JTG33622018钢筋混凝土设计规范培训课件空间效应的实用精细化方法

同济大学徐栋教授2018年9月~10月北京、广州、南京、武汉、西安《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362-2018宣贯修订内容详解：空间效应的实用精细化分析2宣贯提纲一、工程需求背景及相关理论二、规范条文及说明三、应用示例3宣贯提纲一、工程需求背景及相关理论二、规范条文及说明三、应用示例4一、工程需求背景及相关理论工程需求背景实际工程中出现的问题——整体受力裂缝（规范中包含的验算项）5一、工程需求背景及相关理论工程需求背景实际工程中出现的问题——局部受力裂缝6一、工程需求背景及相关理论工程需求背景实际工程中出现的问题——规范中缺失的验算项7一、工程需求背景及相关理论工程需求背景实际工程中出现的问题——规范中缺失的验算项变截面预应力混凝土梁式桥底板和腹板纵向裂缝8一、工程需求背景及相关理论工程需求背景实际工程中出现的问题——规范中缺失的验算项腹板斜裂缝是出现最多的梁体裂缝，箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重许多：箱内300多条、箱外80多条8’9’10’5’6’7’4’62#墩123456789101112133’2’1’13’12’11’63#墩33'箱内-下游腹板箱外-下游腹板9一、工程需求背景及相关理论工程需求背景混凝土桥梁的开裂情况现行规范的验算应力存有缺失—对开裂的检查不完整10一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入11一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入仅有自由扭转剪应力自由扭转约束扭转约束扭转剪应力约束扭转翘曲正应力和双力矩12一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入畸变剪应力畸变翘曲正应力和双力矩畸变引起的纵向应力13一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入畸变引起的横向应力横向弯曲引起的横向应力畸变/横向挠曲引起的横向应力14一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入纵向剪应力dWWMzdWWKMz纵向正应力纵向薄壁应力（板面方向）15一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入局部剪应力fdtTfdtT局部正应力横向框架应力（板厚方向）16一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入要点——面内受力（板面方向）和面外受力（板厚方向）受力特征总结——每块板的三层应力面外（反映局部荷载）面内（反映整体荷载）17一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入面外应力面内应力板的三层应力18一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入整体效应下的面内应力19一、工程需求背景及相关理论完整验算应力的引入局部效应下的面外应力20一、工程需求背景及相关理论完整验算应力——27项符号系统：第1个字母：T表示顶板，B表示底板，W表示腹板；第2个字母：o表示箱子外圈（对顶板是上缘，对底板是下缘），i表示箱子内圈（对顶板是下缘，对底板是上缘），p表示中面；第3个字母：L表示纵向，T表示横向，P表示主方向。例如：σ表示顶板上缘纵向应力、σ表示腹板中面纵向应力21一、工程需求背景及相关理论完整验算应力——27项22一、工程需求背景及相关理论完整验算应力——27项23一、工程需求背景及相关理论完整验算应力——27项24一、工程需求背景及相关理论完整验算应力——27项25一、工程需求背景及相关理论完整验算应力中选取的控制验算应力顶板纵向（上缘控制）:横向:主方向(代表应力):ToLTpLTiLToL),,max(TiTToT,Tp关注TipTop,顶板:4项控制应力:TpTiTToTToL,,,26一、工程需求背景及相关理论完整验算应力中选取的控制验算应力底板纵向（下缘控制）:横向:主方向(代表应力):BoLBpLBiLBoL),,max(BiTBoT,Bp关注BipBop,底板:4项控制应力:BpBiTBoTBoL,,,27一、工程需求背景及相关理论完整验算应力中选取的控制验算应力BoLToL,关注Wp关注WipWop,腹板:1项控制应力:Wp腹板纵向（同顶底板）:竖向:主方向(代表应力):28一、工程需求背景及相关理论完整验算应力中选取的控制验算应力——9项顶板:腹板:WpBpBiTBoTBoL,,,TpTiTToTToL,,,底板:29一、工程需求背景及相关理论完整验算应力中选取的控制验算应力——9项构件/受力方向部位应力特征与传统验算应力比照顶板面外上缘纵向正应力σToL整体截面上缘应力上缘横向正应力σToT桥面板局部应力下缘横向正应力σTiT桥面板局部应力顶板面内中面主应力σTP没有包含（同叠合梁）底板面外下缘纵向正应力σBoL整体截面下缘应力上缘横向正应力σBiT计算底板钢束的外崩力，简化计算方法不完善下缘横向正应力σBoT底板面内中面主应力σBP没有包含（同叠合梁）腹板面内中面主应力σWP腹板主应力——对应于新规范的6.1.3条30一、工程需求背景及相关理论完整验算应力中选取的控制验算应力——新规范6.3.3条的理解σcy,pv、σcy,ph、σcy,t、σcy,l——由竖向预应力钢筋的预加力、横向预应力钢筋的预加力、横向温度梯度和汽车荷载产生的混凝土竖向压应力频遇值腹板横向温度梯度可理解为箱室内外温差如无实测资料，建议按8度—10度考虑31一、工程需求背景及相关理论22)2(2yxyxz8’9’10’5’6’7’4’62#墩123456789101112133’2’1’13’12’11’63#墩33'箱内-下游腹板箱外-下游腹板——新规范6.3.3条的理解32宣贯提纲一、工程需求背景及相关理论二、规范条文及说明三、应用示例33二、规范条文及说明34二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应实用精细化分析模型之空间网格模型实用精细化分析模型之折面梁格模型实用精细化分析模型之7自由度模型35二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应各腹板的受力分配：多腹板宽箱梁桥问题：“横向分布系数”在箱梁结构中的适用性？薄壁效应：直箱梁桥、弯箱梁桥现行方法：采用放大系数估算剪力滞效应：宽翼缘箱(T)梁桥、钢砼叠合梁桥问题：“有效分布宽度”仅适用于某种特定结构状态（常采用成桥结构）、适用于窄梁（剪应力为竖直方向）。36二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应各腹板的受力分配：横向分布系数计算方法的局限简支条件所有腹板下均有支座——纵横向图形相似37二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应薄壁效应：自由扭转剪应力自由扭转约束扭转约束扭转剪应力约束扭转翘曲正应力弯曲剪应力38二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应剪力滞效应：采用同一个工字型截面39二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应剪力滞效应：40米简支梁各划分梁的正应力分布10米简支梁各划分梁的正应力分布40二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应剪力滞效应：40米梁轴力作用于1#梁时，各划分梁的正应力分布-1.60E+04-1.40E+04-1.20E+04-1.00E+04-8.00E+03-6.00E+03-4.00E+03-2.00E+030.00E+002.00E+0305101520253035401#梁2#梁3#梁4#梁5#梁6#梁全断面-1.40E+04-1.20E+04-1.00E+04-8.00E+03-6.00E+03-4.00E+03-2.00E+030.00E+002.00E+030123456789101#梁2#梁3#梁4#梁5#梁6#梁全断面10米梁轴力作用于1#梁时，各划分梁的正应力分布41二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应-单梁分析的局限性第1步：“大包小”第2步：有效分布宽度宽箱梁到简单工字型梁的过程第3步：配筋采用截面法；截面配筋用的极限值即是结构计算的弹性值乘以各分项系数42二、规范条文及说明桥梁结构的空间效应-现有分析方法项目腹板受力分配效应薄壁效应剪力滞效应匹配现行配筋方法自由扭转约束扭转畸变横向弯曲单梁模型×××××平面梁格模型×××实体或板壳模型×43二、规范条文及说明实用精细化分析模型实用性：可以直接联系配筋（相比块体单元）精细化：拆解了空间效应（相比单梁模型）块体模型的局限：局部效应和整体效应难以分离；无法联系配筋方法及获得承载力；尚不能完全满足桥梁结构的分析要求（预应力、活载、时间效应等）。44二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。空间网格模型示意45二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。腹板不划分形成的网格模型腹板划分形成的网格模型腹板截面腹板划分截面顶底板纵、横向划分截面46二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。网格模型中箱梁的畸变变形示意47二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。腹板受力分配：空间网格模型中，箱梁截面已经离散为各个划分截面，各纵横梁（6自由度梁单元）为刚性连接。原来作用在整个箱梁截面上荷载通过横向的传递，依据各划分截面自身的刚度分配各个腹板上，不需要借用横向分布系数。48二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。薄壁效应：阶梯型表达的弯曲剪应力自由扭转剪应力约束扭转剪应力约束扭转翘曲正应力49二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。剪力滞效应：反映剪力滞效应的截面正应力50二、规范条文及说明实用精细化分析模型之空间网格模型特点：最为全面的实用精细化模型。梁单元的输出结果易于工程师理解并可以直接应用于预应力混凝土的设计。虽然一些有限元模型在某些方面更加精细,但与配筋建立直接联系尚存较大困难，影响了其“有效性”。空间网格模型中单元的材料不一定是混凝土，也可以是钢或其他材料，也就是说，该模型可以应用到组合结构并为复杂截面提供完整验算应力。51二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。折面梁格模型示意折面梁格模型常用划分截面边腹板型二字型翼缘板型工字型52折面梁格模型的划分示意2345671阶梯形正应力分布二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。53二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型纵梁2纵梁3纵梁4折面梁格模型的截面划分和取值——“所见即所得”54二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型纵1纵2纵3横1横2横455二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。腹板受力分配：折面梁格模型中，箱梁截面沿截面横向离散为多个划分截面，原来作用在整个箱梁截面上的荷载效应通过各个划分截面的自身刚度传递分配，分配到相应的荷载。多腹板宽箱梁桥进行梁格分析，可以计算得到各道腹板的荷载分配，不需要借用横向分布系数。56二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。薄壁效应：顶底板弯曲剪力流计算结果是不准确的。无法求出约束扭转剪力流和畸变剪力流的零点位置和变化趋势。57二、规范条文及说明实用精细化分析模型之折面梁格模型特点：针对桥宽方向截面不同位置的受力，反映剪力滞效应，特别针对多腹板宽箱梁桥，可以计算得到各道腹板的荷载分配。剪力滞效应：采用稀疏划分的宽箱梁截面（可能还需要考虑剪力滞效应）采用致