有关"曲线梁桥受力特性"读书报告

有关“曲线梁桥受力特性”

读书报告

作业要求：

就本章的学习些一份读书报告。可以从研究现状综述、对计算理论的认识、对解决问题的方法的认识、对曲线梁桥受力特性的认识。自己的新想法、或者对某些公式的新的推导思路等方面写，字数不少于5000（带公式、图、文不少于正常排版A4纸的5页）

目录

第1章曲线梁桥现状综述 . ................................................................................................................. 2

1.1曲线梁桥发展现状 . ............................................................................................................... 2

1.2曲线梁桥研究现状 . ............................................................................................................... 2

1.2.1曲线梁桥结构特点 . .................................................................................................... 2

1.2.2曲线梁桥理论计算 . .................................................................................................... 4

1.2.3曲线梁桥有限元计算 . ................................................................................................ 6

第2章曲线梁桥力学特点及常见病害分析 . ..................................................................................... 7

2.1曲线梁桥的力学特点 . ........................................................................................................... 7

2.2常见病害分析 . ....................................................................................................................... 8

2.2.1梁内侧支座脱空 . ........................................................................................................ 8

2.2.2梁体向外侧移和翻转 . ................................................................................................ 8

2.2.3固接墩墩身开裂 . ........................................................................................................ 9

2.2.4施工不当 . .................................................................................................................. 10

2.2.4地震灾害 . .................................................................................................................. 10

第3章曲线梁桥支座布置分析 . ....................................................................................................... 12

第4章曲线梁桥温度作用分析 . ....................................................................................................... 13

第5章总结 . ....................................................................................................................................... 14

参考文献 . ........................................................................................................................................... 15

第1章曲线梁桥现状综述

1.1曲线梁桥发展现状

随着公路、铁路交通的发展，行车对线路的要求越来越高。为了设计出线形流畅，行车舒适的线路，设计中要求中小桥位要适应道路线形的变化。因此，曲线梁桥得到了广泛的应用，特别是在高速公路互通以及城市立交桥中，曲线梁桥是交通线路中的重要的桥型之一。 曲线梁桥不仅能够适应特殊的地形地貌，还具有线条平顺、流畅的特点。曲线梁桥能够使桥梁与环境协调一致，在未来的桥梁建设中曲线梁桥将得到广泛的应用。传统修建曲线梁桥时，大多采用“以直代曲”的方式，已有的研究表明，该方式既损害了行车的舒适性，又增加了不必要的构造，有损桥梁的美观。根据文献[1]，世界上出现最早的曲线梁桥为年由德国建设的一座钢桁架铁路桥。我国在曲线梁桥的研究各应用方面晚于国外，同国外相比还存在一定差距。刚开始建造曲线梁桥时，是用一系列直线当作弦做成折线形的。近20多年来，我国的交通事业有了迅速的发展，曲线梁桥从无到有的发展起来。曲线梁桥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均得到了应用。

我国自年代以来随着经济的快速增长交通业也飞速发展, 修建了大量的公路铁路, 尤其是城市立交桥发展更快, 修建了大量的全互通式立交桥, 使得我国的曲线梁桥的理论研究和工程实践取得了很大的成果。北京地铁五号线“立水西桥”, 为世界上首座预应力混凝土轨道交通曲线斜拉桥。

1.2曲线梁桥研究现状

1.2.1曲线梁桥结构特点

1) 结构形式

弯梁桥的平面形状，虽然有多种多样，但一般则为图1-1所示的形式，计算跨径采

用道路中心线的弧长L ，而宽度则取曲率中心方向的宽度B 。

图1-1 弯桥的平面形状

图1-1(a)为扇形，是弯桥类似于直线正交桥的形式，也是可用一般理论进行分析的基本形式。图1-1(b)、(c)是弯桥类似于直线斜交桥的形式，一般是解析法难以求解的形状，可采用基本形图1-1(a)解法加以修正的办法来计算。此外，虽然可以考虑由图1-1(a)、(b)、(c)组合而成的连续弯桥的形式，但即使对此种连续弯桥也多是以扇状形式连续的为基本。

2) 支座支承布置特点

单跨弯桥：a 单跨静定曲梁中心布置; b单跨静定曲梁偏心布置; c单跨超静定曲梁中心布置;d 单跨超静定曲梁偏心布置。

图1-2单跨曲梁支座布置形式

连续弯桥：

连续弯桥支座的常见布置方式有图1-3所示四种形式：

a 两端点均设抗扭支座，中间跨设铰支承;

b 两端点均设抗扭支座，中间跨设中心铰支承和少量抗扭支座;

c 为减小扭矩，两端点均设抗扭支座，中间设向外侧有偏心铰支承;

d 为增大全桥抗侧倾稳定性，两端设置抗扭支承，中间交替布置偏心支承

;

图1-3连续曲梁支座布置形式

设置支承偏心可以调整曲梁中的扭矩分布，但不能消除曲梁的扭矩。根据Campbell[38]

[39]研究，设置横向预偏心后，对调整支点处扭矩峰值效果很明显，特别是对恒载扭矩的调整，但对跨间的扭矩调整就没有支点处显著。调整某一支承的偏心距主要影响相邻两跨的扭矩分布，对恒载的扭矩调整接近平移关系，而活载和预应力所产生的扭矩影响很小[2][3]。

1.2.2曲线梁桥理论计算

弯梁桥的主要计算理论与方法可以归纳为以下几种：第一，纯扭转理论：将实际结构作为曲线弹性杆件，横截面无翘曲、无畸变，横截面的剪切中心轴线与弯梁截面形心轴线相重合；第二，翘曲扭转理论：对于薄壁结构翘曲效应明显，考虑翘曲扭转，使结构分析变得十分复杂。

1) 纯扭转理论

纯扭转理论是根据下列假设而建立的：

1. 梁的横截面各项尺寸与跨径之比很小，这样就可以把结构当作集中在梁轴线中心线处的弹性杆件来处理；

2. 有坚固的横梁或横隔板，使横截面不产生畸变（即截面的形状保持不变）；

3. 受载后横截面保持平面（即不发生翘曲）；

4. 认为剪切中心的曲率半径等于梁轴线的曲率半径；

5. 截面的扭矩主要由纯扭转产生。

纯扭转理论（圣维南扭转）是最初用于分析弯梁桥的一种理论。纯扭转理论概念清

楚，计算简便，为广大工程技术人员所乐于接受。这种理论一般能适用于跨径大于横截 面尺寸四倍以上的所有实体截面及箱壁较厚、两侧翼板较短的箱形截面混凝土弯梁桥， 此时所引起的误差一般均在工程设计容许范围内。

2) 翘曲扭转理论

考虑截面畸变影响的弹性薄壁曲杆理论主要归功于符拉索夫(Vlasov)[4]。

从符拉索夫理论出发，可以导出弯梁微分方程。如图1-4所示，截面形心为G.C. ，剪切中心为S.C. ，取沿剪切中心轴的切线方向为z 轴，曲线向心方向为x 轴，垂直曲线平面向下为y 轴所组成的三维流动直角坐标系。

图1-4连流动直角坐标系与荷载分量

从弯梁上截取一微段dz =R ⋅d θ作为研究对象。一般情况下，弯梁微段上有六种可能作用的荷载，即沿三个坐标轴方向的分布荷载q x 、q y 、q z 和三个绕坐标轴作用的分布力m x 、m y 、m z ，其正方向（符合右手螺旋法则）如图2.1(b)所示。在上述荷载作用下，截面上一般会有六种截面内力，即轴力N ，剪力Q x 和Q y ，弯矩M x ，M y 及扭矩T ，内力的正号规定如图1-5(a)、(b)所示。

图1-5弯梁微段的截面内力

利用弯梁微段的六个空间平衡条件，可以导出弯梁的六个静力平衡方程如下：

∂M y

∂

z +Q x +m y =0 (1-1)

∂Q x N ++q x =0 (1-2) ∂z R

∂N Q x -+q z =0 (1-3) ∂z R

∂M x T +-Q y +m x =0 (1-4) ∂z R

∂T M x -+m z =0 (1-5)∂z R

∂Q y

∂z +q y =0 (1-6)

1.2.3曲线梁桥有限元计算

有限元法是目前最有效又最通用的方法之一，能很好地分析各种截面梁的空间受力性能，方便地分析翘曲、畸变及剪力滞等现象。该方法的优点是适用于各种类型，各种支承情况的弯梁桥，考虑的因素较为全面，只要建模合理，便能够获得全面而又满意的应力分布，能够计算局部应力，能够处理任意形状的复杂结构和任意的荷载类型。因此对于所有型式的弯梁桥，几乎都可用有限元法进行分析。用于分析弯桥的各种单元大致可分为线状（梁）单元、面（壳）状单元以及实体单元，分析的精度主要取决于如何选择合适的单元型式和如何划分单元，以使离散后的结构与实际弯梁桥的性能达到最大限度的接近。

若将桥梁结构当作集中在轴心线处的弹性杆件处理，并认为受载后横断面仍保持平面即不发生翘曲，且截面形状保持不变即不产生畸变，就可以将其离散为有限个空间梁单元。这种模型简单，易于程序的实现，但采用这种模型要求桥梁宽跨比不应太大，一般当跨度为边肋或边腹板间距离的3~4 倍以上时方可满足精度。

对弯梁桥最精确的有限元分析方法应该是采用壳单元、块体单元进行全桥仿真建模，它与实际结构最接近，不需要计算横截面的形心、剪力中心、翼板有效宽度，能自动考虑截面的畸变、翘曲，可以准确反映自重和活载。因该方法建模复杂，计算量大，只有问题较复杂或需要精确了解某一部分的性能时，采用这种方法才是合适的，常进行局部受力分析。

第2章曲线梁桥力学特点及常见病害分析

2.1曲线梁桥的力学特点

由于桥梁处于曲线上，所以在力学性质、荷载、构造和施工方面有其特点。

1. 弯扭耦合。弯桥最主要的受力特点是，梁截面在发生竖向弯曲时，由于曲率的影响，必然产生扭转，而这种扭转作用又将导致挠曲变形，这被称为“弯扭耦合”作用。因此，其变形也为弯曲和扭转两者的迭加，故其变形值要比一般直线正交桥大。同时，弯桥外边缘的挠度大于内边缘的挠度，而且曲率半径愈小愈严重。

2. 通常宽度与曲率半径之比越大，则与有相同诸量的直线正交桥的断面内力之差，就显得越大。

3. 内外梁受力不均匀。在直线正交桥中，只有当荷载偏心时才产生扭转力矩，而在弯桥中，无论荷载偏心与否，到处都有弯矩与扭转产生，甚至于支承处也承受较大的扭矩。由于旋转力矩的作用，在弯梁桥中通常会出现“外梁超载，内梁卸载”的现象，内外梁应力产生差别，这种现象在小半径的宽桥中特别明显。因此，设计断面就比较繁琐，而且，往往构成不经济的断面，与直线正交桥相比，结构造价较高。

4. 内外侧支座反力不等。内外侧反力差引起较大的扭矩，使梁截面处于“弯扭耦合”作用状态，其截面主拉应力比相应的直梁桥大得多。故在弯梁桥中，以选用抗扭刚度较大的箱型截面形式为好。

5. 弯桥的横梁是减小截面畸变，抵抗扭转，保持全桥稳定的重要构件，因而与一般的直线正交桥相比，必然需要加大横梁的刚度。由于横梁的刚度大，所以桥梁断面的变形可以忽略，其对由横梁变形引起的主梁荷载分配的影响较小，且一般横梁的变形在主梁间大多成直线变化。

6. 内侧支座中可能拉力。如前所述，弯梁桥的支座反力与直线梁桥相比，有外侧变大，内侧变小的倾向，因此，在内侧支座中有产生负反力的可能。尤其在曲率半径小，静荷载比较小或者当活载偏置时，容易产生负反力。如果支座不能承受拉力，就会出现梁体与支座发生脱离的现象，通常称为“支座脱空”。另外，在连续弯桥中，应比直线桥中尤要注意跨径方向的分配问题。从经济方面考虑，采用合宜的下部结构或支座结构来抵抗负反力的方法，比较切合实际。

7. 连续曲线桥中，预应力效应对于支反力的分配有较大的影响。计算支座反力时，必须考虑预应力效应的影响。

2.2常见病害分析

城市和山区公路交通的日益发展, 使曲线桥梁的需求量大大增加。山高谷深地带, 需设置高墩以跨越深谷, 设置弯桥以绕过高山。这样集高墩、曲线、大跨径于一身, 使墩梁结构受力和变形更加复杂, 所受双向弯曲和扭矩、温度变化、预应力、混凝土徐变和收缩的作用使得桥梁变形所产生的病害尤为突出[5]。

常见的病害有：梁内侧支座脱空、梁体向外侧移和翻转、固接墩墩身开裂、施工不当、地震灾害[6]。

2.2.1梁内侧支座脱空

支座脱空是弯桥经常碰到的问题。发现在温度、活载偏载等最不利因素的综合作用下，边墩处内侧支座产生负反力，存在支座脱空现象（如图2-1）。

图2-1 支座脱空病害图片

2.2.2梁体向外侧移和翻转

曲线梁桥梁体的外移和翻转导致支座、伸缩缝的剪切破坏和平曲线超高的丧失。曲

线梁桥整体向外侧平移，使支座和伸缩缝严重剪切破坏，由于翻转，梁的外侧高程降低 而内侧高程上升，使超高减小或形成反超高，对行车安全构成很大威胁

图2-2大官庄立交桥伸缩缝压死

梁体的外移和翻转进一步导致曲线梁桥发生坍塌事故，曲线梁桥在受到严重超重汽 车的的偏载作用，再加上汽车的离心力作用，可能会发生坍塌事故。

图2-3浙江上虞立交桥倒塌图2-4内蒙古包头民族东路高架桥倒塌

2.2.3固接墩墩身开裂

曲线梁桥中以连续曲线梁箱梁桥的应用最为广泛，为了美观和增加桥下透空度，中 间墩大多采用独柱墩，有时还将个别中间墩与梁体固结。在此类结构当中，比较容易出 现桥墩开裂的现象。

图2-5绵竹回澜立交桥桥墩压溃

2.2.4施工不当

在施工过程中引起的曲线梁桥事故。曲线梁桥在施工过程中就有可能发生工程事故。如美国的拉期诺玛斯桥，在施工阶段就有4根预应力束从曲线梁内腹板中崩出，布置有普通箍筋的箱梁腹板沿着预应力束管道中心被撕裂，过了两天后，外腹板也发生了崩裂现象，我国福建省京福高速福州段匝道桥，在施工阶段预应力张拉完成后不久内侧支座脱空。

图2-6昆明小庄立交桥在拆除时坍塌

2.2.4地震灾害

由地震作用引起的曲线梁桥事故。国内外，由地震作用引起的曲线梁桥破坏事故较多。如

1971 年，在美国圣费尔南多地震中，就有两座互通式立交桥受到了严重的破坏；1994年，在美国北岭地震中，仍有立交曲线梁桥受到严重破坏（图2-7）；2008 年，我国汶川地震中破坏的百花大桥（图2-8）和回澜立交匝道桥也是曲线桥

图2-7美国北岭地震中倒塌的曲线梁桥图2-8地震中倒塌的百花大桥

曲线梁桥处于“弯、剪、扭”的合受力状态，故上、下部结构必须构成有利于抵抗“弯、

剪、”的措施。常用的措施有：1）预设支座偏心增强曲线梁桥的抗扭能力；2）合理设置径向限位措施和选用支座；3）曲线连续梁可在中墩设置抗扭支座；4）适当拉大支座之间的间距增强曲线梁桥的抗扭能力；5）设置防崩钢筋；6）在主梁的扭转变形过大同时墩柱弯矩也很大(一般墩柱较矮) 的情况下，宜采用矩形截面墩柱。因为矩形截面沿主梁纵向抗弯刚度较小，而沿主梁横向抗弯刚度较大，这样既减小了墩柱的配筋又降低了主梁的横向扭转变形，更适合其受力特点。

图2-9防崩钢筋

第3章曲线梁桥支座布置分析

在支承形式上，曲线梁桥通常采用的有全部为抗扭支承，中间为点铰支承，以及中间既有点铰支承、又有抗扭支承的混合式支承3种。采用多柱中墩，或在独柱上设置抗扭支承，这种支承对主梁可提供较大的扭转约束作用。

不同的支座布置形式，曲线梁桥的受力特性有所不同[7]。

(1)两端抗扭、中间点铰支承时, 设置偏心后自重下的扭矩变化较大, 组合扭矩减小, 曲线梁桥的扭转变形减小。全桥设置抗扭支承时, 设置偏心对改善梁扭转效应的作用不大。

(2)中支点设置抗扭支承对自重产生的扭矩几乎无影响, 但大大降低了预应力荷载引起的扭矩, 也降低了活载引起的扭矩。

(3)支座预偏心对自重下的内、外支座竖向反力分配有重分布作用, 使组合荷载下的内、外侧支座反力趋向均衡。

第4章曲线梁桥温度作用分析

研究表明除了曲线梁桥因为力学特性比较复杂外，温度引起的内力和变形也是一个非常重要的原因。在这方面，国、内外的学者都曾做过大量的研究工作，并把相应的控制措施写入各国规范。他们的研究证实，温度引起的应力有时甚至会超过活载应力。例如国内深圳市的华强北立交桥，是一座三层的互通式立交桥，最高一层为6孔、曲线半径R=250m的曲线梁桥，在其使用不久，出现了其梁体突然侧移达到50cm 之多；国外德国Jagst 桥厚腹板箱梁的检查中发现，通车第五年发生严重裂缝，经估算温度应力高达26×105Pa 。

曲线梁桥两端支座对温度变化反应较为敏感，曲线梁桥中间部分的支座对温度变化的反应不大结论[8]。

温度对曲线梁桥的作用主要分成两大类：（1）温度梯度：包括竖向温度梯度和径向温度梯度；（2）系统温差。温度梯度是指曲线梁体受到太阳照射，由于角度的不同和混凝土材料导热性比较差，梁体向阳侧温度较高，背阳侧温度较低。箱梁不同位置的温度不同，引起梁体各部位的平面变形也不同，温度梯度引起曲线梁桥的平面变形包括切向变形和径向变形

[9][10]

。

第5章总结

曲线梁桥不仅可使道路布置更加科学、合理；而且能够与周围环境协调一致，给人以美的享受。在桥梁工程中主要应用如立交桥、曲线刚构、斜拉桥等。

曲线桥的主要特点是弯扭耦合，使主梁的挠度增大并发生趋向于外侧的扭转，可能使支座脱空，严重时可能发生主梁侧倾，温度与扭转的联合作用也会使主梁发生曲线外侧的水平位移。曲线桥简化计算仍然可以采用单梁计算与横向分布系数结合的方法进行。横向对称布置不会产生预应力初扭矩，但是会产生次扭矩，影响支反力分布，此外预应力筋有向曲线内侧的径向力，可能造成腹板崩裂。曲线梁体的受力及变形、位移比直线梁体复杂得多, 梁体内力不均匀, 其内力与梁的竖向弯曲刚度、扭转刚度、梁的抗裂强度以及支座性能等许多因素有关, 而这些因素的考虑和确定是非常复杂的, 因此致使所谓精确方法的计算结果也与实际情况不相符, 甚至相差较大。

通过阅读教材以及相关论文对于曲线梁桥的受力特点以及常见病害等有了初步的了解，要深入了解曲线梁桥还需要进一步的学习。

参考文献

[1] 邵容光, 夏淦. 混凝土弯梁桥[M].北京:人民交通出版社,1996

[2] Compbell T I. Design Considerations in Horizontally-Curved Prestressed Concrete Bridge

Structures. International Conference on Short and Medium Span Bridges. Toronto, 1982

[3] Compbell T I, Chitnuyanongh L. Horizontally Curved Continuous Post-Tensioned Concrete

Beams. PCI, 1975

[4] V .Z.Vlasov.Thin-WalledElasticBeams.Washington,D.C:NationalScienceFoundation[J],1961

[5] 王钧利，曲线箱梁桥的病害分析及设计对策. 中外公路25(4),102-105, 2005

[6] 张平，曲线梁桥常见病害分析与设计优化. 硕士论文. 西安：长安大学, 2013

[7] 方诗圣, 肖兵, 张吉烁, 章晓晖. 支座布置形式对曲线梁桥力学性能的影响. 世界桥梁，4，

49-52,2011

[8] 杨忠平，曲线梁桥若干问题的研究. 硕士论文. 武汉：华中科技大学, 2005

[9] 宫玉明. 独柱支承连续曲线混凝土箱梁桥的稳定性能及动力特性研究. 硕士学位论文. 哈

尔滨：哈尔滨工业大学，2007

[10] 孙宗光，李晓飞. 曲线连续梁桥侧向失稳的主导因素和行为分析. 固体力学及其应用学术

研讨会，2013