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1、同济大学土木工程学院硕士学位论文轨道交通槽形梁性能分析及优化研究姓名：张鹏申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：吴迅20090301摘要摘要预应力混凝土槽形梁由主梁、桥面板和端横梁等部分组成，具有建筑高度低，隔音效果好，断面空间利用率高，行车安全，外观美观等优点。并且跨径变化只影响两侧主梁的梁高，基本不影响槽形梁桥面板的高度，便于轨道交通系统在线路纵断面上作定线布置，所以槽形梁在铁路和城市轨道交通中应用广泛。但是槽形梁属于开口薄壁构件，整体性和抗扭性不如箱梁，是一种复杂的梁板组合结构。在车辆荷载的作用下，主梁与桥面板交接处，桥面板与端横梁交接处应力分布状态复杂；桥面板横向应力，主梁主
2、应力的分布规律也比其它构件复杂。使得分析槽形梁的受力状态，以及如何采取构造措施均比设计其它构件困难。本文根据同济大学桥梁工程系承担的两座槽形梁足尺静载试验，即上海轨道交通八号线外延伸段足尺槽形梁静载试验和南京地铁二号线东延伸段足尺槽形梁静载试验为工程背景，分析槽形梁在设计荷载、开裂荷载和破坏荷载作用下的刚度、强度和抗裂性等性能。同时建立有限元模型，进行槽形梁仿真试验研究，将理论结果与试验结果对比，判断二者的可靠性。有限元数值分析结果比试验数据全面，因此可以利用有限元数值计算的结果，研究槽形梁的剪力滞效应。在上述两座槽形梁试验中，发现槽形梁的设计中还存在一些不足，需要做进一步优化。本文根据试验数
3、据和理论分析结果，对槽形梁这些需要进一步优化的方面开展研究，提出优化方案，为设计工作提供建议。关键词：槽形梁，静载试验，性能研究，优化分析A b s t r a c tA B S T R A C TP r e s t r e s s e dc o n c r e t et r o u g hg i r d e ri sc o m p o s e db yb e a m，s l a ba n dc r o s sb e a m，w h i c hh a sal o to fm e r i t s，s u c ha sl o wb u i l d i n gh e i g h t，b e t t
4、e re f f e c to fs o u n di n s u l a t i o n，h i g hu s i n gr a t eo ft h es e c t i o ns p a c e，t r a v e l i n g s a f e t ya n db e a u t i f u la p p e a r a n c e B e s i d e st h ec h a n g eo fs p a n，t h eh e i g h to fb e a mc h a n g e s，b u tt h eh e i g h to fs l a bc h a n g e sl i t
5、 t l e，t h u st h i si sc o n v e n i e n tf o rs i t i n go nv e r t i c a ls e c t i o no fu r b a nr a i lt r a n s i t，s ot h et r o u g hg i r d e ri su s e dm o r ea n dm o r ei nr a i l w a ya n du r b a nr a i lt r a n s i t H o w e v e r,t r o u g hg i r d e ri sa no p e n m o u t h e dt h
6、i nw a l ls t r u c t u r e，i t sa n t i t o r s i o nc a p a c i t yi sn o ta ss t r o n ga sb o xg i r d e r,w h i c hi sac o m p l e xc o m b i n a t i o ns t r u c t u r e U n d e rl i v el o a d，s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ej o i n to fb e a m s l a ba n ds l a b-c r o s s b e a m，
7、a l s ot h ed i s t r i b u t i o no fc o r s ss t r e s si ns l a ba n dp r i n c i p a ls t r e s si nb e a ma r em o r ec o m p l e xt h a no t h e rs t r u c t u r e s A sar e s u l t，i t sh a r d e rt oa n a l y s et r o u g hg i r d e ra n dh o wt ot a k ec o n s t r u c t i o nm e a s u r e s
8、t h a no t h e rs t r u c t u r e s B a s eo nt w ot r o u g hg i r d e rs t a t i cl o a dt e s t s，w h i c ha r es t a c t i cl o a dt e s to fS h a n g h a il i n e8e x t e n s i o nd i s t r i c ta n ds t a c t i cl o a dt e s to fN a n j i n gl i n e2e a s te x t e n s i o nd i s t r i c t，t h
9、ei n d e n s i t y,s t i f f n e s sa n dc r a c k i n gr e s i s t a n c eo ft r o u g hg i r d e ru n d e rd e s i g nl o a d，c r a c k i n gl o a da n dd e s t r o yl o a da r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r A tt h es a m et i m e，t h eF E Mm o d e lo ft r o u g hg i r d e ri sb u i l t，b
10、 yw h i c hs i m u l a t i o ng li d e ri sr e s e a r c h e d A n dt h e nt h eF E Mc o m p u t i n gd a t aa r ec o m p a r e dt ot e s td a t a，i no r d e rt oj u d g et h ec o r r e c t n e s s B e a c a u s et h eF E Md a t aa r em o r ec o m p r e h e n s i v et h a nt e s td a t a，t h eF E Mc
11、 o m p u t i n gd a t aa r eu s e dt or e s e a r c hs h e a rl a ge f f e c to ft r o u g hg i r d e r W i t ht h et w os t a c t i cl o a dt e s to ft r o u g hg i r d e rm e n t i o n e da b o v e，s o m ed i s a d v a n t a g e sa r ef o u n d，w h i c ha r en e e d e do p t i m i z e d S ob a s e
12、o nt h eo ft e s td a t aa n dF E Mc o m p u t i n gd a t a，t h eo p t i m i z a t i o na b o u tt r o u g hi sr e s e a r c hf u l l y,a n dt h e no p t i m i z a t i o ns c h e m ei sg i v e n,w h i c hi sav a l u a b l es u g g e s t i o nf o rd e s i g n K e yw o r d s：t r o u g hg i r d e r，s t
13、 a t i cl o a dt e s t，p e r f o r m a n c er e s e a r c h，o p t i m i z a t i o n学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学
14、位论文作者签名：鳓弘7年3 月，孑日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：多岳面眄哆年弓月J 舻日第1 章引言1 1 研究背景和意义1 1 1 槽形梁的结构形式第1 章引言预应力混凝土槽形梁由主梁、桥面板、端横梁和承轨台组成，部分槽形梁还包括中横梁，是一种下承式结构体系n 3，如图1 1
15、 所示：桥面板图1 1 槽形梁的结构形式示意图从道床板上通过的线路划分，分为单线槽形梁和双线槽形梁；从桥面有无道碴划分，分为有碴桥面和无碴道面；从端部支撑情况划分，分为四点支撑和满布支撑；从结构形式划分，分为简支梁和连续梁。轨道交通中应用的槽形梁大部分为单线槽形梁，不使用道碴而使用混凝土承轨台，结构形式采用简支体系，在端部设置端横梁，端横梁处采用四点支撑的支撑体系，支座采用高强度橡胶支座。图1 2 是目前采用较多的槽形梁截面：(3)图1 2 槽形梁的结构形式示意图(4)第1 章引言(1)、(2)是传统的截面，便于立模，但空间利用率不高；(3)是近年来采用较多的截面形式，突出的优点是主梁外挑，减
16、少了桥面板横向跨度，提高了截面的空间利用率；(4)适用于连续梁，既可以提高截面的有效刚度，也可以适应连续梁主梁变高度的要求，如铜九铁路槽形梁。I 1 2 槽形梁的优点嘲嘲槽形梁是适合于轨道交通高架结构要求，具有较小建筑高度的结构形式之一，而且槽形梁跨径变化只影响两侧主梁的梁高，基本不影响槽形梁道床板的高度，便于轨道交通系统在线路纵断面上作定线布置。现将其优点列举如下：(1)建筑高度低。直接承受车辆荷载的槽形梁道床板厚度一般为0 2 5 m-0 5 0 m，比箱梁、T 梁等结构形式的截面低许多。在轨道交通中应用槽形梁，可以有效降低车站及区间建筑高度，以此减少桥梁总长，节约投资。(2)隔音效果好。
17、轨道交通车辆行驶于槽形梁时，其车轮与轨道接触发出的噪声受到两侧主梁上翼缘及腹板的阻隔，在一定程度上减少了车辆运行噪声对周围环境的影响，相对于箱型梁，槽形梁无箱体共鸣噪音。如果配合外部的隔音板等设施，则其隔音效果更佳。(3)断面空间利用率高。主梁上翼缘除了参与受力外，还可以兼做检修及旅客紧急疏散通道，在车站内部可以作为站台宽度使用。下部空间可布置通信、信号、电力电缆等管线。(4)行车安全。两侧主梁可防止脱轨车辆倾覆下落造成更大的事故，给行车安全提供了保障。(5)外形美观，视觉效果好。槽形梁不但本身梁体外形优美，而且主梁上翼缘和腹板遮挡了外观较差的桥面系及车辆行走系统，只露出整洁美观的上部梁体，尤
18、其适合对建筑构造物外观要求较高的城市轨道交通。1 1 3 槽形梁的缺点咖嘲槽形梁是一种下承式桥梁结构，它由行车道板、主梁及端横梁等部分组成。当车辆荷载作用在桥面上时，远离端部的荷载通过道床板传给主梁，再由主梁传给支座。接近端部的荷载，则由道床板经端横梁传给支座。槽形梁的这种结构与受力特点决定了其整体性不如箱梁，属于一种复杂的板梁空间组合结构，具有开口薄壁构件的特点。主要表现在受扭性能差，腹板与底板交接处受力复杂，底板与横梁连接处受力复杂，腹板下端承受垂直方向的吊拉力，腹板主拉应力分布复杂，底板横向弯矩受腹板扭转变形影响较大等特点，对2第1 章引言其力学分析计算及构造处理要求很高。同时，槽形梁的
19、施工技术条件要求也较高，尤其是要严格控制预应力的张拉工艺。1 1 4 研究的意义目前，我国城市轨道交通事业进入一个飞速发展的黄金时期。除了在北京、上海、深圳等一线城市外，南京、重庆、成都、西安、苏州、宁波等二线城市也都开始兴建轨道交通。槽形梁因建筑高度低，隔音效果好，断面空间利用率高，行车安全，外观美观等优点，在轨道交通结构选择中，具有很大的竞争性。但其属于开口薄壁构件，受扭性不佳，对其力学分析计算及构造处理要求很高，在一定程度上限制了槽形梁在轨道交通中的应用。通过对槽形梁受力性能的分析研究，一方面可以了解槽形梁的受力特点，发挥槽形梁的优点。采取合理的措施提高其抗扭性能和改善薄弱环节的受力状态
20、，满足结构受力安全性和耐久性方面的要求；另一方面可以优化设计，减少混凝土和钢筋等材料的用量，充分利用材料，提高经济效益。以此扩大槽形梁在城市轨道交通中的应用范围。1 2 国内外应用及研究现状1 2 1 国内外应用现状1 9 5 2 年在英国建造的罗尔什汉桥是世界上最早采用的槽形梁桥n 1，其跨度4 8 6 m，主梁间距4 1 m，跨中主梁高3 8 m，支点处梁高2 8 3 m，纵向和横向预应力筋均采用直径为2 8 6 m m 的预应力粗钢筋。此后因槽形梁建筑高度低，隔音效果好，断面空间利用率高，行车安全，外行美观等优点，槽形梁在世界各国逐渐推广。此后修建的比较典型槽形梁有：日本羽昨川桥(中间跨
21、度1 9 8 5 m)，日本荒川桥(跨度3 8 6 m)，德国内卡河桥，比利时阿布尔高架桥，法国巴黎1 3 号高架桥等2 瑚。上世纪八十年代初期，我国在怀柔跨京丰公路建造了双线槽形梁桥，在通县跨京承线建造了单线槽形梁桥，之后槽形梁在我国逐渐得到推广。1 9 9 5 年建成的三跨连续梁的葛水河连续梁，1 9 9 6 年广梅汕铁路畲汕段均采用槽形梁的结构形式吲哺们。上述是槽形梁在铁路工程的应用，近年来随着城市交通事业的发展，许多城市轨道交通也开始采用槽形梁的结构形式，例如上海已建成或在建的轨道交通六号线、八号线，广州地铁二号线，南京地铁二号线等n 嬲m 射。3第1 章引言槽形梁的线路形式包括单线和
22、双线，结构形式包括简支梁与连续梁n 3 1。简支槽形梁大多采用等高度主梁，而连续简支梁主要采用变高度主梁。目前在城市轨道交通中应用的槽形梁以单线简支槽形梁为主。传统的施工方法主要以满堂支架为主，该施工方法具有方便快捷，技术成熟，施工难度小，质量容易保证，支架重复利用率高，无需大型起重设备等优点n 引，因而满堂支架是早期槽形梁旌工最常用的方法。但是该方法必须使用大量支架，并且在施工过程中要阻挡桥下交通。近年来随着施工技术的提高，出现了一些新的施工方法，如整体预制现场吊装，节段预制整体拼装等。这些新方法在工厂预制好构件，现场只要用大型吊机将其吊装到位即可，这样可以有效保证构件施工质量，减少收缩徐变
23、，节约施工场地，加快施工进度，保障道路通畅。因而目前城市轨道交通越来越多的采用这些新的施工方法n。1 2 2 国内外研究现状国外对槽形梁的研究开始于其兴建之时，早期的研究只是把槽形梁作为普通的构件来研究，没有注意到槽形梁与其它构件的受力特点有很大的不同。随着槽形梁的应用越来越普遍，对槽形梁的研究才逐渐深入，开始将其作为一种特殊的构件进行研究。目前，日本已经公布了槽形梁的设计规范，前苏联也发布了类似的设计标准。国内对槽形梁的研究无论从深度还是广度上都较国外充足，主要原因是国内槽形梁是上世纪八十年代才广泛应用的，此时国外交通建设已经达到一定水平，新建项目不多。相比较而言，因经济发展，国内的铁路尤其
24、是轨道交通中新建项目较多，从理论上和实践上都为国内槽形梁的发展提供了许多机会。目前国内外的研究主要集中在如下几个方面：1 采用结构力学、材料力学和弹塑性力学的方法，对槽形梁在荷载作用下的应力和应变状态提出解析解。主要关注的领域包括槽形梁腹板，底板和横梁的纵向正应力、竖向正应力、横向正应力、主拉应力、底板和横梁横向弯矩，因槽形梁扭转变形而产生的扭转剪应力和畸变剪应力，剪力滞效应(底板有效分布范围)，预应力(纵横竖)效应、三条腿不利条件下受力等方面的研究n 儿1 5 1 n 帕n 。2 通过对某一模型试验的试验数据进行分析，并与有限元模型得到的数据对比，提出经验总结。试验包括设计荷载作用下槽形梁的
25、各种响应，极限承载力试验等。主要关注的领域包括槽形梁在设计荷载作用下的强度、刚度和耐久性，腹板、底板和横梁的各向正应力、主拉应力、剪应力和局部受力复杂部分的应力状况研究，剪力滞效应(底板有效分布范围)，预应力(纵横竖)效应的研究，三条腿不利条件下受力的研究n 羽n 引。4第1 章引言3 施工单位对槽形梁这一特殊结构施工方法的研究，主要集中在支架设计，地基处理，模版设计，施工设备，工程造价等方面的研究啪H 2。4 抗震性能的研究。这一方面的研究目前还不是很多凹儿捌。5 设计单位对其设计的槽形梁的设计原则、简化设计方法、主要的结果(内力、应力和位移)和最终采用结构形式(截面和配束)等方面的经验总结
26、。目前的研究主要是纵向抗弯，纵向抗剪，横向抗弯，横向抗剪，局部的应力分析，稳定分析等常规分析n 2 州。6 槽形梁采用新材料(如R P C：R e a c t i v eP o w d e rC o n c r e t e)后受力性能的研究。通过与传统材料的受力性能对比，总结出采用新材料后槽形梁的受力性能和新材料的优势例。1 3 本文的研究内容早期槽形梁主要应用于铁路桥梁中，如英国1 9 5 2 年建造的罗尔什汉桥和上世纪八十年代初期，我国在怀柔跨京丰公路建造的双线槽形梁桥。国内外主要的研究对象是铁路槽形梁。近年来随着城市规模的不断扩大，城市的轨道交通得到很大发展。与铁路桥梁不同，城市轨道交通
27、高架桥梁以客车为主，活载与货运为主的铁路桥梁活载相比小很多，舒适性的要求也高于铁路桥梁。活载的显著减少和舒适性要求的提高使得轨道交通槽形梁结构体系与铁路槽形梁的结构体系有很大不同，表现出不同的性能特征。目前对于城市轨道交通系统中应用的槽形梁研究并不多，本文以南京地铁二号线东延伸段足尺静载试验为工程背景，同时参考上海轨道交通八号线外延伸段槽形梁足尺静载试验，根据两次试验数据和有限元数值计算结果，着重研究以下内容：(1)在设计荷载作用下，槽形梁的应力、变形和抗裂性；(2)在开裂荷载作用下，槽形梁的应力、变形和抗裂性；(3)在破坏荷载作用下，槽形梁的应力、变形和抗裂性；(4)槽形梁的剪力滞效应。在此
28、基础上分析综合得出槽形梁的性能特点，最后针对试验数据和有限元分析结果反映出槽形梁设计中的不足，提出对底板纵向预应力束布置进一步优化的方案。以此作为槽形梁设计工作的重要参考。5第1 章引言2 1 试验背景第2 章试验简介南京地铁二号线东延伸段仙鹤门至仙鹤中站高架区间采用开口薄壁槽形梁，便于压低线路标高，可以改善高架线路纵断面，有效缩短线路长度，降低高架区间及车站建筑高度，并且跨度的变化不影响建筑高度；轨道交通车辆行驶在槽形梁底板上，车辆走行系统的噪声受到两侧主梁上翼缘和腹板阻隔，在一定程度上减少了噪音对周围环境的影响；两侧腹板可以防止出轨车辆倾覆下落，为行车安全提供可靠保障。但是采用槽形梁这种梁
29、形在南京地区尚属首次，为了保证工程质量，检验设计、材料和施工工艺等各个环节的可靠性，保障槽形梁在轨道交通中顺利使用，在槽形梁大量施工开始前，由同济大学桥梁工程系对一孔标准跨径的槽形梁进行足尺静载试验。通过试验获得必要的数据，分析槽形梁在各种荷载作用下的受力与变形特点来指导设计，保障南京地铁二号线东延伸段能够更加安全，更加合理地施工和投入使用。上海轨道交通八号线外延伸段槽形梁和南京地铁二号线东延伸段槽形梁在截面形式上与传统槽形梁截面形式不同，均采用外形优美的“U”形形式。2 2 试验目的槽形梁在国内的工程应用不多，为保障槽形梁在南京地铁二号线东延伸段的安全使用，对现有设计提供验证和完善依据，以及
30、为下一步方案优化和技术推广提供建议，本次试验将通过现场足尺静载试验对槽形梁在使用阶段各种荷载作用下的受力性能、承载力、挠度和抗裂性进行研究，主要包括：(1)在设计荷载作用下，检测桥梁结构的强度、刚度和抗裂性；(2)在开裂荷载作用下，检测桥梁结构的强度、刚度和抗裂性；(3)在2 倍和2 5 倍设计荷载作用下，检测桥梁结构的强度、刚度；(4)按有关桥梁规范来评价桥梁结构的强度、刚度、抗裂性和承载能力等指标是否满足规范设计要求。6第2 章试验简介2 3 试验内容2 3 1 二期恒载施加阶段槽形梁上附属电缆等结构换算成荷载施加于槽形梁上之后，槽形梁各个测点应力和挠度测试，裂缝观测。2 3 2 运营阶段
31、(1)设计荷载作用下，槽形梁整体受力性能和承载力测试，包括主要截面上测点的应力(应力分布)测试，挠度(挠度曲线)测试，裂缝(抗裂性)测试。(2)开裂荷载(1。2 倍设计荷载)作用下，槽形梁整体受力性能和承载力测试，包括主要截面上测点的应力(应力分布)测试，挠度(挠度曲线)测试，裂缝(抗裂性)测试。(3)破坏荷载(2 0 倍设计荷载)作用下，槽形梁整体受力性能和承载力测试，包括主要截面上测点的应力(应力分布)测试，挠度(挠度曲线)测试，裂缝(抗裂性)测试。2 4 试验方案2 4 1 测试对象选择一孔标准跨径2 5 m 的槽形梁进行静载试验，该梁高为1 8 m，梁宽为5 2 0 5 m，底板厚为0
32、 2 8 m，腹板厚为0 2 6 m。试验梁只在纵向布置预应力钢束，纵向按全预应力构件设计，横向按钢筋混凝土构件设计。根据试验前初步计算分析的结果，选择0，1 心，1 组，3 4 L，L 共5 个截面作为试验观测的主要截面。试验梁立面及测试截面布置如图2 1 所示：。一29璺一鲍墼缱图2 1 试验梁立面及测试截面布置图7支座中心线第2 章试验简介2 4 2 测点布置测点布置充分考虑到试验梁的受力特点及以上测试内容的需要，具体布置点位参考了对模拟试验梁初步有限元数值计算成果。为了确保得到充分的数据，本试验在试验梁上布置了足够多的测点。“数字编号错 表示纵向钢弦应变计；“H+数字编号表示横向钢弦应
33、变计；“G+数字编号 表示纵向应变片；“H G+数字编号 表示横向应变片。(1)试验梁预埋钢弦应变计和表面应变片测点布置模拟试验梁测试混凝土应变的钢弦应变计、应变片和跨中底板横向非预应力钢筋应力的钢弦应力计布置见图2 2。共计设有6 4 个钢弦应变计，7 0 个应变片，6 个钢筋应力计。w 城面_G 8卅镰面一一为测横向非预戍力钢筋应力布置的摈弦仪一分肄J 为横向、纵向南簧的振弦仪分别为横向、纵向布置的电阻应变片图2 2 试验梁测试仪器布置图(2)位移计(百分表)布置为了完整地反映试验梁的变形状态，测量所有加载工况下试验梁的变形，在跨中、L 4 处和支点处布置竖向位移计和横向位移位移计，见图2
34、 3 和图2 4，W S 表示竖向测点，W H 表示横向测点。弋塞曼翌垫线21 31 4童麈生坐绻7 5图2 3 控制截面位移测点布置图8第2 章试转简介 图24 什移测点布置图现场钡埋仪器的埋设见嘲25 幽2 8：剐27 竖向位移传凼器，桨底批凝f 麻变片蚓2 8 上兕缘安装的竖向位移传感器第2 章试验简介2 5 试验工况试验加载工况的设计既要尽可能模拟实际受力情况，又要考虑腹板上的测点布置位置，根据试验梁的设计资料确定本试验的加载。试验荷载采用钢锭加载，钢锭放置在模拟轨道的钢板上，以模拟轨道车轮载的作用。2 5 1 二期恒载施加阶段二期恒载主要由桥面铺装、线路设备等组成。二期恒载共计3 3
35、 7 k N m 2 4 9 m=8 3 9 1 k N，其中承轨台和钢轨的重量换算为宽为0 8 m 高为0 4 2 5 m 的承轨台，相当于2 0 8 0 4 2 5 2 6 2 4 3 m=4 2 9 6 k N，剩下4 0 9 5 k N，按纵向带状加载，纵向有三条加载带。2 5 2 运营阶段(1)车辆布置形式南京地铁二号线采用的轨道车为四动两拖六辆车编组，单轴轴重1 6 0 k N，轴重布置形式如下图2 9 所示：l：王I 13：至一2 王1!：鱼I o 王I 12：坌_ l L _ 生鱼。-I o j J _ 上玉量；划图2 9 轴重布置形式图(2)运营阶段加载工况划分为了全面分析车
36、辆荷载作用下槽形梁的受力性能，根据槽形梁立面布置图和轨道车轴重布置图，将车辆轴重按影响线最不利位置布置，分为两种加载方案：跨中弯矩最大加载方案与近支座剪力最大加载方案。本次试验考虑冲击系数，冲击系数取l+u=1+0 8 1 2(3 0 也)=1 1 8。考虑冲击系数后，轴载为1 8 8 k N，其车辆布置如图2 1 0 和图2 1 1。图2 1 0 跨中弯矩最大的加载方案1 0第2 章试验简介图2 1 1 近支座剪力最大的加载方案根据规范要求和现场试验条件，本次静载试验运营阶段加载工况分为五种加载工况：工况一为设计荷载作用下跨中弯矩最大的加载方案；工况二为设计荷载作用下近支座剪力最大的加载方案
37、；工况三为开裂荷载(1 2 倍设计荷载)作用下近支座剪力最大的加载方案；工况四为开裂荷载(1 2 倍设计荷载)作用下跨中弯矩最大的加载方案；工况五为破环荷载(2 0 倍设计荷载和2 5 倍设计)作用下的加载方案。正常使用阶段活载加载(跨中弯矩最大)该工况相当于1 0 0 设计荷载，该工况分4 级加载如表2 1 所示，每级加载完成后记录试验梁的应变和位移，然后开始下一级的加载。其中加载弯矩与设计弯矩的比值按照式2 1 计算。蒜嚣=蒜鬻糕眩1，设计弯矩设计活载弯矩+恒载弯矩一其中：设计跨中弯矩为：9 9 8 2 k N m，设计活载产生的跨中弯矩为3 1 5 7 k N m，恒载产生的跨中弯矩为6
38、 8 0 2 k N m。表2 1 工况一分级加载表工况一l工况一2工况一3工况一4跨中累计弯矩(k N m)1 0 5 4 91 6 5 4 12 1 9 8 63 1 5 7 1加载弯矩设计弯矩0 7 90 8 50 9 01 0 0正常使用阶段活载加载(近支座处剪力最大)该工况相当于1 0 0 设计荷载，该工况分4 级加载如表2 2 所示，每级加载完成后，记录试验梁的应变和位移，然后开始下一级加载。表2 2 工况二分级加载表工况二l工况二2工况二3工况二4跨中累计弯矩(k N m)1 6 3 41 0 3 0 11 1 9 3 61 9 8 1 1加载弯矩设计弯矩O 7 0O 8 4O
39、8 71 0 0开裂荷载阶段活载加载(近支座处剪力最大)该工况相当于1 2 0 设计荷载，该工况分4 级加载如表2 3 所示，每级加载完成后，记录试验梁的应变和位移，然后开始下一级加载。第2 章试验简介表2 3 工况三分级加载表工况三l工况三2工况三3工况三4跨中累计弯矩(k N m)1 0 3 0 11 9 8 1 13 0 1 1 13 2 0 4 7加载弯矩设计弯矩0 8 41 0 01 1 71 2 0开裂荷载阶段活载加载(跨中弯矩最大)该工况先按4 级分别为8 4 9、1 0 1 5、1 1 8 2 和1 2 0 的设计荷载加载，在1 2 0 的设计荷载时未发现底板横向开裂，则再逐级
40、加载，分别为1 2 3 4、1 2 9 8、1 3 0 2、1 3 4 4、1 3 8 7、1 4 3 5、1 5 1 9、1 5 6 5 和1 6 1 的设计荷载，直至1 6 1 的设计荷载时发现底板横向开裂，则以1 5 6 5 的设计荷载，此时活载弯矩为8 7 7 3 0 k N m，作为实际开裂荷载，分级详见表2 4。每级加载完成后，记录试验梁的应变和位移。本工况试验完成后卸载，然后开始下一级加载。表2 4 工况四分级加载表工况四1工况四2工况四3工况四4工况四5工况四6跨中累计弯矩(k N m)1 6 5 4 13 3 0 8 34 9 6 2 45 1 5 3 45 4 8 7 45
41、 8 2 1 4加载弯矩设计弯矩O 8 51 0 11 1 81 2 01 2 31 2 6工况四7工况四8工况四9工况四1 0工况四1 1工况四1 2跨巾累计弯矩(k N m)6 1 5 5 46 5 8 1 47 0 0 7 47 4 8 6 78 3 1 7 48 7 7 3加载弯矩设计弯矩1 3 01 3 41 3 81 4 31 5 21 5 6破坏阶段活载加载该工况先按5 级分别为1 1 0、1 3 2、1 5 2、1 9 3 和2 0 3 的设计荷载加载，在2 0 3 的设计荷载作用下槽形梁跨中上缘混凝土压应变未达到峰值压应变，则再逐级适当加载，分别为2 3 0、2 5 0 和2
42、 7 2 的设计荷载，直至加载至2 7 2 的设计荷载时发现跨中上缘混凝土压应变达到峰值压应变，则以2 7 2 的设计荷载，此时活载弯矩为2 0 3 1 5 7 k N m，作为实际开裂荷载，分级详见表2 5。每级加载完成后，记录试验梁的应变和位移。本工况试验完成后卸载，试验结束。表2 5 工况五分级加载表工况五工况五工况五工况五工况五工况五工况五工况五12345678跨中累计弯矩(k N m)4 1 7 9 96 4 6 7 08 4 4 6 61 2 5 2 8 91 3 4 6 0 11 6 2 0 4 41 8 1 6 9 32 0 3 1 5 7加载弯矩设计荷载1 1 01 3 21
43、 5 21 9 32 0 32 3 02 5 02 7 21 2第3 章有限元分析方法简介第3 章有限元分析方法简介3 1 桥梁空间结构分析方法2 刀锄1 刎铷桥梁空间结构的分析方法包括借助数学工具的解析方法和借助有限元工具的数值方法两大类。解析方法以材料力学、弹塑性力学和结构力学等经典力学理论为基础，借助数学工具得到结构受力状态的解析解，该方法思路清晰，结果准确。但是解析法公式繁多，特别是对于壳体等应用弹性力学分析的结构更为繁琐，一般只应用于形状规则、边界情况简单的情况下，难于解决实际工程中的复杂问题。有限元分析方法的主要思路是将连续结构离散为各种单元，建立刚度矩阵，求解方程得到结果。近年来
44、随着有限元理论和计算机技术的飞速发展，桥梁空间结构分析越来越多地采用有限元分析方法，该方法简单有效，准确性高，所得分析结果较好的满足工程要求。目前空间有限元分析主要包括：空间梁单元法、板壳单元法、梁格方法和实体单元法。3 1 1 空间梁单元法采用空间梁单元时，分析是建立在平截面假定及圣维南扭转假定的基础上的。通过引入适当的位移场，将梁断面上的各参数以结构轴线上的参数来表达，从而把桥梁结构由实际的三维空间结构简化为一维空间杆系，用一维空间梁单元对结构进行离散。采用空间梁单元时具有结构自由度少，易于准备输入数据等优点，但计算结果受假设的位移场影响较大。这种方法的特点是能直接给出计算截面的内力和变形
45、，根据结构受载后截面是否保持平截面，可区分为纯扭转理论和翘曲扭转理论两种。空间梁单元法按纯扭转理论分析的假定为：1 横截面尺寸与跨度相比很小，即可将实际结构视作弹性梁；2 平截面假定，即变形前的平截面变形后仍保持平截面；3 刚截面假定，即变形后梁截面周边形状不变(无畸形)：4 截面剪切中心线与梁截面形心轴线相重合。翘曲扭转理论考虑了截面不再保持平截面即发生了翘曲，增加了截面双力矩阵和翘曲扭矩两项内力。对于混凝土桥梁结构，理论计算和试验均证明，截面翘曲引起的正应力与按扭转理论所得到值相比很小，通常不超过5 1 0。一般按纯扭转理论进行分析可满足设计要求。该方法应用于槽形梁时有很大的局限性，1 3
46、第3 章有限元分析方法简介不能得到结构横向的应力，因此本文不采用此方法。3 1 2 板壳单元法板壳单元假定变形前的中面法线在变形后仍然保持为直线，并且忽略中面法线方向方向的正应力，这样就将三维空间结构简化为二维板壳结构。这种假定对于由薄板或者中等厚度的壳组成的结构有很好的近似性。常用的板壳单元有K i r c h h o f 板和M i n d l i n 板两种类型，前者忽略了横向剪切变形，因而只适用于薄板。后者考虑了横向剪切变形，可以适用于中厚板。采用板壳单元分析箱形梁桥具有很高的分析精度。能够获得纵向应力在横向的分布规律，避免采用剪力滞系数来折算纵向应力。早期的有限元分析中，因计算机容量
47、小，常采用板壳单元，如文献1 1 J 中所述。对于由腹板和底板组成槽形梁来讲，由于腹板和底板厚度与梁体的表面尺寸和跨度相比要小得多，因此可以近似把槽形梁视为空间折板的薄壳结构，并离散成由有限个薄壳单元组成的结构物。本次试验中应用的槽形梁，其腹板为曲线腹板，且形状不规则，用板壳元法分析有大的误差，故本文不采用这种方法。3 1 3 梁格法六十年代初，L i y t h g o o t 和S a w k o 提出了梁格法，该方法的特点是用等效梁格代替原有结构，通过梁格内力和变形的计算来近似求得原来结构相应处的内力和变形。这种方法不仅适用于板式、梁式和箱梁截面桥梁的上部结构，而且对于分析弯、斜梁桥梁桥
48、也很有效。该方法概念清晰，又能满足工程需要，因而在简支梁、连续梁、刚构、拱桥和斜拉桥等桥梁中应用广泛。对于槽形梁来讲，此方法比较容易得到结构的内力和变形，但是应力却难于计算，并且计算结果与试验值误差较大，因此本文不采用梁格法。3 1 4 实体单元法实体单元法通过采用四面体或者六面体单元，直接对结果进行三维分析。采用实体单元可显著地提高分析精度并且能够很好适应各种边界条件，对于结构分析可以获得接近实际情况的结果，因此本文采用实体单元法。常用的实体单元如图3 1 所示【3 1】：1 4第3 章有限元分析方法简介图3 1 实体单元组合图M。弋闸。7O K,L PJR 娜o p t m aq LJT
49、e h a h e c k a lO 绛一 f _ m l n 曲对于预应力混凝土结构，混凝土以实体单元模拟，预应力钢束以杆单元模拟，预应力效应以初应变模拟，并将预应力束节点与混凝土相邻节点在X，Y，z 方向的位移耦合以模拟预应力的作用。预应力束的初应变参考文献【3 2 J 中计算预应力损失的方法扣除预应力损失。3 2 槽形梁有限元模型3 2 1 基本假设本文采用大型有限元分析软件A n s y s 进行有限元数值计算，混凝土用实体单元模拟，预应力钢束用杆单元模拟。预应力对结构的作用通过预应力单元的节点与混凝土单元的节点耦合模拟，普通钢筋对结构的作用通过调整混凝土单元的材料性能(如弹性模量)模
50、拟。本次试验中的槽形梁是由腹板与底板组成的空间复杂结构，受力特性表现出明显的空间特点，采用空间梁单元法、板壳单元法和梁格法均难以得到满意的结果，因此本文采用三维的实体单元法。为了使模型尽可能接近试验条件，建立模型时充分考虑结构的实际空间位置、尺寸、材料特性、连接方式和荷载布置等现场条件，并尽最大可能再现结构原形，如实反映结构形式和尺寸的变化，考虑腹板厚度的变化和倒角等细部构造。在此基础上，进行大规模的足尺试验模型数值分析，得到可靠、全面的分析结果。建立有限元分析模型时，遵循如下几个基本假设：(1)二期恒载至工况四的加载阶段，假定结构整体处于弹性状态，不考虑1 5第3 章有限元分析方法简介材料非