高等桥梁结构理论课程讲义2014-01

高等桥梁结构理论（Advancedtheoryofbridgestructures）2020/6/31刘志文湖南大学土木工程学院桥梁工程系副教授，博士Cellphone:13975880715E-mail：[e-mail];[e-mail].2020/6/32第一讲桥梁结构理论发展历史和现状第二讲薄壁箱梁弯曲理论第三讲薄壁箱梁剪力滞效应第四讲薄壁箱梁自由扭转第五讲薄壁箱梁约束扭转第六讲薄壁箱梁畸变第七讲曲线梁结构理论与分析第八讲斜梁桥结构理论和分析第九讲混凝土桥梁空间效应的适用精细化分析第十讲混凝土桥的徐变、收缩、温度效应*混凝土的强度理论、有限元分析和压杆拉杆模型（自学）*混凝土桥梁耐久性分析设计（自学）2020/6/33教材：项海帆等编著，范立础主审，高等桥梁结构理论（第二版），北京：人民交通出版社，2013年9月。参考书：1.项海帆等著.桥梁概念设计（ConceptualDesignofBridges），人民交通出版社，2011年3.贺拴海，桥梁结构理论与计算方法，北京：人民交通出版社，2003；4.邵旭东，桥梁设计与计算，北京：人民交通出版社，2007；5.包世华、周坚，薄壁杆件理论，中国建筑工业出版社，2006.2020/6/34第一讲桥梁结构理论发展历史和现状中国古代桥梁的发展历史（夏~清，3971年）夏至西周（1230年）木梁木柱、浮桥春秋战国（564年）多跨木桥、索桥、黄河上建浮桥西、东汉（487年）石梁石墩桥、拱桥（石、木），在长江上建浮桥，形成梁、索、浮、拱四种基本桥型晋隋唐（687年）赵州桥（隋—李春）；黄河上建伸臂木梁桥；石拱桥、木桥、浮桥达到顶峰北、南宋（372年）《木经》（喻皓）《营造法式》（李诫）早期设计图样、建造试验模型，广济桥世界领先！！！元、明、清（631年）拱桥方面制动墩、铁索桥锚固等有所创新；桥梁文化发展1.天然材料（土、木、石，少量铸铁）2.工匠经验（缺少科学理论）3.木、石梁——浮桥——索桥——拱桥（弯）（拉）（压）1.1中国古代桥梁发展历史2020/6/35近代桥梁的发展历史（1660~1945）康熙时代1.2世界近代桥梁发展历史1660~1765年（奠基时期）奠定了土木工程的理论基础：1.伽利略材料力学性质与强度(1638年)；2.虎克定律（1660年）；3.牛顿三大力学定律（1687）；法国JeanR.Perronet，石拱桥压力线英国工程师AbrahamDarbyIII设计建造了世界上第一座跨度为30.65m的铸铁拱桥——Coalbrookdale桥（近代第一桥）；1849年，R.Stephenson创造了系杆拱桥。铸铁、熟铁为主要材料建新桥（拱桥、索桥、梁桥），桁架拱桥（德国工程师H.Gerber）1874年，美国钢桥诞生（钢拱桥）；1875年，法国工程师建造了ChazeletBridge（L=13.8m，B=4.25m,第一座钢筋混凝土人行桥）1890年，英国建成苏格兰福斯桥（L=521.2m）；1869~1883年，移居美国的德国工程师Roebling建造了布鲁克林大桥（第一次采用冷拔钢丝代替熟铁眼杆）；1886年，美国工程师Jackson最早发明了预应力技术；1888年，奥地利工程师J.Melan创立了悬索桥挠度理论；1912年，移居美国的立陶宛工程师L.S.Moisseiff第一次用挠度理论设计了曼哈顿桥，桥塔、主梁纤细！1928~1939年，法国工程师Freyssinet采用高强钢丝、高强混凝土、锥形锚，是预应力技术第一次成功应用。1940年，TacamaNarrows桥风毁！（一个崭新时代的到来——大跨度桥梁的建设）1765~1874年（奠基时期）工业革命~第一次世界大战1874~1945年（钢桥、钢筋混凝土桥）美国英国2020/6/361.3近代桥梁结构理论的回顾（一）拱桥和悬索桥的古典计算理论No.1近代土木工程理论奠基时期——石材、木材（1660-1765年，约100年），标志性的成果：意大利学者伽利略（G.Galilei,1564-1642）论述了材料力学性质和强度的概念；英国学者胡克（R.Hooke,1635-1703）建立了材料应力应变关系；英国学者牛顿（I.Newton,1642-1727）关于力学的三大定律。法国1715年成立路桥部，1747年建立世界第一所工科大学——法国巴黎桥路学校。J.R.Perronet研究石拱桥压力线，用力学和材料强度理论对拱圈和桥墩尺寸进行了研究，建立了许多坦拱。欧洲的拱桥虽然比赵州桥晚一千多年，但是建立在理论基础上的。2020/6/37No.2近代土木工程进步时期——金属材料为主（1765-1874年，约100年）。英国工程师（AbrahamDarby,1750-1790）Coalbrookdale铸铁拱桥（L=30.65m）英国工程师John&WilliamSmith建造了主跨79.25m的苏格兰DryburghAbbey桥。Designer:AbrahamDarbyIIILocation:OvertheSevernRiver,nearCoalbrookdale,England.Built:1779Type:CirculararchDimensions:Mainspan:100feetMaterial:CastironBillington,DavidP.TheTowerandtheBridge,PrincetonUniversityPress,Princeton(NJ),1983;pp.29-30,34,38-9,64-6.2020/6/38（二）桥梁稳定理论（铸铁、熟铁）1850年，英国工程师R.Stephenson采用熟铁板建成了跨度141m的箱梁桥。设计时采用模型试验研究了梁的受力性能、梁高对刚度的影响。试验中还发现了上弦受压翼缘板的屈曲失稳和腹板的翘曲失稳等现象。L.Euler，1744，建立轴心受压杆件的屈曲理论；G.H.Bryan，1891,单箱均匀受压简支矩形板的稳定性分析；后来在第一次世界大战前，压杆、梁的侧弯和拱的稳定等理论基本建立起来。BritanniaBridgeBritanniaBridge（改建后）2020/6/39（三）桁架分析理论（钢材出现，1856年开始）1847年美国工程师S.Whipple撰写了《桥梁建筑研究》，把桁架设计从经验时代推进到科学时代，建议用铸铁做压杆，用锻铁做拉杆，形成金属桁架桥；1857年德国工程师H.Gerber受木桁架的启发，建造了多腹杆格子桁架桥，后来这种结构被推广到带挂孔的桁架体系；1874年，美国工程师J.Eads建造了世界上第一座3跨钢桁拱桥(155.1+158.5+153.1m）。1890年建成了Forth桥（主跨519m，B.Baker和J.Fowler设计）。EadsBridge（OvertheMississippiatSt.Louis,Missouri，1867-1874）2020/6/310福斯桥主跨跨径519m，铁路高出水位47.8m，因风力过大，桥梁桁架做成向内倾斜，塔顶宽约10m，塔底宽36.6m，全桥共计3个桥塔，六个伸臂，各长206m，悬跨长107m。Forth桥（B.Baker和J.Fowler设计）2020/6/311（四）混凝土结构设计理论J.Aspdin，1824，发明了波特兰水泥（注：不同于现代水泥）；J.Monier，1867，发现在水泥砂浆花盆中放置钢丝网可把花盆做得很薄而且牢固，申请专利。（混凝土结构的创始人！）1875年建造了世界上第一座跨度为13.8m的钢筋混凝土人行桥（ChazeletBridge）。TheimportantpointofMonier‘sideawasthatitcombinedsteelandconcreteinsuchawaythatthebestqualitiesofeachmaterialwerebroughtintoplay.2020/6/3121884，钢筋混凝土结构受力性能试验研究G.A.Wayss,J.Bauschinger；1900，E.Morsch教授建立按允许应力法计算的经典理论；1907，德国成立钢筋混凝土委员会，O.Graf,E.Morsch和F.Dischinger。1929，法国桥路大学居易翁（Y.Guyon）教授、瑞士R.Maillart教授、奥地利的FritzvonEmperger、比利时的A.Vierendeel以及捷克的A.Hawranek等对早期钢筋混凝土的研究做出了重要贡献，并于1929年发起成立国际桥梁与结构工程师协会。1958年，建立钢筋混凝土极限状态设计法。2020/6/313（五）悬索桥的挠度理论1869年，依据美国的德国工程师罗布林（J.A.Robling）开始建造纽约布鲁克林大桥，终于于1883年建成；（基于试验来探索悬索桥的力学性能和设计方法）1888年，奥地利工程师J.Melan创立了悬索桥挠度理论，推导了考虑缆索在荷载作用下变形的平衡方程。1912年，移居美国的立陶宛工程师L.S.Moisseif第一次用挠度理论设计了纽约曼哈顿桥。随后他与瑞士工程师阿曼(O.H.Ammann)设计或咨询建造了10余座悬索桥。GeorgeWashingtonBridge(1100m,1931)GoldenGateBridge（1280m,1937）2020/6/314（六）梁排计算理论（荷载横向分布计算问题）在计算机出现之前，桥梁结构主要通过荷载的横向分布将作用在桥梁的上荷载（三维问题）转换为二维平面问题。因此，横向分布问题在相当长时间内是研究的热点问题。1924年，A.Ostenfeld提出采用梁格法进行桥面结构的计算；1938年，F.Leonhardt通过梁格试验，研究了考虑主梁抗扭的活载横向分布，编制了计算表格。主要计算理论有刚性横梁法、刚接板梁法、铰接板梁法、G-M法（正交异性板法）等。（七）钢结构疲劳理论Woehler,1852-1869年发现车轴在循环荷载作用下其强度大大低于静载强度，开始对疲劳破坏进行系统研究，首次用S-N曲线描述疲劳行为。1945年，美国人M.A.Miner在Palmgren研究的基础上提出了著名的疲劳线性累积损伤理论。1957年，G.R.Irwin提出用应力强度因子来描述裂纹尖端应力奇异性的大小。1963年，美国人P.C.Paris指出，疲劳裂纹在每个应力循环中的扩展量与应力强度因子幅值有关。2020/6/315（一）有限元分析软件1.3现代桥梁结构理论发展以IT技术为标志的现代桥梁结构分析理论的出现。1960年美国Clough教授提出“有限元法”概念。随后，一大批数学、力学和工程师对有限元方法进行了研究和推广，开发了许多计算软件，极大得提高桥梁结构设计、计算效率和精度。如ANSYS、Midas、SAP、TDV等软件。尽管有限元软件功能强大，但近代桥梁工程师所创立的各种古典解析理论和近似方法仍具有定性分析的意义，对于工程师在桥梁结构概念设计阶段进行估计和把握体系力学性能、理解规范和分析病害等具有重要的意义。（二）预应力混凝土技术预应力概念在古代最初的应用是以绳索或铁箍缠绕桶板做水桶。直到1886年，这一概念才应用到混凝土中。美国工程师P.H.Jackson独立地获得了在混凝土拱内张紧钢拉杆做专用楼板的专利。1888年德国人C.E.W.Doehring获得了在楼板受荷载前用施加预应力钢筋来加强的专利。2020/6/3161928年法国E.Freyssinet提出必须采用高强钢筋和高强度混凝土的主张，并申请了预应力混凝土的发明专利，1939年发明了锥形锚。1956年，德国F.Dischinger教授设计建成了世界上第一座主跨69m的体外预应力混凝土连续梁桥。1950年，德国K.Finsterwalder建造了第一座采用悬臂挂篮施工、主跨为62m的预应力混凝土桥——Lahn桥，随后建成了主跨114.2m的Worms桥和208m的Bendor