南宁大桥及其钢砼连接段压缩.ppt

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1、2019年7月,南宁大桥及其钢砼连接段,提纲,南宁大桥简介 工程概述 结构受力特点 主要结构构造 技术特点,钢砼连接段 方案构思 模型试验 结构检算 值得改进的地方,2019年7月,南宁大桥简介,南宁大桥简介,工程概述,南宁大桥位于南宁市东南郊，是连接市区与五象新区的通道,市区,五象新区,南宁大桥简介,工程概述,青秀山风景区西侧，国宾馆荔园山庄东侧，五象岭森林公园北边 北接青山路，跨越邕江，南接五象新区（蟠龙）规划路 城市主干路级标准 双向六车道 桥宽35m,南宁大桥简介,工程概述,南宁大桥简介,工程概述,南宁大桥简介,工程概述,南宁大桥简介,工程概述,大跨径曲线梁非对称外倾拱桥,南宁大桥简介

2、,工程概述,南宁大桥简介,结构受力特点,荷载的传递关系 桥道荷载，通过吊索传递至拱肋 吊索轴力传至拱肋，分解为：作用于拱平面内向下（Ty），作用于拱平面内平行于桥轴（Tx），作用于拱平面外（Tz） 拱肋位于倾斜的平面内，拱肋自重分解为：作用于拱平面内向下（Wy），作用于拱平面外（Wz）,南宁大桥简介,结构受力特点,拱的平衡 拱肋自重分力产生向外倾覆的趋势 吊索分力抵抗其倾覆,南宁大桥简介,结构受力特点,拱的平衡 拱的推力传至肋间平台，由布置于钢箱梁内的系杆来平衡,南宁大桥简介,结构受力特点,主梁横向分力的平衡 两侧吊索的竖向分力基本相同，由于其横向倾角不等，其横向分力必然不同 由此产生的主梁横

3、向分力，由反向弯曲的系杆来平衡,南宁大桥简介,结构受力特点,尽管“大跨径曲线梁非对称外倾拱桥”受力复杂，但却可以维持三维空间的力学平衡，结构是完全可以实现的 所有平衡关系中，拱平面外的平衡、主梁横向分力的平衡与常规拱桥不同，是设计这一桥型的难点及重点,南宁大桥简介,主要结构构造,混凝土拱肋 采用等宽变高的单箱单室截面，宽度7.5m，高度由顶端的10.1m渐变至承台顶面的14.6m，标准壁厚80cm 分为3个大的区间、21个小节段，采用曲面液压自爬模施工 拱肋内共布设10组预应力束，下端锚固，上端单端张拉后通过连接器接长,南宁大桥简介,主要结构构造,肋间横墙 薄壁结构，标准壁厚60cm，起到拱脚

4、横撑的作用 横墙顶面形状为R=21.5m的圆柱面，并与两拱肋内侧面相切,南宁大桥简介,主要结构构造,肋间平台 由平台主梁和连接东西两拱的横梁共同构成，采用预应力混凝土结构 内设两道锚固横梁，用于锚固系杆 前后两端设置牛腿，支承主、引桥箱梁,南宁大桥简介,主要结构构造,钢箱拱肋 东、西钢箱拱各自划分为15个节段，最大吊重218吨 采用等宽变高的单箱单室截面，面板内设板式加劲肋 每一段钢箱拱肋节段内，均设置2道竖直的吊点横隔板和3道呈径向布置的定位横隔板,南宁大桥简介,主要结构构造,钢箱梁 采用单箱单室扁平流线型全焊钢箱梁 位于R1500m平曲线上，箱梁节段呈扇形布置 吊索 采用平行镀锌钢丝成品索

5、，纵向间距9m，全桥共设26对 为便于施工、便于运营期换索，采用横向双索体系,南宁大桥简介,主要结构构造,系杆 全桥共布置32束系杆，分为四组 第一、四组在平面内直线布置；第二、三组在平面内弯曲布置，以平衡吊索产生的横向分力 钢箱梁吊点横隔板上，设置有系杆转向构造 系杆锚具采用钢绞线拉索群锚体系，允许整体换索和单根换索,南宁大桥简介,技术特点,独特的艺术造型和视觉效果 桥梁与环境交相辉映 发挥桥梁在景观中的时代性、标志性 采用“大跨径曲线梁非对称外倾拱桥”这一全新的桥型 丰富桥梁类型 为类似景观桥梁的建设提供参考,南宁大桥简介,技术特点,协调研究桥梁造型艺术和结构受力特点 分析受力特点，确保三

6、维结构稳定 研究结构造型，确保桥梁美观,南宁大桥简介,技术特点,南宁大桥简介,技术特点,创新细致的特殊结构细节设计 以HDPE为基料制造系杆转向装置 有效过渡的钢砼连接段 粘滞阻尼器限制主梁纵漂 U肋过焊孔采用两次半径过渡方式 贯彻耐久性、可检查性、可维护性设计思想 高品质耐久性砼 适当的钢结构涂装配套 拱肋检修车、梁底检修车、检修通道 运营期监测 系杆、吊索、铺装更换预案,南宁大桥简介,技术特点,施工特点 旋喷桩止水帷幕 曲面液压自爬模施工工法 缆索吊装、三维斜拉扣挂施工工艺 缆索吊机塔顶大距离横移技术 进行工程风险评估 全面关注各种风险事态 提供系统的风险管理策略,2019年7月,南宁大桥

7、的钢砼连接段,钢砼连接段,方案构思,为什么需要设 钢砼连接段？,钢砼连接段,方案构思,拱肋依靠吊索 分力维持平衡,拱肋依靠桥道系 荷载维持平衡,桥道系荷载 集度确定,拱肋荷载集度 也确定,拱肋只能 采用钢结构,钢砼连接段,方案构思,拱脚段 造型复杂,拱脚段 受力巨大,拱脚段 可能被水淹没,拱脚只能 采用混凝土,钢砼连接段,方案构思,拱脚只能 采用混凝土,拱肋只能 采用钢结构,必然存在 钢砼接头,钢砼连接段,方案构思,钢砼连接段 为何设在桥面以上？,钢砼连接段,方案构思,桥面以上 截面形状简单,肋间平台受力巨大， 适合采用混凝土,钢砼连接段 设在桥面以上,钢砼连接段,方案构思,功能 钢结构混凝土

8、结构的荷载传递 基本需求 减小突变和应力集中？ 结合面避免轴向受拉？ 施工时准确定位？,钢砼连接段,方案构思,明石海峡大桥,女神大桥,多多罗大桥,钢砼连接段,方案构思,钢混凝土结构之间的荷载传递？ 传压方式、传剪方式、混合方式 减小突变和应力集中？ 结合面增设钢垫板，扩散局部应力 受压：钢结构渐变（变大），增大与混凝土的接触面积 受剪：混凝土渐变（变小），提前与钢结构接触 带来新问题钢与混凝土间传递剪力的能力 结合面避免轴向受拉？ 提高混凝土抗拉能力 设置预应力 带来新问题轴向压力过大,钢砼连接段,方案构思,施工时准确定位？ 混凝土拱肋外廓尺寸加大，补偿混凝土拱肋段施工误差 依靠混凝土拱肋段劲

9、性骨架及调节装置，精确定位结合面的钢垫板 新问题钢与混凝土间传递剪力的能力 抗剪钢筋 焊钉 型钢连接件 开孔板连接件 新问题轴向压力过大 进一步增大钢结构几何尺寸 在预应力束周边浇筑混凝土,钢砼连接段,方案构思,荷载传递方式 混合方式：传压为主、传剪为辅 减小突变和应力集中 钢帽构造（钢垫板）、钢结构变大、混凝土小立柱提前接触 结合面避免受拉 设置预应力,钢砼连接段,方案构思,准确定位 混凝土拱肋尺寸、设劲性骨架及调节装置 传递剪力能力 焊钉、开孔板连接件 轴向压力过大 设混凝土小立柱,钢砼连接段,方案构思,第一过渡段,第二过渡段,第三过渡段,钢砼连接段,方案构思,钢砼连接段,方案构思,钢砼连

10、接段,模型试验,目的 研究拱肋连接部的应力分布及大小、作用力传递机理 分析连接件的受力大小，预测连接件的承载能力及安全储备 研究用于数值计算分析时的焊钉抗剪刚度、用于设计的承载力允许值 对钢砼连接段设计的合理性加以验证，保证使用状态的安全,由同济大学刘玉擎教授领导下的科研小组完成,钢砼连接段,模型试验,连接件试验 局部模型试验 试验模型有限元分析,钢砼连接段,连接件试验,焊钉 正立、侧立、倒立 直径22mm、直径19mm,钢砼连接段,连接件试验,开孔板连接件 正立、侧立、倒立 孔中无贯通钢筋、有贯通钢筋,钢砼连接段,连接件试验,试验加载 采用较通用的推出试验方法、即两侧对称加载的方式，保证均匀

11、给每根连接件施加剪力,钢砼连接段,连接件试验,典型荷载位移曲线,钢砼连接段,连接件试验,焊钉连接件的极限承载力及抗剪刚度随直径的增加而增大,钢砼连接段,连接件试验,有无贯通钢筋对开孔板连接件的极限承载力及延性影响很大,钢砼连接段,连接件试验,开孔板刚度约为焊钉的4倍，承载力约为焊钉的3倍，但延性较焊钉差,钢砼连接段,连接件试验,浇筑方向对承载力的影响（焊钉） 侧立状态下的刚度和屈服承载力较小，滑移量较大,钢砼连接段,连接件试验,浇筑方向对承载力的影响（开孔板） 侧立状态下的刚度和屈服承载力较小，滑移量较大,钢砼连接段,连接件试验,焊钉：建议以侧立状态试验作为设计取值参数 开孔板：建议以侧立、倒

12、立状态试验作为设计取值参数,钢砼连接段,局部模型试验,模型比例 1:1,局部模型 模拟区域,钢砼连接段,局部模型试验,钢砼连接段,局部模型试验,钢砼连接段,局部模型试验,试验加载 根据最不利工况下，轴力及面内弯矩计算得到加载荷载 加载荷载8473kN，并在钢与混凝土结合处产生8.9mm的偏心 加载方案 施加预应力，即F=2344kN；预应力按50%、100%两次张拉 逐级施加竖向荷载P，直到设计荷载，即P=8473kN 在5000kN之前按每级500kN进行加载 在5000kN之后按每级250kN进行加载,钢砼连接段,局部模型试验,顶部位移,钢砼连接段,局部模型试验,第二过渡段加劲肋应力 最大

13、-145MPa,应力从上至下减小，反映出焊钉的作用,钢砼连接段,局部模型试验,第二过渡段面板应力 最大-35MPa,钢砼连接段,局部模型试验,第二过渡段小立柱侧板应力 最大-110MPa,钢砼连接段,局部模型试验,第三过渡段内侧板应力 最大-35MPa,应力从下至上减小，反映出开孔板的作用,钢砼连接段,局部模型试验,第三过渡段外侧板应力 最大-50MPa,应力从下至上减小，反映出开孔板的作用,钢砼连接段,局部模型试验,第三过渡段内侧钢帽位移 最大位移41*10-3mm，平均位移32*10-3mm， 与混凝土相对滑移4*10-3mm,弹性压缩28*10-3mm,钢砼连接段,局部模型试验,第三过渡

14、段外侧钢帽位移 最大位移65*10-3mm，平均位移51*10-3mm， 与混凝土相对滑移23*10-3mm,弹性压缩28*10-3mm,钢砼连接段,局部模型试验,开孔板应力 最大50MPa,钢砼连接段,局部模型试验,开孔板中钢筋应力 最大65MPa,钢砼连接段,局部模型试验,试验小结 在设计荷载作用下，试件各板件的应力均没有超过材料的设计容许强度 拱壁内侧、外侧实测最大竖向位移分别为-0.24mm、-0.28mm 由于第二过渡段焊钉的作用，在将荷载传递到第三过渡段过程中，加劲板N10上的应力逐渐降低，降低的部分通过焊钉的作用而由小立柱混凝土承担 实际考虑开孔板影响的拱壁钢盖帽与混凝土拱壁内、

15、外侧相对平均滑移分别为410-3mm、2310-3mm,钢砼连接段,试验模型有限元分析,采用空间混合有限元方法计算分析 混凝土用实体单元模拟 第一、二过渡段钢板用壳单元模拟 第三过渡段钢板及开孔板用实体单元模拟，尽可能模拟出开孔板的真实应力分布,钢砼连接段,试验模型有限元分析,采用空间混合有限元方法计算分析 焊钉采用三维的弹簧单元模拟 开孔板连接件，分别利用三维弹簧单元和实体单元进行模拟 使用弹簧元模拟焊钉及开孔板连接件时，其刚度均取自连接件试件的加载试验分析结果,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第一、二过渡段加劲肋应力 轴向应力最大约-120MPa 最大Mises应力约150MPa,沿拱肋的

16、轴向应力,Mises应力,试验：最大-145MPa,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第一、二过渡段面板应力 轴向应力最大约-60MPa 最大Mises应力约60MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,试验：最大-35MPa,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第二过渡段小立柱面板应力 轴向应力最大约-150MPa 最大Mises应力约150MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,试验：最大-110MPa,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第三过渡段端板应力 轴向应力最大约-100MPa 最大Mises应力约150MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第三过渡段

17、内侧板应力 轴向应力最大约-30MPa 最大Mises应力约35MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,试验：最大-35MPa,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第三过渡段外侧板应力 轴向应力最大约-60MPa 最大Mises应力约50MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,试验：最大-50MPa,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第二过渡段小立柱混凝土应力 局部失真，应力较大,沿拱肋的轴向应力,主压应力,主拉应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,第三过渡段混凝土应力,沿拱肋的轴向应力,主压应力,主拉应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,下部拱肋混凝土应力 趋于均匀,沿拱肋的轴向应力,主压应力

18、,主拉应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,焊钉剪力 最大27KN 两端大、中部小 上端焊钉剪力最大,钢砼连接段,试验模型有限元分析,开孔板连接件应力（模拟为弹簧元） 轴向应力最大约-80MPa 最大Mises应力约100MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,开孔板连接件剪力（模拟为弹簧元） 最大36KN 两端大、中部小 上端剪力最大,钢砼连接段,试验模型有限元分析,开孔板连接件应力（模拟为实体） 轴向应力最大约-150MPa 最大Mises应力约100MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,开孔板中混凝土应力（模拟为实体）

19、,沿拱肋的轴向应力,主压应力,主拉应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,开孔板中钢筋应力（模拟为实体） 最大剪力65KN,竖向剪力,轴向应力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,有限元分析结论 所有钢板应力均没有超过钢材的设计强度 混凝土除在小立柱上表面个别应力集中点外，其余应力均没有超过混凝土的设计强度 连接件的剪力均没有超过容许设计值 连接件承担的剪力占总荷载的20%,钢砼连接段,试验模型有限元分析,有限元分析结论 开孔板连接件的模拟方式对于第二过渡段的钢板、混凝土、焊钉的影响较小 采用开孔板连接件试件的加载试验分析结果所得的开孔板刚度进行模拟分析，与利用实体单元进行模拟分析，两者计算结果比较

20、一致 采用弹簧元模拟，有限元建模相对简单，划分单元数量较少，且传力途径比较明确 在开孔板刚度取值确定的情况下，可以采用弹簧元模拟方式代替实体单元模拟进行结构受力计算,钢砼连接段,试验模型有限元分析,局部模型计算与实测结果的比较 小立柱顶部荷载位移比较,计算未考虑摩阻力,钢砼连接段,试验模型有限元分析,局部模型计算与实测结果的比较 加劲肋计算与实测荷载应力曲线,钢砼连接段,试验模型有限元分析,局部模型计算与实测结果的比较 腹板计算与实测荷载应力曲线,钢砼连接段,试验模型有限元分析,局部模型计算与实测结果的比较 第三过渡段拱壁外侧板计算与实测荷载应力曲线,钢砼连接段,试验模型有限元分析,局部模型计

21、算与实测结果的比较 钢帽与混凝土拱壁相对滑移计算与实测比较,弹性压缩28*10-3mm,钢砼连接段,试验模型有限元分析,计算与试验结果比较结论 有限元模拟计算结果与实测试验结果比较接近，说明有限元模型中各项参数取值较为合理 由于第二过渡段焊钉的作用，在将荷载传递到第三过渡段过程中，第二过渡段参与受力，使得荷载能够比较均匀传递，改善了第三过渡段的受力状态 开孔板连接件总体应力值比较小，且越向下越逐渐降低，第三过渡段混凝土也参与受力，并承担了较多的荷载 结合段钢板与混凝土间的相对滑移比较小，两种有限元模拟方式的计算结果比较吻合，且以材料的弹性压缩为主，说明开孔板弹簧刚度取值较为合理,钢砼连接段,结

22、构检算,采用空间混合有限元方法计算分析 混凝土用实体单元模拟 钢板用壳单元模拟 焊钉、开孔板用弹簧元模拟,钢砼连接段,结构检算,钢砼连接段,结构检算,第一过渡段面板应力(工况2) 轴向应力最大约-130MPa 最大Mises应力约130MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,结构检算,第一过渡段加劲肋应力(工况4) 轴向应力最大约-180MPa 最大Mises应力约180MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,结构检算,第二过渡段面板应力(工况2) 轴向应力最大约-185MPa 最大Mises应力约180MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,结构检算

23、,第二过渡段小立柱钢板应力(工况4) 轴向应力最大约-185MPa 最大Mises应力约175MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,结构检算,第三过渡段端板应力(工况7) 最大Mises应力约130MPa,Mises应力,钢砼连接段,结构检算,第三过渡段面板应力(工况7) 轴向应力最大约-90MPa 最大Mises应力约80MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,结构检算,第三过渡段开孔板应力(工况4) 轴向应力最大约-140MPa 最大Mises应力约130MPa,沿拱肋的轴向应力,Mises应力,钢砼连接段,结构检算,小立柱混凝土应力 局部失真，应力较大 整体

24、应力水平-100MPa,沿拱肋的轴向应力,主压应力,主拉应力,钢砼连接段,结构检算,第三过渡段混凝土应力 整体应力水平-182MPa,沿拱肋的轴向应力,主压应力,主拉应力,钢砼连接段,结构检算,下部拱肋混凝土应力 趋于均匀 整体应力水平-151.5MPa,沿拱肋的轴向应力,主压应力,主拉应力,钢砼连接段,结构检算,焊钉剪力(工况4) 最大约40KN,试验：Vy=80KN,钢砼连接段,结构检算,开孔板剪力(工况4) 最大约70KN,试验：Vy=220KN,钢砼连接段,结构检算,第三过渡段相对滑移量(工况4),钢砼连接段,结构检算,结论 连接部钢板应力均未超过钢材的设计强度 连接部混凝土除了个别应

25、力集中点外，其余应力均未超过混凝土的设计强度 连接部焊钉上作用剪力均未超过容许剪力设计值 采用开孔板连接件，拱肋钢壁下缘、即偏离封头端板0.56m处钢板与下缘混凝土相对滑移很小，能够达到逐渐过渡传力的效果,钢砼连接段,值得改进的地方,P6500kN时，拱身混凝土表面出现部分裂缝,钢砼连接段,值得改进的地方,解剖试件 拱壁外侧板及封头端板的角隅位置，出现了混凝土与钢板之间脱空的现象，局部位置深度达20cm左右,钢砼连接段,值得改进的地方,混凝土从小立柱上部浇入，当浇到封头端板位置时，透气孔已浇注被封堵，气泡很难排出，造成局部混凝土脱空 混凝土表面裂缝与混凝土脱空位置相对应 试件另一小立柱位置未出现裂缝 有限元分析未发生混凝土拱体出现较大水平向主拉应力 排除是结构受力裂缝,钢砼连接段,值得改进的地方,保证封头端板下的混凝土均匀、密实 合理布置第三过渡段出气孔、振捣孔 加强施工质量控制 加强工后检查,2019年7月,谢谢大家！,