
2. 案例二:YYY悬臂桥针对YYY悬臂桥这一结构形式,研究了其在弯矩和剪力作用下的稳定性控制方法。
通过优化悬臂段的尺寸比例、增加支承刚度及采用适当的断面形状等措施,成功控制了桥梁的稳定性。
3. 案例三:ZZZ曲线梁桥以ZZZ曲线梁桥为例,分析了桥墩变形及其对桥梁稳定性的影响。
通过综合考虑桥墩尺寸、材料强度和荷载特性等因素,并采用相应的支护结构,有效地控制了桥墩的稳定性,确保桥梁整体结构的稳定。
结论:桥梁结构的稳定性控制是保证桥梁安全性和可靠性的关键要素。
在桥梁设计和施工过程中,我们应注重基础设计、结构形式选择、断面尺寸设计和施工监控等方面的工作,依托于丰富的经验和专业知识,确保桥梁结构的稳定性。
4.2.5网格划分网格划分实际上就是结构离散化,即将结构离散为若干个具有有限个自由度的单元的集合体,并将分网前只具有结构几何特征的几何模型转变成结构的物理模型(有限元模型),物理模型就具有了与原结构相似的材料性能、力学特征等物理特性。
所谓的“相似”,是因为建立有限元模型时,总是要根据结构原型的力学特征采取一些假设条件进行简化处理。
所以,两者在一定精度范围内总是等效的或近似的,不可能完全一样。
在建立结构精细空间计算模型时,除满足上述原则外,尚有一个关键问题必须解决,即在进行单元的更详细划分时,如何把握一个合适的尺度。
因为不同精度的结构计算单元本身对单元的划分精细程度有不同的要求,目前学术界对这一问题还未给出定量的规定,仅给出了定性的原则:单元的划分不可过粗,这样不能保证足够的计算精度:一味的进行详细的单元划分也是不可取的,详细的单元划分将使计算单元数大幅增多,计算所需的计算机资源也将大大提高,当单元划分细到一定程度时,再进行细分单元对计算精度的提高效果已不很明显。
本文在对上述问题进行综合考虑后,通过扫略单元划分方法对其进行划分,网格划分完的有限元模型如图4—5所示,单元划分总数:27907个,其中solid65混凝士单元22739个,link8预应力钢筋单元5168个。
图4.5有限元模型网格划分4-3加载有限元分析的主要目的是考查结构或构件对一定荷载作用的响应。
因此,在分析中指定合适的荷载条件较为关键,在Ansys中,荷载包括边界条件和外部或内部作用力函数,荷载共分为六类:DOF约束、力、表面荷载、体积荷载,惯性荷载。
在结构分析中这六类荷载依次表示为:位移和边界条件、力和力矩、压力、质量、重力加速度或角速度角加速度。
本文所涉及到的荷载主要有边界条件、质量、重力加速度、压力。
本文将悬臂施工的待浇段混凝土的重量作为面压力(表面荷载)作用于前一阶段刚浇注完成并张拉了预应力柬的节段上,预应力是作为实常数中以初始应变的形式给出,鉴于在实际施工过程中,它是施工工艺的一个重要环节、是实现悬臂施工方法的决定性荷载,所以在此仍然作为荷载形式加以说明。
深水大跨连续刚构桥施工阶段稳定分析摘要:本文结合实际工程,采用空间有限元软件对深水大跨连续刚构桥施工中最大悬臂阶段结构体的稳定性进行了各种不利工况下的对比计算分析,找出了影响结构稳定的关键荷载因素,并得到了有裨益施工的一些结论。
关键字:有限元软件深水大跨连续刚构最大悬臂阶段稳定性裨益施工1.引言预应力混凝土连续刚构桥以其结构安全合理、施工方便成熟、行车舒适平顺、跨越能力强、100~200m跨径下与其他桥型比较造价相对较低、后期养护少等优点当之无愧得成为了山区高速公路、地方县市高等级道路上跨越高谷深沟、大河淤滩的首选桥型。
由于路线布线过程中不可避免的地形、地物的限制,预应力混凝土连续刚构桥常常会碰到必须采用高墩的情况,此时桥梁结构在施工及运营中的稳定问题往往会超越刚度与强度,成为下部结构构件设计的控制性问题,尤其是桥梁悬臂施工阶段,下部结构的稳定问题更为突出。
对处于深水中的连续刚构桥梁,即使墩身本身高度不高,但桩基处于水中无侧向支承的长度较长,其刚度通过承台与墩身串联,整体受力性能与高墩类似,稳定问题同样不容轻视。
因而对该类情况下的桥梁稳定问题展开研究,意义重大。
2.稳定问题概述结构失稳指的是结构在外力增加到某一量值时稳定性平衡状态开始丧失,稍有扰动,结构变形迅速增大,使结构失去正常工作能力的现象。
一般将稳定问题分为两类:第一类为线性失稳,即分支点失稳;第二类为非线性失稳,即极值点失稳。
研究稳定问题常用的方法有静力平衡法、能量法、缺陷法等。
对于桥梁结构,由于其所具有的复杂性,更多采用的是近似求解法,主要包括两大类:一类是从微分方程出发,通过数学上的各种近似方法求解;另一类是基于能量变分原理的近似法,如有限单元法等。
本文采用有限单元法对深水大跨桥梁稳定问题展开研究。
3.工程背景本文结合某地方道路深水大跨连续刚构桥的实际施工案例,对桥梁在最大悬臂施工阶段的下部结构稳定问题进行计算分析。
该桥跨越水库,平均水深30m,主桥桥型布置为71.5m+2x130m+71.5m的预应力混凝土连续刚构桥,桥宽18m。
连续刚构桥静动力稳定性分析黄杰芳【摘要】以新礼大桥连续刚构桥为对象,分析其在静动载作用下的稳定性.利用FEM分析软件Midas/civil建立主桥的计算模型,引入安全稳定系数物理量,对多种不同荷载组合作用下的静力稳定进行分析.为进一步分析该桥整体的稳定性,通过静载试验分析了该桥挠度与应变的分布规律,探究了该桥静力失稳的原因.通过行车激励,得到了该桥在动力荷载作用下失稳的形式,设计了不同的动载试验工况,引入动应变物理量,分析了无障碍行车与行车制动对桥梁冲击稳定的影响规律.结果表明:横向风荷载对桥墩安全稳定系数的影响较大,是桥墩设计时主要考虑的荷载组合;桥梁结构体系的转换是调整结构安全稳定的重要途径;在桥梁结构设计时,应保证箱梁截面的应变沿高度呈线性变化,处于弹性的范围,使其安全稳定系数最大化.【期刊名称】《广东公路交通》【年(卷),期】2018(044)004【总页数】7页(P96-102)【关键词】连续刚构桥;静动力稳定;安全稳定系数;动应变【作者】黄杰芳【作者单位】广东盛翔交通工程检测有限公司,广州511400【正文语种】中文【中图分类】U446.10 引言连续刚构桥因其优越的受力形式以及较低的建造和养护费用而广泛地被大跨度、高墩的桥梁结构所应用。
由于长期静动载的作用,桥梁结构的承载能力和动力特性将受到不同程度的影响,严重的将使桥梁结构失去稳定,从而危害人们的生命安全以及造成社会财产的巨大损失。
与梁桥相比,连续刚构桥的静动力失稳问题更加复杂。
此外,桥梁结构越发向轻质大跨度的方向发展,其中连续刚构桥因其采用柔性桥墩而大幅度地减少了由于桥墩约束导致主梁预应力张拉、温度变化、混凝土收缩、徐变等作用产生的次内力,同时降低了地震等动力荷载对桥梁结构的能量冲击破坏,因此对静动载作用下连续刚构桥稳定性的研究与分析具有相当现实的工程意义,人们希望通过对连续刚构桥的研究,得出能够在工程中降低静动载对桥梁结构破坏的指导依据。
目前关于连续刚构桥静动力稳定的研究主要集中于静力稳定方面,且采用过多的参数简化,计算误差较大,而关于连续刚构桥动力稳定的研究尚未形成相应的研究体系。
如何准确分析连续刚构桥在静动载作用下的稳定性,对桥梁设计施工与运营将产生重要的影响。
本文对新礼大桥多跨连续刚构桥开展静动力稳定性的分析。
关于静力稳定的研究主要的创新点在于引入安全稳定系数物理量,并对多种不同荷载组合作用下的静力稳定进行研究分析;此外通过静载试验分析了该刚构桥挠度与应变的分布规律,探究该桥在运营阶段的稳定性。
此外,通过行车激励,得到该桥动力失稳的形式,设计不同的动载试验工况,引入动应变物理量,分析无障碍行车与行车制动对桥梁冲击稳定的影响规律,以检验该桥的动力特性是否满足相关规程的要求。
1 工程概况新礼大桥为连续刚构桥,位于江门市五邑路,全桥(主桥和引桥)共35跨,总长为769m。
主桥共三跨,结构形式为预应力混凝土连续刚构,采用(55m+90m+55m)的跨径布置,如图1所示。
左右两幅箱梁横断面均采用变截面的单箱单室截面,梁高从根部4.8m到合拢段2.4m遵循二次函数变化;下部结构主墩采用双薄壁式墩,边墩为双柱式墩,通过承台支承在钻孔灌注桩上。
该桥设计的荷载标准为:人群荷载3.5 kN/m2、汽车-20级、挂车-100。
图1 主桥立面(单位: cm)2 静力稳定分析外荷载作用下连续刚构桥的静力平衡微分方程为:[Ke]{W}+[Kg]{W}={F}(1)式中,[Ke]、[Kg]分别为结构的单元刚度矩阵和几何刚度矩阵,可以通过Midas/civil建立计算模型得到相应的刚度矩阵;{W}为结构的位移向量,{F}为外荷载分量。
2.1 FEM计算模型根据主桥各结构元件的尺寸构造以及相关材料的运用,采用FEM软件Midas/civil 建立该主桥的计算模型,其中主梁与桥墩用梁单元进行模拟,并运用标准强度为1 860MPa的钢绞线模拟施加相应的预应力。
在建模的同时考虑了部分桥面铺装和腹板加厚对箱梁截面受力的影响,计算模型如图2所示。
图2 主桥计算模型2.2 桥墩稳定性分析在运用Midas/civil建模进行特征值计算时主要采用子空间迭代法,并忽略几何非线性和材料非线性的影响。
在进行结构稳定分析时,主要采用安全稳定系数δ进行评价:(2)式中,为某阶段的失稳临界荷载,pi+1为某阶段结构受到的实际荷载。
在分析桥墩的稳定性时,主要考虑结构自重作用下(工况1)、结构自重与顺桥纵向风荷载的耦合作用下(工况2)以及自重与横桥向风荷载的耦合作用下(工况3)三种工况。
通过式(2)计算得到三种不同工况下桥墩结构前四阶的安全稳定系数,如表1所示。
表1 不同工况下20#墩前三阶的安全稳定系数失稳阶数安全稳定系数δ工况1工况2工况3一阶86.52586.52486.520二阶140.942140.932140.940三阶523.556523.551523.256由表1可知,随着失稳阶数的增加,桥墩的安全稳定系数越高。
由于风荷载的作用导致桥墩的安全稳定系数降低,但降低的程度较小,即风荷载对桥墩安全稳定系数的影响很小。
此外,相对于顺桥纵向风荷载而言,横向风荷载对桥墩安全稳定系数的影响较大,是桥墩设计时主要考虑的荷载组合。
2.3 整体稳定性分析对于全桥稳定性的分析主要考虑车道荷载对桥梁结构失稳的影响,因此本文将车道荷载分为4种不同的情况(表2)。
表2 车道荷载分布车道荷载荷载形式均布荷载集中荷载120#墩左右跨20#墩顶221#墩左右跨21#墩顶3全桥面20#墩顶4全桥面21#墩顶根据不同的车道荷载,分五个不同的工况分析该桥的整体稳定性,其中1为自重;2~5为自重+风荷载+车道荷载1~4。
通过式(2)计算得到不同工况下该桥前三阶的稳定安全系数,如图3所示。
图3 全桥不同工况下前三阶的稳定安全系数由图3可知,从该桥前三阶的稳定安全系数中发现,工况 1的安全稳定系数较其他四种工况大,而工况 4 的安全稳定系数最小;此外工况5的安全稳定系数较前三阶工况小,但大于工况四的安全稳定系数,所以当均布荷载满布于桥面时全桥的稳定性最差,但集中荷载作用于长墩的稳定性大于集中荷载作用于短墩的情况。
此外,跟连续梁桥的稳定性对比,连续刚构桥的结构体系转变为高次超静定体系,结构之间的联系明显强化,即结构的稳定性加强,由此可知桥梁结构体系的转换是调整结构安全稳定的主要途径。
2.4 试验分析为分析成桥后的稳定性,探究其在静力荷载作用下的承载能力是否满足规范要求以及研究其应力和应变的分布规律,以全面地把握该桥在静力荷载下的安全储备是否满足相应规范的要求。
在竖向荷载作用下,连续刚构桥主要的受力形式表现为上部受压、下部受拉,因此对于应变测点的布置应保证受压区和受拉区的有效性。
为反映箱梁应变沿截面高度的变化规律,可在箱梁腹板的底部及两侧布置相应的应变监测点,由于上部结构形式和桥宽相同,所以此次静载试验三个测试截面的应变监测点布置相同,监测点的位置与数量如图4所示。
图4 截面应变测点布置(单位: cm)本次试验挠度测试的监测点主要布置在桥面上,以检测其桥面的竖向静力稳定性。
如图5所示,在A-A测试截面上布置3个监测点,并在该截面两端各布置2个监测点,其余测试截面按照相同的布置方法。
图5 A-A截面挠度测点布置(单位: cm)根据荷载试验标准,本次试验采用重车作为荷载源,每辆车的重量约为350 kN。
在静载试验正式加载前采用预加载的方法检查测量仪器的工作状态以及排除相关的异常情况,同时消除桥梁结构的非弹性位移。
预加载的荷载取正式加载的前1~2级分级荷载。
如图6所示,测试截面A-A分三级加载,第一级加载为两辆重车前后相隔测试截面150 cm施加荷载;第二级加载则在第一级加载的基础上,对称于测试截面施加前后相隔300 cm的两辆重车;第三级加载则在前两级加载的基础上再施加一辆重车。
B-B截面和C-C截面由于具有较大的弯矩值,所以采用四级加载以达到相对的试验荷载效率,即在A-A截面加载的基础上再添加三辆重车作为荷载源,具体的加载平面布置如图7所示。
图6 A-A截面重车加载布置(单位: cm)图7 B(C)-B(C)截面重车加载布置(单位: cm)2.5 试验结果分析通过分级加载得到不同监测点的挠度值,同时考虑了徐变、支座沉降对挠度值的影响,得到了实际的弹性变形,并运用Midas/civil模拟计算得到相同条件下各监测点的理论挠度值。
由于B-B截面产生负弯矩,因此没有测试该截面的挠度值。
图8 挠度测试结果对比图9 挠度校验系数通过图8所示的挠度测试结果对比发现,随着荷载的增加,图5所示的1#监测点至3#监测点的挠度依次逐渐减小,即稳定性逐渐增加,而卸载后的挠度变化规律则表现为桥面中间(2#监测点)的挠度小于两边(1#、3#监测点)的挠度,弹性变形规律与加载阶段相同,即1#~3#监测点的变形值依次逐渐减小,稳定性逐渐加强,且各监测点的挠度均小于理论值,主要的原因是建模计算时未考虑支座变形与桥梁长期运营预应力松弛的影响,但各监测点的挠度校验系数均小于1,相对残余变形均小于0.2,表明该桥各结构元件之间的工作性能良好,刚度和安全储备较大,稳定性较高,满足相关规范的要求。
图10 应变测试结果对比图11 应变校验系数由试验的测试结果可知,1#、2#、8#和9#监测点卸载时的应变值均大于腹板底部监测点的应变值,且残余应变值很小几乎为零,即该桥在静载作用下的的变形较小,静力稳定性较高。
通过图10所示的各测试截面腹板底部监测点的应变测试结果对比发现,各监测点的实测应变值均小于理论应变值,由于受到偏载作用,导致荷载较大一侧的实测和理论应变值较大,但各监测点的应变校验系数均小于1,表明在静力荷载作用下,箱梁截面沿高度呈线性变化,抗扭能力优越,处于弹性的范围,安全储备较大,稳定性较高,如图12所示。
图12 应变沿截面高度的分布3 动力稳定分析运用能量法分别建立该桥的应变能、势能、动能,根据Hamilton原理得到该桥整体的运动方程:(3)式中,[M]为该桥的质量矩阵,[C]为线性阻尼矩阵,[K]为刚度矩阵,{W}为关于时间t的广义坐标,{F}为外荷载作用分量。
通过式(3)可以计算得到理论的自振频率与动力失稳模态。
3.1 动力失稳测试与分析动力荷载作用下的桥梁结构,当外荷载的频率等于结构自振频率时,结构将发生共振失稳现象,振幅迅速增加。
为分析该桥在动力荷载作用下的失稳频率与模态的关系,应先通过外界车辆荷载激励试验获得相应的振动频率与失稳模态。
为准确地测试车辆荷载作用下各阶的振动频率与失稳模态,通过Midas/civil建模分析该桥自由振动时幅值为零与幅值最大的位置,以此作为模态形状测试的控制点。