摘 要

大跨度连续刚构桥在役期间会出现危及桥梁安全的损伤和病害，若不能及时处理而发生安全事故则很有可能造成国民经济损失甚至是人员伤亡。因此，有必要对公路交通中的在役桥梁建立完善的实时安全监测系统，以便能够实时评估其结构损伤程度和安全状况并采取相应的维修或加固措施确保桥梁安全。

本论文以朱家尖大桥这一典型的大跨度预应力混凝土连续刚构桥为工程对象，借助桥梁专用软件MIDAS-Civil进行了有限元模拟计算。考虑大桥的结构特点进行相应的模拟，并结合预应力混凝土连续刚构桥运营期的典型病害以及实时健康监测系统的测试物理量重点分析箱梁的内力、位移及应力状态，这对监测方案的制定及监测结果的分析评价有较 重要的指导意义。

关键词：连续刚构桥；健康监测；整体有限元分析

Abstract

Long span continuous rigid frame bridge in service will occur some damage and disease that endanger the safety of the bridge. If there is not timely treatment, it will lead to safety accident, which is likely to cause the loss of national economy and even casualties. Therefore, for the sake of real-time assessment of the structure damage degree and safety status, in order to take corresponding measures to ensure the safety of the bridge, it is necessary to establish a long-term online real-time safety monitoring system for highway bridges in service.

This paper takes Zhujiajian Bridge, a typical large span prestressed concrete continuous rigid frame bridge as the project object, with the bridge special software MIDAS-Cvil, Zhujiajian Bridge’s finite element simulation analysis has been carried out. Considering the structural characteristics of the bridge corresponding simulation are carried out, combined with the prestressed concrete continuous rigid frame bridge’s typical disease at operation period and real-time health monitoring system’s tested physical volume, internal force, box girder’s displacement and stress state are analyzed especially, which has important guiding significance for the formulation of monitoring program and analysis of the monitoring result.

Key Words: continuous rigid frame bridge; health monitoring; integral finite element analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 预应力混凝土连续刚构桥概述 1

1.2 连续刚构桥服役期的典型病害 1

1.2.1 主梁跨中持续下挠 2

1.2.2 箱梁裂缝 3

1.3大跨径桥梁健康监测概况 6

1.3.1 大跨径桥梁健康监测的概念及意义 6

1.3.2 大跨径桥梁健康监测现状 8

1.4 本论文主要研究内容 9

第二章 朱家尖大桥有限元建模 11

2.1 朱家尖大桥概况 11

2.2 有限元模型 13

2.2.1 材料 13

2.2.2 截面 14

2.2.3 边界条件 15

2.2.4 计算荷载 15

第三章 大桥整体有限元分析 16

3.1 荷载组合 16

3.2 主梁内力结果及分析 16

3.2.1 弯矩 16

3.2.2 剪力 18

3.2.3 轴力 21

3.3 主梁应力结果及分析 23

3.4 主梁下挠结果及分析 29

第四章 总结与展望 33

4.1 总结 33

4.2 展望 34

参考文献 35

致谢 36

第一章 绪论

1.1 预应力混凝土连续刚构桥概述

连续刚构桥在连续梁桥的基础上采用墩梁固结，墩梁刚性连接将在主梁端部产生负弯矩从而减少跨中的正弯矩，起到卸载作用。墩梁固结有利于悬臂施工，无需在支墩处设置支座和进行体系转换，其最主要的特点就是可以减少大型桥梁支座和养护上的不便，减少桥墩及基础工程的材料用量，可以大大节省造价。连续刚构体系保持了连续梁体系的大部分优点，如无伸缩缝、行车平稳等，其多应用于大跨、高墩，可利用高墩的柔度来适应内力变化引起的位移 [^[1]]。所以它还有整体性强，结构刚度大的特点，抗变形和抗震性能较好，主梁挠度曲线平坦。同时，连续刚构桥由于路面平坦给行车带来便利，国内外普遍认为这是一种经济性强的大跨度桥梁结构，并广泛运用于公共交通建设。然而，现有的很多大跨度连续刚构桥在运营期都被发现有混凝土开裂和主梁竖向位移过大的问题。随着大跨度连续刚构桥的广泛应用，这个问题日益突出，而张拉预应力钢筋能在很大程度抵消桥梁长期工作出现的拉应力，减缓其主梁的变形[^[2]]。预应力结构有比普通钢筋混凝土结构更大的跨越能力，能充分发挥高强混凝土的抗压能力，有助于减小截面尺寸降低结构重量，另外，预先张拉钢筋产生的压应力能有效抵消结构拉应力避免混凝土开裂，尤其是防止处于负弯矩区的桥面板开裂。

预应力连续刚构体系桥梁具有以上优点，更有利于结构承载和桥梁服务，大跨度预应力混凝土连续刚构桥在国内外都得到了广泛的应用。在结构简单、施工方便、使用效果好且造价较低等诸多方面，连续钢构具有突出的优势，其必将在今后桥梁建设的设计建造中有更大的发展。

1.2 连续刚构桥服役期的典型病害

预应力混凝土连续刚构桥跨度大，整体性强，抗变形和抗震性能好，利于行车的同时又具有较好的经济性。但是连续刚构桥梁是超静定结构，其内部和外部都是超静定的，墩梁固结以及连续变形都使得结构长期变形及应力重分布关系到多个因素，这些因素之间又互相影响加剧应力状态的紧张。再加上连续刚构桥的跨度不断增大，运营时间不断增加,行车速度不断提高，尽管预应力筋的布置能很大程度减轻桥梁病害的情况，但是已建成的大跨度连续刚构桥在运营期依然或轻或重地出现了混凝土开裂以及主梁下挠过大的问题，其中主梁挠度过大又是最为普遍的病害情况。

1.2.1 主梁跨中持续下挠

随着运营年代的增加，主跨跨中持续下挠已经成为国内大跨径预应力混凝土连续刚构桥的一种普遍现象和典型病害，跨中下挠的同时往往伴随着梁体裂缝的出现，在降低行车舒适度的同时也威胁着桥梁结构的安全。变形过大不但会影响桥面美观有碍车辆平稳高速的运行，而且会加快破坏桥面铺装和混凝土开裂。由于构件变形过大，桥面不平，车辆在行驶时颠簸也会对桥梁结构加载产生不利影响，并会伴随较大的噪声，降低人们的行车舒适度和安全感。

图1.1连续刚构桥跨中下挠病害