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1、一、概念在超静定结构中,由于多余约束的存在,使结构在多余约束方向的变形受到限制,从而在该方向产生内力,该内力即次内力。(1)连续梁受温度作用5.1 次内力的概念与特点第1页/共42页(2)连续梁受预应力作用二、特点(1)仅发生在具有多余约束的超静定结构中;(2)次内力产生在变形受约束的方向,一般仅在支点上产生反力,内力形状在跨间成直线变化;(3)次内力改变了结构的初始内力分布(内力重分布)。第2页/共42页1、计算体系在成桥体系上计算。2、计算方法活载效应ML=(1+)m M0式中,M0 通过纵向影响线加载,求得的一列车队的最不利内力;车道折减系数,双车道不折减,三车道折减0.78,四车道折减
2、0.67;(1+)活载冲击系数,与结构一阶频率f1、二阶频率f2有关;m 活载横向分布系数。考虑活载偏心影响的提高系数,一般为1.15。5.2 活载内力计算第3页/共42页3、横向分布计算(1)当结构为单箱单室截面时,m=车道数。(2)当结构为多箱刚接时,计算每个单箱的横向分布系数,从而求得各个单箱的活载内力。(3)当结构为单箱多室截面时(宽桥),由于横向受力的不均匀性,需要将截面分成多个工字形截面,截面之间刚接,计算各工字截面的横向分布系数,从而求得每个工字形截面的活载内力。第4页/共42页横向分布计算方法:(1)等代简支梁法:按挠度等效的原则,对连续梁的刚度进行折减,采用简支梁中的刚接法或
3、铰接法计算。(2)横向框架分析法 若求某截面x的横向影响线,先在该截面处作用一单位集中力,计算该截面的竖向变形。则该截面的刚度为:k=1/。将横截面以单位长度的框架代替,在腹板处作用弹性支撑,各弹性支撑的弹簧刚度为:ki=k/n。n为腹板的个数。第5页/共42页 在横向框架上计算横向影响线yi。在横向影响线上,按规范要求进行横向加载,求得各梁横向分布系数mi。对1号梁:当p=1作用在1号梁时:y1i=1-Qiy2i=+Qi当p=1作用在2号梁时:y1i=-Qiy2i=1+Qi第6页/共42页梁式桥在温度、混凝土收缩徐变等作用下,梁在顺桥向将产生变形,引起支座的滑动,从而使得支座对结构产生与移动
4、方向相反的摩阻力H:Hi=Ri fRi为恒载作用下的支座反力,f为支座摩阻系数,一般为0.06。支座摩阻力除对梁体施加轴向力之外,还对支座处的主梁截面施加了附加弯矩的作用Mi Hi ei。5.3 支座摩阻力第7页/共42页1、计算方法先计算每个支点单独发生沉降i时引起各控制截面的次力矩,再根据实际可能出现的沉降情况,进行线性叠加,得到各截面的最不利沉降内力;同时需要考虑沉降的发生速度对次力矩的影响。2、计算过程5.4 基础沉降内力截面编号123支点0沉降0M10M20M30支点1沉降1M11M21M31支点2沉降2M12M22M32支点3沉降3M13M23M33支点4沉降4M14M24M34最
5、大弯矩Mmax正值相加正值相加正值相加最小弯矩Mmin负值相加负值相加负值相加第8页/共42页3、考虑沉降随时间变化时的次力矩由于支点沉降是缓慢发生的,需要经过很长的时间,沉降才能接近终值。为简化计算,假定沉降变化规律类似于混凝土徐变变化规律。混凝土徐变变形为:x徐变=x弹(1-e-)/因此,沉降变化规律为:徐变=弹(1-e-)/若徐变终极值k=2,则沉降内力折减系数k为:k=(1-e-)/=(1 e-2)/2=0.432规范规定,沉降内力折减系数k为0.50。第9页/共42页1、静定结构中预加力的作用 可直接写出任意截面A-A由于预应力而产生的截面内力:MA=N cosi yi NA=N c
6、osiQA=N sini5.5 预应力对结构的作用第10页/共42页2、超静定结构中预加力的作用超静定结构中,除预加力产生的MA、NA、QA外,由于多余约束的存在,还产生次内力。(a)为预应力在各截面上对形心轴所产生的弯矩初预矩;(b)为预应力在超静定结构中产生的次力矩;(c)、(d)为预应力在结构中的总预矩、总预剪力。第11页/共42页3、预应力效应计算的等效荷载法(1)计算原理预应力混凝土结构是预加力和混凝土压力相互作用,并取得内力平衡的体系。为分析其相互作用,可把预应力束和混凝土视为分别独立的脱离体,通过分析预应力束脱离体的受力平衡,反向施加于混凝土,即可得到预加力对结构的等效荷载(由林
7、同炎提出)。第12页/共42页(2)计算方法如图所示,任意形状的预应力束,其张拉力为N,分析刚束的平衡。1)在锚固端(A、G点)混凝土梁受到压力作用:NA=N cosA NQA=N sinAMA=NA eA N eA第13页/共42页2)在折线点F处取出该点附近小段预应力束,分析F点的受力平衡:由水平力平衡H=0:NF-N cos1+N cos2=0 NF=N(cos1-cos2)由竖向力平衡V=0:QF+N sin1+N sin2=0 QF=-N(sin1+sin2)由此得到等效荷载为:N*F=-NF=-N(cos1-cos2)()Q*F=-QF=N(sin1+sin2)()M*F=N*F
8、eF=-N(cos1-cos2)eA (逆时针)第14页/共42页3)在曲线DE段内在曲线长度范围内,钢束对混凝土产生分布的径向力q。如图,取出预应力束上的微段ds,分析ds的受力平衡:由V=0:2N sin(d/2)-q ds=0因为sin(d/2)d/2,故N d =q ds q=N d/ds由于ds=d,故q=N/相应的等效荷载向下作用于混凝土。当曲线为圆弧时,=R,故q=N/R第15页/共42页4)等效荷载整根预应力束的等效荷载为:第16页/共42页1、温度对桥梁结构的影响(1)在大跨度桥梁中,温度产生的应力可达到或超过活载应力;(2)是产生预应力混凝土桥梁裂缝的主要原因。(3)引起桥
9、梁结构变形,当变形受到约束时,将产生次内力,使结构发生内力重分布。2、温度场的确定(1)温度作用分类 整体温度作用:指季节温差变化,常年缓慢变化的环境温度。将导致桥梁发生纵向位移,该位移一般通过伸缩缝、支座位移或柔性桥墩等适应,不引起桥梁结构的次内力。局部温差作用:如日照、降雨等引起截面顶板温度高于或低于腹板和底板,导致温度次内力和温度次应力,是产生裂缝的主要因素,在静定及超静定结构中均可发生。5.6 温度影响力计算第17页/共42页3、截面各部分温度场的确定一般地,温度场属于三维热传导问题,精确计算很复杂。桥梁为狭长结构,箱形截面有悬臂,腹板直接受日晒时间较短,底板终日不受日照,只有顶板全天
10、受日照作用,因此,可将箱梁的三维热传导简化为一维热传导问题,即,温度仅沿梁高变化。温度场分为线性变化和非线性变化两种:第18页/共42页4、温度应力计算(1)计算假定温度沿桥长均匀分布;混凝土为弹性均质材料;截面变形符合平截面假定。(2)温度应力组成在非线性温度梯度作用下,截面变形受到纵向纤维之间的相互约束,在截面上产生自平衡的纵向约束应力(自应力)。在超静定结构中,温度变形受到约束时,在结构内产生次内力,由此引起的应力为温度次应力。第19页/共42页(3)温度自应力s计算设温度梯度为t(y),取单位梁长微分段。若纵向纤维之间互不约束且可自由伸缩,在t(y)作用下,沿梁高各点的自由变形为:t(
11、y)=t(y),变形形状与温度t(y)的形状一致。但由于纵向纤维之间存在着相互约束,梁截面的最终变形需服从平截面假定,即截面最终变形为直线:f(y)=0+y自由变形与实际最终变形之差(图中的阴影部分),由纤维之间的约束产生,其值为:(y)=t(y)-f(y)=t(y)(0+y)由应变产生的应力称为温度自应力:s(y)=E (y)=E t(y)(0+y)第20页/共42页自应力s是自相平衡的应力,可利用截面上应力总和和轴力N和对形心轴的弯矩为零的条件,求出0和。轴力:弯矩:利用N=0和M=0的条件:第21页/共42页注意到:故有 求解上式可得截面变形曲率、沿梁高y=0处的变形0:求出和0后,代入
12、s(y)中,可求得梁高各点的温度自应力值。第22页/共42页(4)温度次应力计算力法首先计算由温度梯度引起的结构次内力,然后用材料力学公式计算次应力。力法计算时,取简支梁为基本体系,已知任意截面的温度应变0及曲率。则由温度应变引起的B端的变形为:伸长:L=Lcdx=L(0+yc)dx =(0+yc)L转角:=LM1(x)(x)dx =L(x/L)dx=L/2 第23页/共42页如:两跨连续梁,取基本体系为简支梁,则力法方程为:11 x1+1t=011=2L/3EI,1t=2 L/2=L由此求得:x1=-3EI /2A点自应力:s(y)=E t(y)(0+y)次应力:2(y)=MA y/I=-3
13、E y/4第24页/共42页(5)温度次应力计算位移法在超静定结构中,上述温度变形0及曲率将受到多余约束的限制,引起温度次内力。当按矩阵位移法求解时,取两端固定杆单元,此时温度变化引起的单元固端力向量可由截面变形曲率及沿梁高y=0处的变形0直接写出:第25页/共42页5、计算示例温度梯度:变形曲率:当温度梯度为线性分布时:t(y)=a+k y温度自应力:s(y)=E (a+k y)(0+k )=0第26页/共42页一、混凝土徐变、收缩的概念1、轴心受压混凝土柱体的变形 混凝土柱体在龄期 0施加荷载P,至时间 1后卸去荷载的变形过程:(1)加载时,混凝土柱体产生的瞬时弹性应变e;(2)加载前,混
14、凝土就产生的随时间增长的收缩应变s;(3)长期持续荷载作用下,混凝土柱体随时间所增加的附加应变c,即徐变;(4)在 1时刻卸去荷载,混凝土柱体除瞬时恢复弹性应变e外,还随时间恢复了一部分附加应变 v(滞后弹性应变),残留而不可恢复的附加应变部分为屈服应变 f。徐变应变:c=v+f 总应变:b=s+e+(v+f)5.7 混凝土收缩徐变效应第27页/共42页试验表明,加载初期徐变增长较快,后期变慢,几年后就停止增长。结构的累计徐变变形可达到同应力下弹性变形的1.53倍或更大。第28页/共42页2、徐变与收缩的影响因素(1)收缩机理 1)自发收缩:水泥水化作用(小)2)干燥收缩:内部吸附水蒸发(大)
15、3)碳化收缩:水泥水化物与CO2反应(2)徐变机理(ACI209,1972)1)在应力和吸附水层润滑作用下,水泥胶凝体滑动或剪切产生的粘稠变形;2)应力作用下,由于吸附水的渗流或层间水转动引起的紧缩;3)水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性应变;4)局部发生微裂、结晶破坏及重新结晶与新的连结所产生的永久变形。(3)影响因素 (1)混凝土的组成材料及配合比;(2)构件周围环境的温度、湿度、养护条件;(3)构件的截面面积;(4)混凝土的龄期;(5)应力的大小和性质。第29页/共42页3、徐变与收缩对桥梁结构的影响 (1)结构在受压区的徐变和收缩将引起变形的增加;(2)偏压柱由于徐变使
16、弯矩增加,增大了初始偏心,降低其承载能力;(3)预应力混凝土构件中,收缩和徐变导致预应力损失;(4)结构构件表面,如为组合截面,收缩和徐变引起截面应力重分布;(5)超静定结构,引起内力重分布;(6)收缩使较厚构件的表面开裂。第30页/共42页4、线性徐变与非线性徐变 (1)线性徐变理论 徐变应变c与弹性应变e成线性关系,其比例系数为徐变系数,它与持续应力的大小无关:=c/e 适用性:桥梁结构中,混凝土的使用应力一般不超过其极限强度的40 50%,试验发现,当混凝土柱体应力不大于0.5fck时,徐变变形与弹性变形之比与应力大小无关的假定是成立的。(2)非线性徐变理论 徐变系数与持续应力的大小有关
17、,即徐变应变与弹性应变不成线性关系。(3)分析混凝土徐变时的基本假定 1)采用线性徐变理论;2)不考虑结构配筋的影响,把结构当作素混凝土;第31页/共42页二、混凝土徐变系数的数学表达式1、徐变系数的定义 混凝土的徐变大小,通常采用徐变系数(t,)来描述。目前国际上对徐变系数有两种不同的定义。令时刻开始作用于混凝土的单轴向常应力s()至时刻t所产生的徐变应变为ec(t,),第一种徐变系数采用混凝土28天龄期的瞬时弹性应变定义,即 CEB-FIP标准规范(1978及1990)及英国BS5400(1984)均采用该定义方式。徐变系数的另一种定义为 这一定义是美国ACI209委员会报告(1982)所
18、建议的。第32页/共42页2、徐变数学表达式 目前国内外对混凝土徐变的分析存在各种不同的理论,考虑的因素不尽相同,采用的计算模式也各不相同。归纳起来,有以下两种表达方式:(1)将徐变系数表达为一系列系数的乘积,每一个系数表示一个影响徐变值的重要因素,如英国BS5400(1984)、美国ACI209(1982)、CEB-FIP(1990)、我国2004桥梁规范等。(2)将徐变系数表达为若干个性质互异的分项系数之和,如CEB-FIP(1978)、我国1985桥梁规范等。以上徐变表达式均以试验为依据,通过大量的试验数据总结出相应的经验公式,因此其计算结果与实际的差别较小。但公式包含的参数众多,比较复
19、杂,不适合进行理论分析。可在电算中采用。第33页/共42页3、偏重理论的徐变数学表达式 除以上表达式外,为便于理论分析,以试验为依据,经过适当假设,提出理论上的徐变计算公式。一般从以下两方面来讨论:1)加载龄期与徐变系数(t,)的关系 根据对加载龄期与徐变系数(t,)的关系的不同假定,可以得出三大理论:老化理论,先天理论和混合理论。2)徐变基本曲线的函数(t,0)在假定加载龄期与徐变系数(t,)的关系时,需要预先知道当=0时的徐变系数曲线,即(t,0)。目前,徐变基本曲线的函数(t,0)最广泛采用狄辛格(Dischinger)公式,因此,(t,0)的表达公式又叫狄辛格公式。第34页/共42页(
20、1)(t,)与与 的关系的关系 老化理论老化理论:不同加载龄期的混凝土,其徐变曲线在任意时刻t徐变增长率都相同,即(t,)与无关。由此得出:a、已知(t,0),将该曲线垂直平移可得(t,1)、(t,2)、(t,3)、;b、(t,)=(t,0)-(,0)c、增大到一定值(35年),(t,)0。先天理论先天理论:不同加载龄期的混凝土,其徐变增长规律均相同,即(t,0)可表示为(t-0)。由此得出:a、已知(t,0),将该曲线水平平移可得(t,1)、(t,2)、(t,3)、;b、(,)不因而变化,即(,)=k0;c、加载龄期不同,但持续荷载作用时间(t-)相同,则发生的徐变系数相同,即(t,0)=(
21、t+i,0+i)混合理论混合理论:加载初期用老化理论,加载后期用先天理论。第35页/共42页(2)徐变基本曲线的函数)徐变基本曲线的函数 (t,0)狄辛格于1937年提出徐变基本曲线公式:式中,k0加载龄期=0、t=时的徐变系数(终极值);徐变增长速度系数;(t,0)加载龄期=0的混凝土在t时的徐变系数。有了徐变基本曲线公式(t,0),应用老化理论或先天理论,可得出一般的徐变系数(t,t)的计算公式。例如,由老化理论:第36页/共42页(3)三种徐变理论的比较)三种徐变理论的比较 a、老化理论 对早期混凝土符合较好,对后期加载的徐变系数偏低,不能反映早期加载时徐变迅速发展的特点与滞后弹变,因而
22、虽然计算简单,但难以反映实际情况,往往与试验不符,因此,老化理论渐被淘汰。b、先天理论 不能反映加载龄期的影响,只考虑持荷时间,当持荷时间无穷大时,不同加载龄期的徐变系数都有相同的徐变终极值,因而在缺少实测资料时亦很少应用。先天理论比较符合后期加载的情况。c、混合理论 与上述两种理论相比,一定程度上更好地反映了徐变的基本特征,但对于加载初期,尤其是早期加载的混凝土徐变迅速发展的情况不能很好地反映,对于构件厚度、混凝土配合比的影响都没有给出。第37页/共42页三、徐变应力-应变关系 1、徐变作用下结构的总应变(t)在线性徐变理论中通过徐变系数和弹性应力即可求出总应变。(1)应力不变条件下:(t)
23、=e+c(t)=e1+(t,)其中,徐变系数(t,)是指加载时刻为的t时刻的徐变系数。(2)连续变化的应力条件下:第38页/共42页2、应力-应变关系的代数方程表达式 作变换:式中,c(t)、c(t)称徐变应力和徐变应变。设混凝土弹性模量为常数,E(t)用常量E代替,将上式代入(1),则式(1)变为 由于上式含有对应力历史的积分,因此在分析中直接应用上式求解是困难的。一般采用积分中值定理,将积分方程转化为代数方程求解,并消除计算式中的应力历史。由公式(2)得应用积分中值定理,并注意到c(t0)=0,则第39页/共42页式中,0 t,E=E(0),引入老化系数(t,0)(最初H.Trost称其为
24、松弛系数,1972年T.P.Bazant改称老化系数,有些文献也称为时效系数):于是,式(5)可写为:第40页/共42页式中,E为按龄期调整的有效模量或徐变等效弹性模量:公式(6)称为Trost-Bazant法,它是工程实用分析的基本方程。老化系数(t,0)可根据实验结果曲线插值计算,但不便于电算。也可根据所采用的徐变系数表达式进行推算。许多学者假定了应力随时间的变化规律(即(t)与(0)的变化关系),从而求出(t,0)。金成隶假设应力变化符合老化理论,即设:(t)=(0)e-(t,0),则有:在实际分析中,不必过分追求老化系数的精确程度,因为徐变计算误差最大的方面还在于徐变系数的选择。第41页/共42页42/43谢谢您的观看!第42页/共42页