橋梁工程設計實例及智能建模分析 課件匯 第1-7章 橋梁工程設計教學導論 -預應力混凝土簡支箱梁橋設計

橋梁工程設計實例及智能建模分析（第1版）

橋梁工程設計教學導論橋梁智能設計軟件及建模簡介鋼筋混泥土空心板橋結構設計鋼筋混凝土簡支T梁橋結構設計第一章第二章第三章第四章橋梁工程設計實例及智能建模分析預應力混凝土簡支T梁橋設計預應力混凝土簡支箱梁橋設計預應力混凝土簡支T梁橋智能設計第六章第七章第八章第五章預應力混凝土空心板橋結構設計第九章預應力混凝土簡支箱梁橋智能設計橋梁工程設計實例及智能建模分析斜拉橋智能設計懸索橋智能設計第十一章第十二章第十章鋼管混凝土拱橋智能設計橋梁工程設計實例及智能建模分析

第1章

橋梁工程設計教學導論

學習目標

橋梁工程設計教學一般包括橋梁工程課程設計和畢業設計。橋梁工程課程設計主要涉及鋼筋混凝土空心板梁和鋼筋混凝土簡支T梁設計等內容;橋梁工程畢業設計內容主要涉及預應力混凝土空心板梁、預應力混凝土T梁、預應力混凝土箱梁等內容。在人工計算的基礎上,本教材根據不同橋型特點選擇用橋梁智能設計軟件建模分析預應力混凝土T梁、箱梁和鋼管混凝土拱橋、斜拉橋及懸索橋,達到使讀者掌握理論與實際結合進行橋梁設計,同時提升橋梁智能設計能力的目的。

1.1橋梁工程設計內容

橋梁工程設計總體包括橋梁結構布置、構件截面尺寸估選、設計計算、根據構造要求確定參數以及結構施工圖的繪制等,在教學中以課程設計和畢業設計的形式具體體現。1.1.1課程設計計算

橋梁課程設計的內容一般為:①橋梁截面形式及截面尺寸的擬定;②正截面強度計算;③斜截面抗剪強度計算;④斜截面抗彎強度驗算;⑤應力驗算;⑥裂縫最大寬度驗算;⑦變形(撓度)驗算。第一章橋梁工程設計教學導論

1.1.2畢業設計計算

橋梁畢業設計的內容主要涉及預應力混凝土梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋的設計計算。其中預應力混凝土梁橋設計計算內容為:①主梁的構造布置和材料選擇;②預應力鋼筋的估算和布置;③預應力鋼筋的預應力損失計算及有效預應力計算;④預應力混凝土受彎構件的應力計算;⑤預應力混凝土受彎構件的強度計算;第一章橋梁工程設計教學導論

⑥預應力混凝土的抗裂性驗算;⑦端部錨固區計算;⑧變形(撓度)計算。本書以預應力混凝土簡支T梁和箱梁橋為例,分別采用Midas/Civil智能設計軟件和橋梁博士智能設計軟件進行建模計算。

拱橋、斜拉橋、懸索橋多用于大跨徑且多為多次超靜定結構,這三種橋型均采用Midas/Civil軟件進行計算。Midas/Civil軟件和橋梁博士軟件建模計算一般分為前處理和后處理兩個部分,前處理主要包含定義材料和截面、建立節點、建立單元、定義邊界條件、定義荷載工況、輸入荷載;而后處理主要包括分析計算和查看及導出計算結果。通過分析橋梁智能軟件計算的結果,可以輔助橋梁設計,也可以為橋梁健康檢測提供分析依據。第一章橋梁工程設計教學導論

⑥預應力混凝土的抗裂性驗算;⑦端部錨固區計算;⑧變形(撓度)計算。本書以預應力混凝土簡支T梁和箱梁橋為例,分別采用Midas/Civil智能設計軟件和橋梁博士智能設計軟件進行建模計算。

拱橋、斜拉橋、懸索橋多用于大跨徑且多為多次超靜定結構,這三種橋型均采用Midas/Civil軟件進行計算。Midas/Civil軟件和橋梁博士軟件建模計算一般分為前處理和后處理兩個部分,前處理主要包含定義材料和截面、建立節點、建立單元、定義邊界條件、定義荷載工況、輸入荷載;而后處理主要包括分析計算和查看及導出計算結果。通過分析橋梁智能軟件計算的結果,可以輔助橋梁設計,也可以為橋梁健康檢測提供分析依據。第一章橋梁工程設計教學導論

⑥預應力混凝土的抗裂性驗算;⑦端部錨固區計算;⑧變形(撓度)計算。本書以預應力混凝土簡支T梁和箱梁橋為例,分別采用Midas/Civil智能設計軟件和橋梁博士智能設計軟件進行建模計算。

拱橋、斜拉橋、懸索橋多用于大跨徑且多為多次超靜定結構,這三種橋型均采用Midas/Civil軟件進行計算。Midas/Civil軟件和橋梁博士軟件建模計算一般分為前處理和后處理兩個部分,前處理主要包含定義材料和截面、建立節點、建立單元、定義邊界條件、定義荷載工況、輸入荷載;而后處理主要包括分析計算和查看及導出計算結果。通過分析橋梁智能軟件計算的結果,可以輔助橋梁設計,也可以為橋梁健康檢測提供分析依據。第一章橋梁工程設計教學導論

第一章橋梁工程設計教學導論1.2課程設計和畢業設計目的及作用

橋梁工程相關專業課程設計和畢業設計是高等學校教學過程中一個重要的綜合性教學實踐環節,也是實現本科培養目標要求的重要階段。課程設計是結合橋梁工程課程教學過程設置的,目的是加強學生對橋梁設計的理解和應用;畢業設計是學生在完成全部課程學習以后,按照教學大綱的要求,在教師指導下獨立完成的一項工程設計。通過課程設計和畢業設計,學生能綜合運用和鞏固已學的基礎知識與專業知識,培養自身分析問題與解決問題的能力。對于學生來說,課程設計和畢業設計是學習深化、知識拓展、綜合訓練的重要過程,是學習、研究與實踐成果的全面總結,是綜合素質與工程實踐能力培養效果的全面檢驗,是課程和畢業乃至學位資格認定的重要依據。

第一章橋梁工程設計教學導論

橋梁工程相關專業課程設計和畢業設計不僅是道路與橋梁工程專業學生必須掌握的核心技能,也是橋梁工程建設中的重要一環,對于學習者的主要作用體現在以下幾個方面:(1)鞏固與運用橋梁理論的基本概念和專業知識。(2)查閱并使用各種規范、規程和專業參考資料的能力。(3)感知工程設計意識,提高概念設計的能力。(4)熟悉設計步驟并實踐相關設計內容。(5)提高設計計算能力和施工圖識繪的表達能力。(6)探索主動思考,通過主動辨析解決工程實踐問題的能力。(7)提升語言表達能力和團隊合作精神。

第一章橋梁工程設計教學導論1.3課程設計和畢業設計基本要求

課程設計和畢業設計要按正規的程序來進行。課程設計和畢業設計由指導教師編制設計任務書,其主要內容包括設計構思、方案論證、計算分析、繪制工程圖、編制設計說明書和計算書等。學生的設計題目可以直接來自工程建設或科研項目的實際課題,也可以是有某工程背景的模擬課題。但是,不論是哪種課題,都應該有明確的教學要求;不論是做哪種課題,都應該要求學生以嚴謹、勤奮、求實、創新的良好學風完成整個課程設計或畢業設計工作。

第一章橋梁工程設計教學導論

課程設計和畢業設計均要求學生具備理論聯系實際的專業綜合能力,且設計過程中的各個階段、每個環節都有著各自的特點和要求。要做好這兩項設計應做到以下幾點:1)內容科學、態度嚴謹、表達規范

課程設計和畢業設計與其他工程設計、產品設計一樣,包括設計方案、圖紙及其解釋說明資料,都是一種技術性文件。技術性文件要求內容科學、態度嚴謹、表達規范,必須確切地表達事物的本質特征,以及這一事物和其他事物的區別性。這就要求繪圖準確、清晰,敘述客觀、合理,避免絕對化。

第一章橋梁工程設計教學導論2)語言精確、簡潔、清晰、樸實

課程設計和畢業設計中自然語言符號系統和人工語言符號系統(技術性術語圖表、公式等假定性符號)結合使用,以便更精確地表達所反映的事物及其規律,既要闡明事物定性的確切性,又要表達出事物數量上的差異性,切忌語言形容夸張和含糊其詞。3)處理好詳略關系

設計說明書在處理詳寫與略寫的關系上與其他文體截然不同。對設計所依據的原理可以略寫,在理論方面也不必發揮,而對于設計所涉及的技術方面的問題,如方案的選擇與論證,應詳細寫清楚;對于計算要極為慎重,對工程中的一些細節也不可忽視。

第一章橋梁工程設計教學導論1.4課程設計和畢業設計前期準備1)下達任務書

課程設計任務書和畢業設計任務書是向學生下達設計任務的文件,一般由指導教師制定,經教研室和系審批后發給學生。其內容一般包括:①設計題目;②院、系、專業名稱,學生姓名、學號,指導教師姓名以及進行設計的時間、地點;③設計的目的和要求;④設計的主要內容,包括研究專題及技術要求等;⑤設計的原始數據及應收集的基本資料;⑥說明書應該論述的內容及應該完成圖紙的名稱、規格和數量;⑦主要參考資料等。

第一章橋梁工程設計教學導論2)擬定進度計劃

課程設計和畢業設計開始前,由指導教師擬定詳細的設計進度計劃表。進度計劃表內容包括起止日期、周次、各設計階段的詳細任務、工作內容要求、完成時間及占工作量的百分比等。3)了解設計意圖

學生接到設計任務書之后要認真閱讀教師編寫的設計任務書和指導書,了解整個設計的目的、意圖、設計依據、設計標準、設計內容和基本要求。一個好的設計,除技術先進外,還要經濟合理,符合國家規定的建設方針和技術政策。

第一章橋梁工程設計教學導論4)資料準備

課程設計或畢業設計的資料準備,主要通過調查研究、查閱中外文獻和采集網絡信息資料,以及參加專業實習兩個渠道進行。一方面在進入專業課學習時,就要根據自己興趣、愛好、特長以及客觀條件,考慮自己課程設計或畢業設計的選題方向,有目的、有計劃地查閱與選題方向有關的文獻資料,進行一般目標上的資料收集;另一方面在參加生產實習及畢業實習的過程中搜集專業資料。

第一章橋梁工程設計教學導論1.5課程設計和畢業設計能力培養和選題原則1.5.1能力培養

土木工程專業本科橋梁工程方向課程設計的時間一般為1周,畢業設計的時間一般為12~16周。設計因學科類型、指導教師不同,要求學生在兩種設計中所完成的內容也不盡相同。對于土木工程專業橋梁工程方向的學生來說,要想在這么短的時間內完成工程各階段的規劃、設計工作是不可能的。教師只能選擇對某一階段的某些重點內容下達課程設計或畢業設計任務,并通過其他手段和措施使學生了解和掌握設計的全過程,既要適應教學需要,又不能完全按實際工程設計的工作階段和深度要求學生。因此,課程設計或畢業設計作為培養學生創新精神和實踐能力的一次較為系統的訓練,應注重以下幾方面能力的培養。

第一章橋梁工程設計教學導論(1)調查研究、查閱和應用中外文獻及采集網絡信息資料的能力。(2)理論分析、運用所學知識進行綜合分析、比較,構思設計方案的能力。(3)設計、計算及制圖的能力。(4)計算機專業軟件的應用及數據處理的能力。(5)綜合分析、凝練創新、編制設計說明書的能力。(6)外語閱讀與翻譯的能力。

第一章橋梁工程設計教學導論1.5.2選題原則

課程設計和畢業設計首先要進行課題選擇、編制設計任務書。這個環節工作的好壞直接影響著整個設計的進度和質量。設計選題應遵循的基本原則如下:1)專業性原則

選擇要符合專業培養目標,有利于學生的綜合訓練和各種能力的培養,緊跟時代科技發展,力求有利于鞏固、深化學生所學的知識;有利于培養學生的獨立工作能力和創新能力;有利于使學生得到較全面的專業基本訓練和科研工作能力的培養。

第一章橋梁工程設計教學導論2)實踐性原則

設計的選題應盡可能結合生產實踐、社會實踐和科研實踐,鼓勵學院與科研院所、大型企事業研發和生產單位聯合擬定選題,促進產、學、研的結合,增加課程的應用價值,有條件的可采取校內外聯合指導的方式。3)創新性原則

設計的選題應突出創新性,充分發揮學生的專長和創造潛能,要結合學科創新、技術創新和具體產品創新,注重新技術、新理論、新方法的運用,使設計題目在難度適中的情況下盡可能反映科技創新和社會生產創意的需要。

第一章橋梁工程設計教學導論4)可行性原則

設計的選題在深度、廣度和難度上應適當,符合本科生知識、能力、水平和工作條件的實際,既要滿足本科設計工作量的要求,又要避免工作量過多或過少的兩個極端,保證學生通過努力能夠按時完成設計任務。5)多樣性原則

設計的選題要覆蓋到專業的各個方面,避免千篇一律;要貫徹因材施教的教育方針,鼓勵學生根據興趣在教師指導下自擬題目,并創造性地開展設計。

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橋梁工程設計教學導論橋梁智能設計軟件及建模簡介鋼筋混泥土空心板橋結構設計鋼筋混凝土簡支T梁橋結構設計第一章第二章第三章第四章橋梁工程設計實例及智能建模分析第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介第一章橋梁工程設計教學導論預應力混凝土簡支T梁橋設計預應力混凝土簡支箱梁橋設計預應力混凝土簡支T梁橋智能設計第六章第七章第八章第五章預應力混凝土空心板橋結構設計第九章預應力混凝土簡支箱梁橋智能設計橋梁工程設計實例及智能建模分析斜拉橋智能設計懸索橋智能設計第十一章第十二章第十章鋼管混凝土拱橋智能設計橋梁工程設計實例及智能建模分析

第2章

橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.1橋梁智能設計軟件簡介2.1.1國內外橋梁結構分析軟件發展概況

1)國外發展概況

結構分析軟件是伴隨著計算機和算法語言的誕生而發展起來的。國外最早開發的結構分析軟件是基于結構力學的矩陣位移法,只適用于等截面桿件的結構。1941年,Hrenikoff使用“框架變形功方法”求解了一個彈性問題。1943年,Courant發表了一篇使用三角形區域的多項式函數來求解扭轉問題的論文,這些工作開創了有限元分析的先河。1956年,美國波音公司的Turner、Clough、Martin和Topp在分析飛機結構時系統研究了離散桿、梁、三角形的單元剛度表達式,并將剛架位移法推廣應用于彈性力學平面問題,第一次給出了用三角形單元求平面應力問題的正確解答。1960年,Clough在處理平面彈性問題時,第一次提出并使用了“有限單元法(FiniteElementMethod)”這一名稱,有限單元法由此誕生。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

1963—1964年,Besseling、Melosh和Jones等人研究了有限單元法的數學原理,證明了有限元是基本變分原理的里茲(Ritz)法的另一種形式,從而使里茲法分析所有理論基礎都適用于有限單元法,并確認有限單元法是處理復雜工程問題的一種普通方法。現已證明,采用矩陣位移法編制的桿系程序,實際上是有限單元法中的一個特例。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

經過幾十年持續不斷的研發,國外結構分析軟件已較為成熟,商業化程度高、知名的橋梁專用軟件有TDVRM2006、Larsa、Sofistik、Lusas、Strap、Midas等。此外,一些通用商業軟件,如ANSYS、ABAQUS、ADINA、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、SAP2000、ALGOR、PRO/MECHANICS、IDEAS等的土木工程模塊在橋梁結構分析中也被廣泛應用。這些國外軟件單元種類豐富,計算功能強大,能夠開展結構的靜力分析、動力分析、穩定分析、線性與非線性分析、結構或構件的細部分析和優化分析等。美國CSI公司開發的SAP2000程序,采用基于對象的非線性有限元技術,不僅可以模擬能量耗散裝置、逐步倒塌過程、材料非線性行為等一系列結構特性和行為,而且可以分析順序施工效應、Pushover分析、混凝土徐變與收縮抗震性能、沖擊荷載響應、多基激勵作用、基礎隔振與阻尼器效能、大位移變形特征、土壤-結構相互作用、頻域動力特性等工程場景與效應。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

自2000年美國CSI與中國建筑科學研究院合作,加入了中國相關規范,推出了中文版的SAP2000。韓國MidasIT公司結合中國橋梁相關標準規范,開發了中文版橋梁結構分析軟件Midas/Civil,其內核都是SAP2000。

國外這些橋梁結構分析軟件在對橋梁工程的理解和針對工程特點的計算方法上,以及對國內設計規范的把握和專業知識的積累方面不如國內自主研發的專業軟件。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2)國內發展概況

我國橋梁結構分析軟件的研發起步較晚。20世紀50年代至70年代末,我國不僅計算機數量稀少,而且算法語言單一,開發的一些分析軟件僅限于高等院校和科研院所使用,尚未上升到專業計算程序的研制。20世紀80年代初,為適應預應力技術的發展和大跨徑橋梁的建設需要,在“六五”和“七五”期間,交通部聯合國內橋梁結構電算專家開展技術攻關,開發了公路橋梁綜合程序(GQZJ)。該程序采用平面桿系單元,不僅能計算混凝土徐變、收縮和預應力,而且能應用動態規劃法編制汽車、掛車等活載內力計算模塊,并運用于廣東洛溪大橋、湖北沙洋大橋、包頭黃河大橋等多座預應力混凝土連續梁橋和連續剛構橋中。然而,受到計算機軟、硬件條件的限制,源程序不能長期寄存在計算機內,要從穿孔卡片將程序導入計算機并從穿孔紙袋讀取輸入數據,計算結果只能打印到紙上,效率低下。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

20世紀80年代后期,隨著計算機技術和算法語言Fortran程序的出現,有些設計院將GQZJ移植到不同類型的計算機上運行,并用Fortran語言重新編寫源程序,后被國內眾多設計院所采用,對推動國內大跨徑橋梁的設計起到了重要作用,但單元與節點編號、節點坐標、預應力鋼筋編號和幾何坐標須由人工處理和輸入,計算結果數據也必須由人工整理,可視化程度差,輸入、輸出數據易出錯。20世紀90年代,隨著個人計算機(PC)的出現和硬件性能的提高,GQZJ開始向PC上移植,并將圖形可視化功能引入到程序的前后處理中。這個時期是我國橋梁專業軟件發展的高峰時期,眾多專業人員從事橋梁專業軟件開發,比較典型的專業軟件有GQJS、BRCAD、BSAS、橋梁博士(Dr.Bridge)等。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

除平面桿系程度外,還針對立交匝道彎橋、獨柱支撐結構、現澆彎箱梁橋等,開發了多種曲線橋設計計算專業軟件,其計算核心多為空間梁格系方法。較為典型的軟件有李方廣華曲線橋梁計算程序、彎斜坡異形橋梁空間結構分析軟件系統(3D-BSA)(由廣東省公路勘察規劃設計院開發)和慧加結構分析與設計軟件(WISEPLUS)等。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

目前,國內開發的橋梁結構分析軟件現階段已實現橋梁設計階段的內力計算功能,充分考慮施工過程及非線性等因素,并廣泛用于橋梁設計驗證、施工控制、試驗檢測和病害分析等場景,正朝著空間梁格、板殼、實體單元仿真建模和非線性動力特性等方面拓展,并強化了計算數據和繪圖軟件的接口集成,形成了分析-設計-繪圖-文檔全流程一體化解決方案。另外,通過虛擬現實技術融合,國內相關軟件已應用于橋梁方案比選、虛擬設計、項目管理及事故模擬分析等領域。

鑒于目前在橋梁設計或研究院所使用較多的是Midas/Civil和橋梁博士軟件,本書后面章節中主要結合這兩個智能計算軟件進行橋梁工程智能設計和分析。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.1.2

Midas/Civil橋梁智能設計軟件簡介Midas/Civil是MidasFamilyProgram系列產品之一。該軟件從1996年開始研發,于2001年11月首次發布,目前最新版本為2024年重磅推出的橋梁產品MidasCivilNX。作為橋梁領域通用結構分析及設計軟件,其采用全新一代的用戶界面,使用尖端的計算機顯示技術,在圖標顯示和布局、快速檢索、模型查看與檢查等方面,賦予了更直觀、高效、便捷的方式。MidasCivilNX集成了靜力分析、動力分析、幾何非線性分析、屈曲分析、移動荷載分析、懸索橋分析等分析設計功能,程序更是開放了API接口,極大拓展和豐富了產品的應用場景。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

Midas/Civil是一個通用結構及橋梁結構分析設計軟件,用于橋梁結構、地下結構、工業建筑結構等的靜力分析、動力分析、非線性分析、施工階段分析和優化分析設計。在橋梁結構方面,Midas/Civil結合了中國公路、鐵路和城市道路設計規范,提供了從建模、分析、后處理到設計的一體化功能。Midas/Civil的主要特點如下:(1)Midas/Civil不僅提供了菜單、Excel表格、MCT文本和AutoCAD導入等建模方法,還可以導入由SAP2000創建的有限元模型,建模便捷。(2)Midas/Civil提供了懸索橋、斜拉橋的建模助手,以及采用頂推法、懸臂法、移動支架法、滿堂支架法施工的橋梁建模助手。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(3)Midas/Civil內置有豐富的材料和截面數據庫,提供了中國、美國、英國、德國、日本、韓國等多個國家和地區的材料和截面數據庫。用戶還可根據需要自行定義材料和截面特性。(4)Midas/Civil單元類型豐富,提供了桁架、一般梁/變截面梁、平面應力/平面應變、只受拉/只受壓、間隙、鉤、索、加勁板軸對稱、板(厚板/薄板、面內/面外厚度、正交各向異性)、實體單元(六面體、楔形體、四面體)等工程結構分析所需的單元類型。(5)Midas/Civil提供了靜力分析、動力分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析、動力邊界非線性分析、幾何非線性分析、索力優化、屈曲分析、移動荷載分析、支座沉降分析、熱傳導分析、水化熱分析、施工階段分析、聯合截面施工階段分析等功能。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(6)在后處理中,用戶可以根據橋梁設計規范自動生成荷載組合,也可以添加和修改荷載組合。(7)Midas/Civil可以輸出各種反力、位移、內力和應力的圖形、表格和文本;提供靜力分析和動力分析的動畫文件;提供移動荷載追蹤器的功能,可找出指定單元發生最大內力(位移等)時移動荷載的作用位置;提供局部方向內力的合力功能,可將板單元或實體單元上任意位置的節點力組合成內力。(8)Midas/Civil可在進行結構分析后對多種形式的梁、柱截面進行設計與驗算。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

1)Midas/Civil用戶界面Midas/Civil提供了多種便利的菜單系統、樹形菜單、工作面板和實用的工具條,用戶界面如圖2-1所示。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-1

Midas/Civil用戶界面

(1)快速訪問工具欄。

快速訪問工具欄中包含“新項目”“打開項目”“項目信息”“保存”“打印”“打印預覽”等對項目或文件進行操作的快捷圖標(圖2-2),用戶可以使用相應的圖標命令實現對項目文件的快速操作。(2)選項卡。

選項卡中內置了Midas/Civil中所有的操作命令和快捷鍵(圖2-2)。用戶通過操作選項卡中的命令或快捷鍵,可以完成從模型建立、計算分析到結果輸出和設計的全過程。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-2快捷訪問工具欄和選項卡

(6)在后處理中,用戶可以根據橋梁設計規范自動生成荷載組合,也可以添加和修改荷載組合。(7)Midas/Civil可以輸出各種反力、位移、內力和應力的圖形、表格和文本;提供靜力分析和動力分析的動畫文件;提供移動荷載追蹤器的功能,可找出指定單元發生最大內力(位移等)時移動荷載的作用位置;提供局部方向內力的合力功能,可將板單元或實體單元上任意位置的節點力組合成內力。(8)Midas/Civil可在進行結構分析后對多種形式的梁、柱截面進行設計與驗算。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(3)樹形菜單(圖2-3)。

樹形菜單是Midas/Civil軟件的一大特色。樹形菜單將所有關聯菜單以階梯結構的形式顯示,方便用戶觀察和管理模型數據。在該菜單中,Midas/Civil軟件還提供了通過拖放(Drag&Drop)方式對單元和節點賦予屬性(材料、截面、約束和組類別等)的功能。通過樹形菜單,用戶同樣可以完成模型建立、計算分析和結果輸出等工作。(4)圖標菜單(圖2-4)。

為簡化操作,Midas/Civil軟件將經常使用的命令制成圖標快捷鍵,圖標菜單由一系列具有相同功能的獨立菜單(“撤消/重做”“選擇功能區”“鈍化/激活功能區”“顯示功能區”“柵格控制”“前后處理切換”“對象捕捉控制”等)構成,用戶可以根據需要和個人喜好將各菜單獨立拖放至合適的位置。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-3樹形菜單

(5)右鍵關聯菜單。

在模型窗口或樹形菜單中單擊鼠標右鍵,Midas/Civil軟件會自動根據當前的操作狀態彈出相應的功能菜單。(6)表格窗口。Midas/Civil軟件除了提供交互式的輸入輸出功能之外,還提供了使用電子表格處理數據的功能。該表格形式與OfficeExcel兼容,在批量輸入、批量修改或按屬性整理及查詢時非常實用。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(7)模型窗口。

模型窗口是Midas/Civil在圖形用戶窗口(GraphicUserInterface,GUI)下建立模型和顯示結果的操作窗口。模型窗口可以分割為若干個子窗口,各子窗口允許使用不同的坐標系。由于子窗口都是基于當前的模型或結果數據庫的,因此任意一個子窗口中的操作結果都會在其他子窗口內得到實時反映。

在模型窗口中,既可以展示一般形態的模型,也可以將模型和分析結果通過去除隱蔽線、調整明暗、照明及顏色分離處理等功能展示渲染畫面。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-4圖標菜單

(8)信息窗口。

信息窗口用于顯示在建模和分析過程中出現的各種提示、警告或錯誤信息。信息窗口是幫助查找模型錯誤的重要途徑。(9)命令行。

命令行是輸入Midas/Civil預定義的快捷命令的區域。快捷命令與選項卡、樹形菜單、圖標菜單和關聯菜單中的命令具有相同的功能。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(10)狀態條(圖2-5)。

狀態條位于圖形界面的最下端,顯示模型的單位體系、坐標描述、捕捉到的節點或單元的信息,并為用戶提供快捷查詢、單位變更、單元捕捉以及選擇過濾器等功能。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-5狀態條

2)Midas/Civil初始化設置(1)單位體系的設定或變更。Midas/Civil允許用戶根據需要設定或變更模型單位體系。例如,在輸入單元節點坐標時使用“m”單位,在輸入截面或輸出變形時變更為“mm”單位。對于由長度單位和力的單位組合而成的彎矩、應力、彈性系數等的組合單位,程序會根據長度和力的單位自動進行組合。

從選項卡中選擇“工具”→“單位體系”命令(圖2-6),或從狀態條中設定或變更單位體系。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-6單位體系

(2)設定建模所需的坐標系。Midas/Civil提供了四種坐標,即總體坐標系、單元坐標系、節點坐標系和用戶坐標系。①總體坐標系(GlobalCoordinateSystem,GCS)。

總體坐標系為笛卡兒直角坐標系,遵循右手法則,各軸用大寫字母(X、Y、Z)表示。其Z軸默認在模型窗口內豎直向上,因此將結構的豎直方向(即重力加速度的反方向)定義為總體坐標系的Z軸方向會比較便利。②單元坐標系(ElementCoordinateSystem,ECS)。

單元坐標系同樣遵循右手法則,各軸用小寫字母(x、y、z)表示。作用于梁單元、桁架單元、板單元等上的荷載都是在單元坐標系中輸入,單元內力、應力輸出也是基于單元坐標系。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

③節點坐標系(NodeLocalCoordinateSystem,NCS)。

節點坐標系是賦予節點以特殊方向的坐標系。節點坐標系同樣遵循右手法則,各軸用小寫字母(x、y、z)表示。

當結構端部節點的約束(支承)方向、彈簧支承方向以及節點的強迫位移與總體坐標系的坐標軸方向不平行時,應采用節點坐標系。④用戶坐標系(UserCoordinateSystem,UCS)。

用戶坐標系是為方便建模而在GCS上附加設定的坐標系。Midas/Civil在創建新文件的同時自動創建一個UCS,初始的UCS坐標系與GCS坐標系相同。UCS中的坐標軸用小寫字母(x、y、z)表示。

用戶可根據建模需要定義新的UCS,并可在UCS和GCS之間切換。模型中的所有節點坐標輸入都是在UCS中進行的。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.1.3橋梁博士智能設計軟件簡介

橋梁博士(Dr.Bridge)軟件是上海同豪土木工程咨詢有限公司針對橋梁結構設計與效果分析研發的一款橋梁設計類軟件。本書主要依據同豪橋梁博士V5.0高校版設計編寫。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

1)橋梁博士軟件的功能與特點

橋梁博士軟件的主要功能及特點包括以下方面:(1)計算核心全面支持空間三維結構,支持七自由度梁單元。(2)數據輸入全部采用圖形、表格交互,建模效率大幅度提升。(3)創新使用“構件建模”法,更貼近工程實際,降低結構計算難度。(4)支持樁基礎作為子結構參與結構整體模型的聯合分析,并可完成全橋從上部到下部以及基礎的全過程一體化驗算。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(5)支持抗震、幾何非線性、邊界非線性、屈曲穩定、特征值等力學分析功能。(6)系統解決多項橋梁分析疑難問題,實現有效分布寬度、支點負彎矩削峰等內容的自動計算;支持Hambly梁格、折面梁格自動剖分;支持空間網格分析、無應力狀態法、頂推法、掛籃模擬等功能。(7)支持國內公路、城市、鐵路、地鐵等橋梁設計規范;內容涵蓋混凝土、鋼橋、組合梁等結構規范,以及抗震、抗風、斜拉橋、懸索橋等規范。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(8)支持橋梁結構抗傾覆穩定計算、結構支座脫空檢查、結構撞擊驗算等功能。(9)基于空間影響面理論,全面解決任意活載類型、各種組合的智能布載難題。(10)支持計算書自動生成,計算結果輸出更符合橋梁專業習慣,圖表清晰,數據豐富。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2)橋梁博士用戶界面

橋梁博士V5.0軟件用戶界面提供了多種便利的主菜單系統、操作界面、樹形菜單、屬性表格以及實用便捷的工具條。用戶界面如圖2-7所示。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-7橋梁博士軟件初始界面

(1)主菜單。

系統固定的工具欄。與特定的模型窗口相關的動態工具欄,即當某種類型的模型窗口被打開時,系統自動顯示與之相關的工具欄。(2)樹形菜單。

管理一個項目文件下多個模型。將某個工程結構分析模型分為了總體信息、結構建模、鋼束設計、鋼筋設計、加勁設計、施工分析、運營分析、地震分析、撞擊分析共9個前處理輸入區塊,以及結果查詢、計算報告2個后處理區塊,如圖2-8所示。(3)圖形窗口:以圖形化方式進行建模的主工作區。

在前處理過程中用于圖形交互建模,在后處理過程中用于顯示效應圖和標注。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-8樹形窗口

(4)中間條。

用于控制圖形窗口和信息表的主要顯示內容。例如,在結構建模區塊中,可通過中間條切換到施工信息的輸入。在施工分析區塊中,可通過中間條切換施工階段。(5)信息表。

以表格方式進行建模的工作區。信息表中的行信息與圖形窗口中的對象一一對應。(6)人機交互信息窗口。

輸出建模、分析過程中的各種信息和警告、錯誤信息等。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(7)命令窗口。

所有桌面共享一個全局的命令行窗口。可以使用類似CAD命令的方式發送操作指令,每個指令與主菜單中的按鈕一一對應。

當構建橋梁模型時,所需要的模型處理工具如圖2-9所示。項目管理樹與圖形區如圖2-10所示。單擊項目管理樹可修改建模階段,圖形區可直接修改當前階段模型。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-9工具欄

單擊右側“截面”按鈕,可顯示該模型的截面,同時可使用工具欄進行截面的修改與調整,截面設計如圖2-11所示。

與CAD軟件類似,圖2-12所示界面為命令輸出窗口和命令行,可作出相應的指令要求。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-10項目管理樹和圖形區

第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-11截面設計界面

第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介圖2-12命令行顯示與編輯區

2.2橋梁智能建模簡介2.2.1簡支梁橋的模型

橋梁工程中常用的簡支梁橋有板梁橋、T梁橋和小箱梁橋。其中,板梁橋又分為整體式板橋和裝配式板橋。1)平面模型

當采用平面模型分析裝配式的板梁橋、小箱梁橋或T梁橋的內力和變形時,只需建立一片梁的有限元模型,其空間效應通過橫向分布系數來體現。Midas/Civil可以直接分析空間問題,其空間效應由模型直接反映,也無須再計算荷載橫向分布系數。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.2橋梁智能建模簡介2)空間模型

由多片主(縱)梁通過橫隔梁或鉸縫連接而成的橋梁,可以用梁格法來分析。梁格法的分析思路是:把分散在梁(或板)的每一個區段內的彎矩和抗扭剛度假定集中于最鄰近的等效的梁格內,梁(或板)的縱向剛度集中于縱向梁內,而橫向剛度則集中于橫向梁內。理想的梁格應該是,當原型梁(或板)和等效的梁格承受相等的荷載時,這兩個結構的撓曲是恒等的,而且在任一梁格內的彎矩、剪力和扭矩等于該梁所代表的梁(或板)部分的截面合力。

可見,由多片板梁、T梁和小箱梁構成的空間模型,完全可以用梁格法來計算,建立的模型也稱為梁格模型。本書只介紹簡支梁橋的T梁和小箱梁的梁格建模方法,有關斜交橋和曲線橋梁的梁格建模方法可參考Midas/Civil相關參考材料。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.2橋梁智能建模簡介

對于T梁和小箱梁,將T梁的梁肋和翼緣板合建為梁單元,橫隔板單獨建為梁單元。這種建模方式僅僅考慮了橫隔板的連接,卻忽略了T梁或小箱梁翼緣板之間的連接作用。如要考慮翼緣板間的連接,可參照板梁引入虛擬橫梁(重量為零),也可用Midas/Civil彈性連接中的剛性連接或主從節點的剛性連接模擬。由于橫向荷載主要依靠橫隔板傳遞,因此可近似地不考慮翼緣板間的橫向連接,不設虛擬梁或剛性連接。

定義支座約束時,只需約束一排支座中一個支座在X、Y方向的自由度,否則會造成溫度作用計算結果偏大。板式橡膠支座盡量用彈性支承模擬,尤其是需要考慮動力特性時,應取支座實際的剛度值。彎橋應注意支座的約束方向,通過設置節點局部坐標系來施加約束。當進行移動荷載分析時,應按橫向聯系梁法定義車道。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.2.2鋼管混凝土拱橋的模型

鋼管混凝土拱橋的建模比較復雜,與分析目標及采用的材料特性有關。目前,鋼管混凝土拱橋常用的建模方法有基于統一理論的鋼管混凝土單元法、鋼管混凝土雙單元法和復合梁單元法。1)鋼管混凝土單元法

這種方法是基于鋼管混凝土統一理論,視鋼管混凝土為一種材料,鋼管混凝土截面特性按鋼管外徑計算,材料特性則按統一理論給出的公式計算。由于材料特性中已經考慮了鋼管初應力影響,因此可用于鋼管混凝土拱橋成橋狀態下的內力和承載力計算。但在計算變形時,抗壓剛度取0.8折減系數。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2)鋼管混凝土雙單元法

視鋼管和混凝土為兩種材料,在相同節點位置重復建立兩個單元:一個為鋼管,另一個為混凝土。雙單元模型主要用于模擬鋼管混凝土拱橋的施工過程,這樣可以得到較為真實的鋼管、管內混凝土內力值和拱圈變形值。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

3)復合梁單元法

在計算鋼管混凝土拱橋極限承載力時,需要同時考慮幾何非線性和材料非線性、混凝土收縮徐變、鋼管混凝土組合截面形成過程、鋼管與混凝土的應力發展歷程及溫度變化等因素,以及能夠反映約束效應的核心混凝土本構關系,此時應采用復合梁單元。復合梁單元應具有以下功能:(1)能夠同時考慮幾何非線性和材料非線性,為此應采用能夠描述不同施工階段截面材料的復合面來描述。(2)能夠反映鋼管混凝土截面形成、混凝土開裂以及混凝土從開始澆筑到承受荷載的全過程,可以鈍化或激活混凝土,并能反映截面形心和扭心的不斷變化。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

(3)含有初應力和初應變項。由于鋼管混凝土組合截面是在架設成拱的空鋼管拱肋基礎上逐漸灌注而成的,因此在形成鋼管混凝土組合截面前,空鋼管中已經儲存了較大的初應力,該初應力使鋼管混凝土的彈性工作階段縮短,提前進入彈塑性工作階段。混凝土收縮、徐變與溫度荷載對結構的響應實際是結構中有初應變的非線性分析。(4)多階段的應力疊加。組合結構體系的最終應力狀態取決于各施工階段的應力發展歷史,如果將鋼管混凝土拱橋按照一次落架來分析橋梁的最終狀態,就不能反映真實的應力分布。此外,隨著施工的推進,混凝土的收縮和徐變也將導致應力在構件中和截面內重新分布,因此有必要進行施工階段的應力疊加分析。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.2.3斜拉橋的有限元模型

斜拉橋由主梁(加勁梁)、斜拉索、索塔和橋墩等組成。根據所用材料不同,主梁有預應力混凝土、鋼箱梁、鋼桁梁和鋼-混結合梁等;按其截面形式不同,有箱形、雙主梁和板形等;按斜拉索空間布置不同,有單索面、豎向雙索面和斜向雙索面。因此,斜拉橋的建模是比較復雜的。

根據設計階段、分析目標的不同要求,可將斜拉橋建成平面模型或空間模型。單索面斜拉橋的主梁采用單梁模型。雙索面斜拉橋的主梁采用魚骨模型或雙主梁、三主梁模型。當計算斜拉橋的動力特性時,應對質量分布進行處理。

斜拉索用桁架單元或索單元模擬,為考慮斜拉索的垂度效應,可采用經Ernst公式修正的桁架單元,大跨度斜拉橋宜選用索單元。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

2.2.4懸索橋的有限元模型

懸索橋由主纜、加勁梁、吊索和索塔等組成。其中,主纜是主要的承重結構,加勁梁自重及車輛活載通過吊索傳遞給主纜。常用的懸索橋加勁梁形式有鋼桁梁和鋼箱梁兩種。

懸索橋的自重和大部分使用荷載主要由主纜承擔,特別是成橋后,在恒載作用下主纜和吊索的張力、橋形應與設計目標一致。懸索橋的主纜是變形性很大的承重構件,施工過程中主纜和加勁梁的幾何形狀變化非常大,所以在進行懸索橋設計時,要做逆施工階段分析(倒拆分析),為了做好考慮幾何非線性的倒拆分析,還需要做自重荷載下的初始平衡狀態分析。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

懸索橋在加勁梁的自重作用下產生變形后達到平衡狀態,在滿足設計要求的垂度和路徑條件下,計算主纜的坐標和張力的分析一般稱為初始平衡狀態分析。這是對運營階段進行線性分析和非線性分析的前提條件,應盡可能使平衡狀態分析結構與設計條件一致。

懸索橋的初始平衡狀態分析階段是以懸索橋的基本假定為基礎,利用節線法進行計算空纜線形的過程。節線法是指利用加勁梁、吊索自重作用下產生的內力平衡條件來計算主纜的坐標和張力的方法。此外,也可利用彈性懸鏈線確定空纜線形的方法和考慮加勁梁、主纜、主塔體系來決定整體結構形狀的精確分析方法。Midas/Civil不僅支持節線法分析,而且還能對整體結構體系做精確的初始平衡狀態分析。為此,應優先采用建模助手建立懸索橋模型。第二章橋梁智能設計軟件及建模簡介

謝謝觀看！橋梁工程設計實例及智能建模分析（第1版）

橋梁工程設計教學導論橋梁智能設計軟件及建模簡介鋼筋混泥土空心板橋結構設計鋼筋混凝土簡支T梁橋結構設計第一章第二章第三章第四章橋梁工程設計實例及智能建模分析鋼筋混凝土空心板橋結構設計第一章橋梁工程設計教學導論第三章預應力混凝土簡支T梁橋設計預應力混凝土簡支箱梁橋設計預應力混凝土簡支T梁橋智能設計第六章第七章第八章第五章預應力混凝土空心板橋結構設計第九章預應力混凝土簡支箱梁橋智能設計橋梁工程設計實例及智能建模分析斜拉橋智能設計懸索橋智能設計第十一章第十二章第十章鋼管混凝土拱橋智能設計橋梁工程設計實例及智能建模分析

第3章

鋼筋混凝土空心板橋結構設計

本章系統闡述了空心板橋的核心設計要素。在結構設計方面,通過設置合理形狀的孔洞有效減輕結構自重,同時確保頂底板具有足夠的構造厚度。截面分析重點包括凈截面特性計算和中性軸定位,為結構剛度提供依據。荷載計算綜合考慮恒載和活載作用,按照規范要求進行不同極限狀態的荷載組合。結構驗算包含抗彎和抗剪承載力計算,均采用標準計算方法。配筋設計需滿足縱向鋼筋和箍筋的基本配置要求,并特別加強孔洞周邊的鋼筋布置。

此外,設計過程還需完成裂縫控制和撓度驗算,同時重視施工階段的應力管理及橫向荷載分配。各設計環節均嚴格遵循現行橋梁設計規范,在確保結構安全可靠的前提下,兼顧經濟合理性。設計中需特別注意孔洞對結構性能的影響,并采取相應的構造措施。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.1基本設計資料3.1.1橋址情況

本章設計案例為左岸側引橋部分,且與河道方向正交,主橋標準跨徑為10.00m,無通航通行要求,地面高程為5.80~6.00m,設計地下水位為4.20m。3.1.2氣象資料

年最高氣溫42℃,年最低氣溫-9.6℃,年平均氣溫17.5℃,基本氣壓101kPa。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.1.3跨徑和橋面寬度(1)標準跨徑:Lk=10.00m。(2)預制梁長:9.96m。(3)計算跨徑:l0=9.60m。(4)橋面寬度(橋面凈空):凈8.00m(行車道)+2×1.00m(人行道)。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.1.5施工條件

施工條件良好。

3.1.6主要材料

根據《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG3362—2018)(以下簡稱《公預規》)規定,公路橋涵鋼筋混凝土受力構件的混凝土強度等級不低于C25;當采用強度標準值400MPa及以上鋼筋時,不低于C30。本設計案例采用C40。

《公預規》規定,公路橋涵鋼筋混凝土構件中的普通鋼筋宜選用HPB300、HRB400、HRB500、HRBF400和RRB400。本設計案例主鋼筋和架立鋼筋均采用HRB400級,其他鋼筋用HPB300級。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.2構造形式及截面尺寸擬定3.2.1結構設計(1)本設計案例橋梁標準跨徑Lk=10.0m<13.0m,選用鋼筋混凝土簡支板,由8塊寬度為1.24m的空心板連接而成。(2)橋面板橫坡為雙向1.5%,坡度由橋面三角墊層控制。(3)空心板參數:單塊板高度為0.45m,寬為1.24m,板間留有7×8/7cm的縫隙用于灌注砂漿。(4)橋面鋪裝:雙層混凝土鋪裝,上層為0.04m厚的瀝青混凝土,下層為0.06m厚的素混凝土(C50)。(5)橋梁橫斷面構造及尺寸如圖3-1所示。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計圖3-1

10m鋼筋混凝土空心板橋梁橫斷面構造及尺寸圖式(尺寸單位:cm)

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.2.2設計參數(1)混凝土的材料特性:C40的抗壓強度標準值fck=26.8MPa,抗壓強度設計值fcd=18.4MPa;抗拉強度標準值ftk=2.40MPa,抗拉強度設計值ftd=1.65MPa;混凝土彈性模量Ec=3.45×104MPa。(2)瀝青混凝土重度按24kN/m3計,鋼筋混凝土重度按26kN/m3計,鉸縫水泥混凝土重度按24kN/m3計。(3)鋼筋的材料特性:HRB400級鋼筋的抗拉強度標準值fsk=400MPa,抗拉、壓強度設計值fsd=330MPa,鋼筋彈性模量Es=2×105MPa;HPB300級鋼筋的抗拉強度標準值fsk=300MPa,抗拉、壓強度設計值fsd=250MPa,鋼筋彈性模量Es=2.1×105MPa。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.3空心板截面幾何特性計算

空心板截面構造和尺寸如圖3-2所示。3.3.1毛截面面積1)空心板毛截面面積

為了方便計算截面特性,將空心板截面構造圖劃分了區域,如圖3-3所示。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計圖3-2空心板截面構造和尺寸(尺寸單位:cm)圖3-3空心板截面構造計算圖式(尺寸單位:cm)

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計2)鉸縫截面面積

如圖3-4所示,將鉸縫構造圖分成4個模塊計算鉸縫的面積。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計圖3-4鉸縫截面構造及分塊截面重心計算圖式(尺寸單位:cm)

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計3.3.2毛截面重心位置

參考《橋梁設計常用數據手冊》中表1.4-1常用幾何特性表,計算本設計案例的全截面對1/2板高處(即離板上緣22.5cm處)的靜距及重心位置(圖3-5)。圖3-5空心板分塊截面重心位置(尺寸單位:cm)

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

2)空心板邊板截面重心位置(1)空心板邊板截面對1/2板高處的靜矩:

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

3)鉸縫截面重心位置(1)鉸縫截面對1/2板高處的靜矩:

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

(2)截面重心位置:

鉸縫重心對1/2板高處的距離為:

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

3.3.3中板毛截面慣性矩

參考《橋梁設計常用數據手冊》中表1.4-1常用幾何特性表中各截面對自身慣性矩進行計算,本設計案例鉸縫對重心軸的慣性矩I1為各分塊對自身的慣性矩與對重心平行移軸的慣性矩之和:I1=162.78+33600.62+19101.32+5428.34+175.42+6712.63+32.67+2844.06=68057.83cm4

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

空心板對毛截面重心軸的慣性矩I2:

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

空心板毛截面對其重心軸的慣性矩I:

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

空心板截面的抗扭剛度可簡化為如圖3-6所示的粗線部分箱形截面近似計算,抗扭剛度IT為:圖3-6抗扭慣性矩簡化計算圖式(尺寸單位:cm)

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

(3)鉸接縫自重(二期結構自重)G3。

中板:G3=(487.43+8/7×45)×10-4×24=1.293kN/m

邊板:G'3=(487.43/2+8/7×45/2)×10-4×24=0.647kN/m

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

由上述計算得到空心板每延米總重力為:

中板:GⅠ=G1=9.546kN/m(一期結構自重)GⅡ=G2+G3=5.15+1.293=6.443kN/mG=GⅠ+GⅡ=9.546+6.443=15.989kN/m

邊板:G'Ⅰ=G'1=10.112kN/m(一期結構自重)G'Ⅱ=G2+G'3=5.150+0.647=5.797kN/mG'=G'Ⅰ+G'Ⅱ=10.112+5.797=15.909kN/m

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計注:跨中彎矩Ml/2=ql2/8,l/4跨彎矩Ml/4=3ql2/32;支點剪力V0=ql/2;l/4跨剪力Vl/4=ql/4;跨中剪力Vl/2=0。作用種類作用/(kN/m)計算跨徑/m作用效應-彎矩M/(kN·m)作用效應-剪力V/kN跨中l/4跨支點l/4跨跨中GⅠ9.5469.6109.9782.4745.8222.910GⅡ6.4439.674.2355.6730.9315.460G15.9899.6184.19138.1476.7538.370G'Ⅰ10.1129.6116.4987.3748.5424.270G'Ⅱ5.7979.666.7850.0827.8213.910G'15.9099.6183.27137.4576.3638.180

由此可計算出簡支空心板永久作用效應,計算結果見表3-1。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

3.4.2可變作用效應計算

根據《通用規范》,公路—Ⅰ級車道荷載的均布荷載標準值qk和集中荷載標準值Pk為:qk=10.5kN/m

計算彎矩效應時:Pk=2(l0+130)=2×(9.6+130)=279.2kN

計算剪力效應時:Pk=1.2×279.2=335.04kN

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

(2)車道橫向折減系數ξ。

本設計案例橋面凈寬為10.0m,單側人行道寬1.0m,車輛行駛寬度W=8.0m,最多只能按兩車道布載,即車輛雙向行駛。

《通用規范》中規定,當橋涵設計車道數等于或大于2時,應按《通用規范》中表4.3.1-5進行取值,本設計案例取橫向折減系數ξ=1.0。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計板號荷載位置γ12345678∑ηij10.03000.28100.21900.15400.11000.08100.06100.05000.0440≈1.0000.04000.31100.23400.15500.10400.07200.05100.03900.03300.03100.28400.22050.15410.10940.08010.06000.04890.042920.03000.21900.21600.17500.12400.09100.06900.05600.0500≈1.0000.04000.23400.23300.18300.12200.08400.06000.04600.03900.03100.22050.21770.17580.12380.09030.06810.05500.048930.03000.15400.17500.18600.15600.11300.08500.06900.0610≈1.0000.04000.15500.18300.20000.16300.11000.07800.06000.05100.03100.15410.17580.18740.15670.11270.08430.06810.060040.03000.11000.12400.15600.17500.15000.11300.09100.0810≈1.0000.04000.10400.12200.16300.18800.15700.11000.08400.07200.03100.10940.12380.15670.17630.15070.11270.09030.0801橫向分布影響線坐標值表3-2

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

由表3-2所示的數據繪出各板的橫向分布影響線,并按橫向最不利位置布載,求得兩車道情況的各板橫向分布系數。各板的橫向分布影響線及橫向最不利布載如圖3-7所示。由于橋梁斷面結構對稱,故只需計算1號至4號板的橫向分布影響線坐標值。

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計圖3-7荷載橫向分布影響線及橫向最不利布置圖(尺寸單位:cm)

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計板號1號板2號板3號板4號板荷載種類兩車道人群荷載兩車道人群荷載兩車道人群荷載兩車道人群荷載荷載橫向分布系數0.23910.29010.21850.22080.16940.15210.11960.10800.14780.04230.16850.04830.18310.05920.15950.07910.1040—0.1176—0.1486—0.1716—0.0677—0.0766—0.0952—0.1273—moq或mor0.27930.33240.29060.26910.29820.21130.28900.1871各板荷載橫向分布系數計算表表3-3

第三章鋼筋混凝土空心板橋結構設計

由表3-3可見,3號板汽車荷載橫向分布系數最大,為了設計和施工方便,各空心板設計成統一規格,按最不利組合進行設計,即先用3號板橫向分布系數,跨中和l/4截面處的荷載橫向分布系數取下列數值:moq=0.2982;