華陽(yáng)特大橋主橋剪力滯效應(yīng)科研課題簡(jiǎn)介

1、華陽(yáng)特大橋剪力滯效應(yīng)科研課題簡(jiǎn)介一、概述1、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)v 道路等級(jí)：城市主干道；v 設(shè)計(jì)荷載：公路I級(jí)；v 設(shè)計(jì)車速： 60km/h；v 航道等級(jí)：V級(jí)；v 通航標(biāo)準(zhǔn)：通航凈高為8m，通航凈寬為130m(通航論證送審稿，已開(kāi)評(píng)審會(huì)，未正式批復(fù))，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(guó)家高程，下同）；v 地震烈度：根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）及中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001），華陽(yáng)特大橋場(chǎng)地的地震基本烈度為VII度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，地震設(shè)計(jì)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(yáng)特大橋工程按照雙

2、向八車道城市主干道標(biāo)準(zhǔn)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(jì)規(guī)范v公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D202006v公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D30-2004v公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D502006v公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD602004v公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D62-2004v公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D63-200

3、7v公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則 JTG/T B02-01-20083、工程規(guī)模華陽(yáng)特大橋?qū)儆谌A陽(yáng)路南延線道路工程項(xiàng)目，跨越潭洲水道。該項(xiàng)目為南北走向，北起佛陳路碧桂花城段，南止于荷岳路。華陽(yáng)特大橋位于東平新城核心區(qū)，連接陳村與樂(lè)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(gè)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(zhǎng)4.8m。圖1 華陽(yáng)特大橋主橋跨中附近截面圖2 華陽(yáng)特大橋主橋支點(diǎn)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(diǎn)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(tái)采用分幅式承臺(tái)，C40砼，每一個(gè)承臺(tái)兩端帶橢圓弧倒角，承臺(tái)尺寸順橋向?yàn)?5.3m，橫橋向?yàn)?8.8m，厚4.5m，并設(shè)0.5m厚的C25承臺(tái)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(tái)標(biāo)高為2.0m。過(guò)渡墩采用分離薄壁空心墩，分離式承臺(tái)。半幅承臺(tái)順橋向尺寸為7

6、00cm，橫橋向尺寸為1200cm；配6根D180cm鉆孔樁。過(guò)渡墩承臺(tái)頂標(biāo)高設(shè)于地面以下約50cm，12#過(guò)渡墩承臺(tái)頂標(biāo)高為2.5m，15#過(guò)渡墩承臺(tái)頂標(biāo)高為2.7m。二、剪力滯效應(yīng)1、研究意義近年來(lái)，隨著我國(guó)交通事業(yè)的大發(fā)展，特別是高等級(jí)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(diǎn)，因此，在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。近幾十年的工程實(shí)踐和研究表明，在對(duì)稱荷載作用下法向應(yīng)力沿橫截面的分布是不均勻的，這種現(xiàn)象在開(kāi)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(yīng)”。對(duì)于箱形薄壁梁橋，寬跨比較大、寬高比較為突出時(shí)，

7、剪力滯效應(yīng)會(huì)更為嚴(yán)重，如果忽略它的影響，勢(shì)必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失利。從1969年11月到1971年11月，在奧地利、英國(guó)、澳大利亞、德國(guó)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(duì)這四座橋的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法進(jìn)行了研究與分析，揭示出這四座橋的計(jì)算方法存在嚴(yán)重的缺陷，其中一項(xiàng)就是設(shè)計(jì)中沒(méi)有認(rèn)真對(duì)待“剪力滯效應(yīng)”，因此導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)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(yīng)力大于靠近翼板中點(diǎn)處的縱向應(yīng)力，稱之“正剪力滯”；而翼板中點(diǎn)處的縱向應(yīng)力大于其腹板附近翼板的縱向應(yīng)力，稱之“負(fù)剪力滯”。為了方便地描述箱形梁剪力滯效應(yīng)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(yīng)大小的主要指標(biāo)，即當(dāng)靠近腹板處翼緣的正應(yīng)力比遠(yuǎn)離腹板處翼緣正應(yīng)力大時(shí)為正剪力滯即>1；當(dāng)靠近腹板翼緣的正應(yīng)力比翼板中心處或懸臂邊緣處翼緣正應(yīng)力小時(shí)為負(fù)剪力滯，即<1。圖3 剪力滯后現(xiàn)象2、研究狀況近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于箱梁剪力滯效應(yīng)問(wèn)題的研究，分別從解析理論、數(shù)值解法和模型試驗(yàn)等方面對(duì)剪力滯效應(yīng)問(wèn)題提出了許多新設(shè)想與新理論。綜合起來(lái)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(wèn)題的理論推導(dǎo)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(duì)象，利用最小勢(shì)能原理，推導(dǎo)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(wú)限寬度的翼緣板，但是實(shí)際上其解答也適合于有限寬度的翼緣板。但由于其分析過(guò)程比較繁復(fù)，使其在工程實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)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(gè)板上，然后應(yīng)用彈性薄板理論，從邊界條件出發(fā)，導(dǎo)出肋板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度公式，獲得剪力滯問(wèn)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(wèn)題比擬成一正交異性板進(jìn)行了分析和研究，并作了一些近似簡(jiǎn)化處理。埃伯德一賽德(Abd

10、elSayed)曾在1969年把正交異性板法應(yīng)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(lái)馬爾科(Malcolm)等人進(jìn)一步用它來(lái)分析加勁箱梁的剪力滯問(wèn)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(yīng)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(jìn)行計(jì)算。折板理論由戈?duì)柕仑惛?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(xiě)成了矩陣形式而適應(yīng)于計(jì)算機(jī)的分析。朱光漢和埃魯特·杜里克則把此法用于復(fù)式折

11、板結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于箱梁橋的分析?？栁倪_(dá)思(Karl Van Dalen)等運(yùn)用上述方法對(duì)寬低箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究，分析了箱梁截面尺寸的多種比值對(duì)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(yīng)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(yīng)。他們認(rèn)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(guò)理想化加勁桿的內(nèi)力來(lái)確定。比擬桿法最早探討這個(gè)問(wèn)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(lái)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(jiǎn)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(lái)庫(kù)恩(Kuhn)等提出一種簡(jiǎn)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(shí)的剪力滯效應(yīng)分析。英國(guó)學(xué)者H.R.伊文斯(H.R.Evans)和A.R.塔海倫(A.R.Taherian)作了進(jìn)一步的改進(jìn)，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(guó)內(nèi)學(xué)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(jì)算問(wèn)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(yīng)用最小勢(shì)能原理，建立控制微分方程，從而獲得應(yīng)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(yīng)用能量變分法分析了雙軸對(duì)稱矩形箱梁剪力滯問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)了研究箱梁剪力滯問(wèn)題的新途徑。國(guó)內(nèi)學(xué)者郭會(huì)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(yàn)和數(shù)值分析加以驗(yàn)證。1982年，伊利諾伊斯大學(xué)副教授福啟(D.A.Foutch)和P.C.張(P.C.Chang)用瑞斯納方法對(duì)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(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了與正剪力滯完全相反的情況負(fù)剪力滯效應(yīng)，并且認(rèn)為負(fù)剪力滯僅僅發(fā)生在非均布力情況。他們認(rèn)為負(fù)剪力滯現(xiàn)象是一種反?，F(xiàn)象。國(guó)內(nèi)學(xué)者程翔云從物理概念上澄清了負(fù)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(fù)雜工程問(wèn)題的一種行之有效的數(shù)值分析法，它能用來(lái)分析等截面或變截面梁橋的剪力滯問(wèn)題。K.R.Moffatt和P.J.Dowling通過(guò)有限單元法對(duì)影響箱梁剪力滯效應(yīng)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(jì)算了變截面箱形連續(xù)梁橋的剪力滯效應(yīng)。2) 有限條法有限條法是從有限單元法發(fā)展出來(lái)的一種半解析方法，與有限單元法相比，它具有簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。此法是分析等截面簡(jiǎn)支梁橋的有效方法。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)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(yīng)的有限差分格式，進(jìn)行變截面箱梁橋的剪滯分析。張士鐸教授用此法對(duì)直線變截面懸臂梁的剪力滯進(jìn)行了分析，并探討了負(fù)剪力滯規(guī)律；有關(guān)文獻(xiàn)用差分法計(jì)算了變截面多跨梯形箱粱的剪力滯，并與模型試驗(yàn)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(lái)的一種半

17、解析法。由我國(guó)學(xué)者羅旗幟最早提出的一種分析剪力滯效應(yīng)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?jiǎn)卧陌虢馕鲇邢薅文Ｐ?，將三維空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為一維空間，實(shí)現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)分析中自動(dòng)計(jì)入剪力滯效應(yīng)的功能。該法被推廣應(yīng)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(yàn)科學(xué)試驗(yàn)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(yàn)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(jī)玻璃制作的梁式橋模型，測(cè)試了13個(gè)方案31個(gè)截面的剪力滯效應(yīng)，驗(yàn)證了簡(jiǎn)支矩形箱梁的剪力滯理論。有關(guān)文獻(xiàn)制作了兩個(gè)不同橫截面尺寸的箱粱有機(jī)玻璃模型，針對(duì)箱梁在軸向和

18、橫向荷載共同作用下的剪力滯問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了一些重要結(jié)論。有關(guān)文獻(xiàn)制作了5個(gè)不同鋼箱梁模型，分別對(duì)單箱單室、單箱雙室及組合箱梁的剪力滯進(jìn)行試驗(yàn)研究，為制定英國(guó)橋梁規(guī)范提供了參考。近幾年來(lái)，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(jì)人員常采用模擬實(shí)橋進(jìn)行試驗(yàn)研究。我國(guó)錢塘江公路二橋進(jìn)行了1：40的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究了變截面多跨連續(xù)梁的剪力滯效應(yīng)，并提出了簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。它們分別驗(yàn)證了現(xiàn)有的剪力滯理論。3、研制思路及目標(biāo)華陽(yáng)特大橋主橋的跨中截面和支點(diǎn)截面，如圖1和圖2所示。以往的研究表明，對(duì)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(guò)程是一個(gè)自重逐漸累加的過(guò)程,在懸臂澆筑初始階段,箱梁的空間效應(yīng)明顯,應(yīng)按空間結(jié)構(gòu)分析其受力,此時(shí)若仍按平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算將帶來(lái)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(fù)剪力滯效應(yīng),其正應(yīng)力分布規(guī)律與諸多因素有關(guān)。對(duì)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(yīng)的主要原因,掛籃等集中荷載對(duì)剪力滯效應(yīng)沒(méi)有影響。(3) 單箱