《公路斜拉桥设计规范》2020宣贯-结构分析计算.pdf
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1、交通运输部公路工程行业标准宣贯公路斜拉桥设计规范JTG/T 3365 012020 公路斜拉桥设计规范JTG/T 3365-012020 重点修订重点修订内容详解(四):斜拉桥结构分析计算内容详解(四):斜拉桥结构分析计算高级工程师高级工程师中交公路规划设计院有限公司标规室副主任中交公路规划设计院有限公司标规室副主任李会驰李会驰20202020年年8 8月月宣贯内容宣贯内容一、规范条文概况一、规范条文概况二、规范条文解读二、规范条文解读公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 1二、规范条文解读二、规范条文解读三、讨论和展望三、讨论和展望1 1 斜拉桥的安全性斜拉桥
2、的安全性一、规范条文概况一、规范条文概况安全是工程结构的基本要求,人类对结构安全的追求由来已久汉谟拉比法典对建筑安全的要求:“同态复仇法”工匠建造的房屋倒塌,若压死了屋主,把工匠处死,若压死的是房主的妻子汉莫拉比约公元前1792前1750年在位公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 2建筑十书要求建筑的三要素:实用、坚固、美观马可维特鲁威(公元前1世纪)欧洲古桥工匠建造的房屋倒塌,若压死了屋主,把工匠处死,若压死的是房主的妻子或儿子,就把工匠的妻子或儿子处死。一、规范条文概况一、规范条文概况各类斜拉桥的安全事故,警示质量安全在工程建设上的重要性1 1 斜拉桥的安全
3、性斜拉桥的安全性公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 32018年8月,意大利北部城市热那亚发生严重塌桥事故,事故造成43人死亡事故分析(斜拉索失效):斜拉索采用外部混凝土防护,耐久性不足,斜拉索断裂、引起稀索体系斜拉桥垮塌一、规范条文概况一、规范条文概况各类斜拉桥的安全事故,警示质量安全在工程建设上的重要性1 1 斜拉桥的安全性斜拉桥的安全性公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 42018年1月,哥伦比亚Chirajara桥在施工时垮塌事故分析(施工):塔柱斜率变化、使得塔柱节点处产生横向拉力;当横梁内的抗拉钢筋配置不足或锚固无
4、效时,横梁与塔柱的联结点的破坏,从而引发大桥的倒塌一、规范条文概况一、规范条文概况各类斜拉桥的安全事故,警示质量安全在工程建设上的重要性1 1 斜拉桥的安全性斜拉桥的安全性公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 52018年3月,美国FIU人行天桥在施工过程中发生垮塌事故分析(施工):12号节点的承载力不足,引起垮塌一、规范条文概况一、规范条文概况各类斜拉桥的安全事故,警示质量安全在工程建设上的重要性1 1 斜拉桥的安全性斜拉桥的安全性公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 61999年9月,台湾集集地震(里式7.6级)中处于施工的集
5、鹿大桥产生地震损伤事故分析(地震):桥塔在墩梁固结处400cm范围出现混凝土剥落(横桥向塑性铰),斜拉索脱落,主梁在过渡墩的相对位移过大一、规范条文概况一、规范条文概况各类斜拉桥的安全事故,警示质量安全在工程建设上的重要性1 1 斜拉桥的安全性斜拉桥的安全性公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 72007年6月,广东九江大桥发生船撞桥事故,桥面坍塌200m,事故造成8人死亡事故分析(船撞):船舶因偏离航道,致使船头与九江大桥23号桥墩发生触碰,导致九江大桥23号、24号、25号三个桥墩倒塌,并引发所承载桥面坍塌一、规范条文概况一、规范条文概况 桥梁工程是跨越沟谷
6、河流的人工构筑物,勘察设计需重点关注四类因素自然和社会环境自然和社会环境的作用规律的作用规律桥梁的桥梁的静动力特性静动力特性桥梁构件的桥梁构件的承载性能承载性能地基与基础的地基与基础的承载性能承载性能2 2 斜拉桥设计的标准体系斜拉桥设计的标准体系公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 8荷载作用的荷载作用的模型和取值模型和取值分析方法及分析方法及控制措施控制措施结构体系与构件结构体系与构件的强度、耐久性的强度、耐久性地基与基础的强地基与基础的强度和变形性能度和变形性能一、规范条文概况一、规范条文概况 针对四类因素,以可靠性理论为基础,在桥梁设计规范中逐一落实荷载
7、作用的荷载作用的模型和取值模型和取值公路桥涵通用设计规范公路桥涵通用设计规范公路桥梁抗震设计规范公路桥梁抗震设计规范公路桥梁抗风设计规范公路桥梁抗风设计规范公路桥梁抗撞设计规范公路桥梁抗撞设计规范公路工程结构可靠性设计统一标准公路工程结构可靠性设计统一标准2 2 斜拉桥设计的标准体系斜拉桥设计的标准体系桥涵结构桥涵结构的作用的作用结构分析结构分析公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 9分析方法及分析方法及控制措施控制措施结构体系与构件结构体系与构件的承载性能的承载性能地基与基础的方地基与基础的方案和承载性能案和承载性能公路桥梁抗撞设计规范公路桥梁抗撞设计规范公路
8、斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范公路悬索桥设计规范公路悬索桥设计规范公路混凝土桥涵设计规范公路混凝土桥涵设计规范公路钢结构桥梁设计规范公路钢结构桥梁设计规范公路组合桥梁设计施工规范公路组合桥梁设计施工规范公路桥涵地基与基础设计规范公路桥涵地基与基础设计规范JTG 3363-2020极限状态设计和分项系数设计极限状态设计和分项系数设计承载能力极限状态:承载能力极限状态:正常使用极限状态:正常使用极限状态:结构分析结构分析确定效应、抗力和其他性能确定效应、抗力和其他性能结构模型、作用模型、分析方法结构模型、作用模型、分析方法材料和岩土的性能材料和岩土的性能强度、弹性模量、变形模量、压缩强度、弹性模
9、量、变形模量、压缩模量、粘聚力、内摩擦角等物理力模量、粘聚力、内摩擦角等物理力学性能,以及测试方法。学性能,以及测试方法。一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算 一般规定一般规定 静力计算静力计算2007版版公路斜拉桥设公路斜拉桥设计细则计细则计算计算 一般规定一般规定 成桥状态静力分析成桥状态静力分析2020版版公路斜拉桥设公路斜拉桥设计规范计规范结构分析计算结构分析计算公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 10 动力特性计算动力特性计算 空气动力稳定计算空气动力稳定计算 抗震计算抗震计算 施工阶段计算施工阶段计算 施工阶段静
10、力分析施工阶段静力分析 静力稳定分析静力稳定分析 动力分析动力分析一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算章节划分章节划分 分析目的分析目的 设计状况设计状况作用作用刚度特性刚度特性 材料弹塑性材料弹塑性 阻尼特性阻尼特性 质量特性质量特性成桥状态静力分析验算成桥状态的承载性能持久状况永久作用和可变作用弹性施工阶段静力分析验算施工阶段的承载性能短暂状况永久作用和可变作用弹性公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 11载性能变作用静力稳定分析验算成桥、施工阶段结构的整体和局部稳定性持久状况短暂状况永久作用和可变作用弹塑性动力分析验算抗
11、风、抗震和抗撞性能偶然状况地震状况永久作用和偶然作用弹性弹塑性一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算项目项目分析内容分析内容检算内容检算内容成桥状态静力分析基于设计成桥状态,分析在永久作用和可变作用下主要构件的最不利内力、应力和变形检验基础、索塔、桥墩、主梁、斜拉索和支承连接装置的承载力检验主梁的挠度、支承连接装置的位移在永久作用和可变作用下,斜拉桥典型应力扰动区的受力情况检验索塔与横梁连接区、索塔与主梁连接区、索塔的锚固部位、主梁的锚固部位等应力扰动区的承载力施工阶段静力分析在永久作用和施工荷载作用下,主要构件的最不利内力和应力检验基础、索塔、桥墩、主梁、斜
12、拉索和支撑连接装置的承载力检验索塔与横梁连接区、索塔与主梁连接区、公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 12静力分析在永久作用和施工荷载作用下,斜拉桥典型应力扰动区的受力情况检验索塔与横梁连接区、索塔与主梁连接区、索塔的锚固部位、主梁的锚固部位等应力扰动区的承载力静力稳定分析在永久作用和可变作用下,斜拉桥的整体稳定和局部稳定检验结构的稳定性系数在永久作用和施工荷载作用下,斜拉桥的整体稳定和局部稳定检验结构的稳定性系数动力分析在地震作用下结构的内力和变形检验基础、索塔、桥墩和支撑连接装置的承载力、延性性能和变形性能在风荷载作用下结构的静力及动力响应检验斜拉桥的空气
13、动力稳定性、斜拉索的风振和风雨振性能在船舶撞击作用下结构的内力、变形检验基础、索塔和桥墩的承载力一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则一般规定7.1.1 斜拉桥应进行结构的静力分析、稳定分析和动力分析,施工阶段和成桥状态下结构的强度、刚度和稳定性应满足要求6.1.17.1.2斜拉 桥 的 结构 计 算 模型、几 何特 性、边界 条 件 应反 映 实 际斜拉桥结构的总体静力分析、局部静力分析、稳定分析和动力分析宜采用空间结构计算模型6.1.2、6.1.
14、3在方案设计阶段,总体静力分析可采用平面杆系计算模型,并应考虑下列因素:1)荷载横向分布;2)空间斜拉索简化为平面索的索力换算;3)若拉索锚固点与主梁(索塔)形心位置不同时宜考虑拉6.1.36.2.1-36.2.1-4新增公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 13反 映 实 际结 构 状 况和 受 力 特征3)若拉索锚固点与主梁(索塔)形心位置不同时,宜考虑拉索偏心对主梁受力(索塔)的影响新增进行局部静力分析时,计算区域应满足圣维南原理6.1.2、6.1.3一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3
15、365-012020)宣贯Page 14一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则成桥状态7.2.1斜 拉 桥 结斜拉桥结构分析宜计入几何非线性的影响,考虑斜拉索垂度效应、P-效应、大位移效应6.2.1-26.2.1-5斜拉桥结构分析,宜考虑基础变位对结构的影响:1)有限元模型将基础与其他结构按施工形成过程一并考虑时,应计入桥墩、索塔施工偏心对基础的影响和桥梁横向荷载对基础的影响2)当基础单独分析时,除应计入桥墩、索塔施工偏心和桥梁横6.2.1-76.2
16、.8公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 15状态静力分析斜 拉 桥 结构 的 总 体静力分析)当基础单独分析时,除应计入桥墩索塔施工偏心和桥梁横向荷载的影响外,还应计入上部结构产生效应后对基础产生的二次效应对风荷载等横向荷载,索塔分析可采用平面框架模型6.2.5主梁为箱形结构时,应考虑扭转翘曲影响。主梁为组合结构时,应考虑主梁的两种材料不一致而引起的结构内力重分配6.2.1-66.2.1-7按施工过程,根据现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362)的规定计算混凝土收缩徐变效应6.2.10一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构
17、分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则成桥状态静力分析7.2.2斜 拉 桥 结构 的 局 部静力分析塔梁连接区、斜拉索锚固部位及钢混结合部等受力复杂部位应进行局部分析6.2.1-96.2.6-1局部分析和应力计算宜采用空间有限元方法,其计算模型边界条件应能真实反映实际结构的受力状况索塔锚固部位配置预应力钢筋时,可按现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362)的规定,采用拉杆-压杆模型进行锚固部位结构验算新增钢梁的索梁锚固部位还应进行局部稳定分析和疲劳分析6.2.6-2 公路斜拉桥设
18、计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 16一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则成桥7.2.3斜 拉 桥 结构 的 设 计成 桥 状 态分析预应力混凝土梁斜拉桥应计入预应力效应和汽车荷载效应;组合梁斜拉桥应计入桥面板预应力效应和汽车荷载效应;钢箱梁斜拉桥应计入汽车荷载效应。6.2.2基础计算应符合现行公路桥涵地基与基础设计规范(JTG 3363)的规定重力式地锚计算应包括抗倾覆、抗滑移,其安全系数应不小于2.06.2.8公路斜拉桥
19、设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 17成桥状态静力分析7.2.4斜 拉 桥 主要 构 件 的强度计算混凝土索塔和混凝土主梁的强度计算,应符合现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362)的规定钢索塔、钢主梁和组合结构主梁的强度计算,应符合现行公路钢结构桥梁设计规范(JTG D64)的规定6.2.7斜拉索的承载力应满足下式要求:斜拉索的承载力应满足公路钢结构桥梁设计规范的规定,部分斜拉桥用斜拉索的强度设计值提高50%;短暂状况斜拉索的抗拉强度设计值宜提高25%斜拉索的疲劳计算,应符合现行公路钢结构桥梁设计规范(JTG D64)的规定。其中部分斜拉桥斜拉
20、索的疲劳应力幅应控制在80MPa3.44.3.4-7新增一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则成桥状态静力分析7.2.5主 梁 的 刚度计算汽车荷载(不计冲击力)引起的竖向挠度,当汽车荷载作用于一个跨径内引起该跨径正负挠度时,f取正负挠度绝对值之和。4.4.17.2.6预 拱 度 计算设计预拱度不宜小于主梁的混凝土收缩徐变产生的竖向挠度及1/2汽车荷载产生的竖向挠度之和6.6.47.2.7过 渡 墩 与辅 助 墩 支持久状况下,过渡墩和辅助墩的墩顶支
21、承系统应保证斜拉桥结构体系不发生变化。过渡墩和辅助墩支座宜处于受压状态,或新增公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 18辅 助 墩 支承系统设置可靠的抗拔装置7.2.8斜 拉 索 更换要求在一根斜拉索更换、邻近更换斜拉索的车道封闭交通的正常换索工况下,索塔、主梁和斜拉索应满足成桥状态的强度、刚度和稳定性要求6.2.1-8一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 19可靠性可靠性三个正常三个正常正常设计正常施工正常使用安全性适用性耐久性公路工程结构可靠性设计统一标准
22、公路工程结构可靠性设计统一标准JTGJTG 21202120-20202020公路工程结构的设计应使结构在规定的设计使用年限内满公路工程结构的设计应使结构在规定的设计使用年限内满足规定的各项功能要求足规定的各项功能要求公路工程结构在正常设计公路工程结构在正常设计、正常施工和正常使用时应符合正常施工和正常使用时应符合安全性安全性、耐久性和适用性耐久性和适用性要求要求一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则施工阶段7.3.1施 工 阶 段划 分 与 计算各
23、施工阶段的计算简图应与施工流程的划分一致6.6.1斜拉桥的体系转换计算阶段斜拉桥的施工阶段不平衡荷载因素施工阶段应计算:斜拉索索力、结构内力、截面应力、支座反力、索塔及主梁变位等公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 20阶段静力分析力、索塔及主梁变位等施工阶段构件验算应遵照现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG 3362)、公路钢结构桥梁设计规范(JTG D64)的有关规定执行7.3.2临时墩在斜拉桥施工过程中,可在不影响通航的范围内设置临时墩。临时墩参与施工过程中的结构计算。在有漂浮物的河流,临时墩应考虑漂浮物的撞击6.6.27.3.3墩 梁 临
24、 时固结斜拉桥的墩梁临时锚固应满足最大双悬臂状态和最大单悬臂状态的受力要求新增一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算临时墩公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 21最大双悬臂最大单悬臂一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算 加拿大新尚普兰大桥跨径布置为(80.4+124+240+84.4)m的独塔斜拉桥,是世界上首座采用三个分公路斜拉桥设计规范(JTG/T 3365-012020)宣贯Page 22东侧辅助跨作为一个独立的跨度施工,并在主跨度悬臂施工前完成。待主跨悬臂施工至最大悬臂后,东侧辅助墩
25、附近设置临时支墩和临时斜拉系统,连接主跨并进行最终合拢,待箱梁合拢后拆除是世界上首座采用三个分体式箱梁的公轨合建桥一、规范条文概况一、规范条文概况3 3 规范规范结构分析计算结构分析计算20202020版版公路斜拉桥设计规范公路斜拉桥设计规范20072007版版公路公路斜拉桥设计细则斜拉桥设计细则静力稳定分析7.4.1静 力 稳 定的 分 析 内容斜拉桥的静力稳定分析应包括整体稳定和局部稳定,稳定分析应涵盖主要体系转换过程和主要作用组合新增7.4.2整体稳定分析斜拉桥整体稳定分析,应计入斜拉索垂度的影响。斜拉桥结构体系第一类稳定,即弹性屈曲的结构稳定安全系数应不小于4;第二类稳定,即计入材料非
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