折线先张法预应力混凝土梁徐变性能研究

论文摘要

精确的徐变预测模式对桥梁结构设计或施工时的预拱度设置、运营期间桥梁线形的平顺度及高速行车的安全性等方面均有较大影响。折线形预应力混凝土先张梁兼有传统直线形先张梁和曲线形后张梁的优点,避免了后张梁施工时预留孔道灌浆不密实等质量缺陷,有着广阔的应用前景。因此,通过对折线先张法预应力混凝土梁的徐变性能进行研究,可准确的预估并控制徐变性能对该类桥梁结构的影响。本文将制作的三片折线先张预应力混凝土梁XPB1、XPB2、XPB3和一片抛物线后张预应力混凝土梁HPB1分成两组,分别放置在室内近似标准环境和室外自然环境中长期加载,四片梁的预应力度值均不相同,跨度均为7.5m。实时监测了四片梁施工阶段的预应力损失,定时观测了试验梁二次加载后跨中截面的长期变形约600天,完成了如下几方面研究：1)对实时测定的三片折线先张预应力混凝土梁在施工阶段的各项预应力损失进行了研究,完善了折线先张预应力混凝土梁的预应力损失计算方法。指出该类梁预应力筋与转向装置处的摩擦损失σ11可根据本课题组的研究公式计算确定；施工阶段的其他各项预应力损失可参照我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中的规定进行计算。2)研究了四片试验梁的徐变应变、徐变度、徐变函数及徐变系数的时程规律,指出环境条件和预应力度值对预应力梁的徐变性能影响较大,而钢束线形对徐变性能影响较小。结合其他学者对徐变系数的部分影响因素指标的量化成果,对折线先张预应力混凝土梁建立了考虑预应力度、混凝土加载龄期、构件截面尺寸、环境因素、混凝土强度及持荷时间等因素共同影响的“多系数法”徐变系数计算公式；并与ACI 209R-92、CEB-FIP MC90及我国“86成果”等模式对试验梁徐变系数的计算结果进行了对比；指出了本文“多系数法”徐变系数公式的计算误差为±10%。该公式可供折线先张预应力混凝土梁在进行与徐变性能相关的设计或施工时参考。3)对试验梁不同时段跨中截面不同高度处的徐变应变实测值进行了研究。验证了“平截面假定”对长期荷载作用下预应力混凝土梁的适用性；指出了不同预应力度的梁在长期荷载作用下截面中和轴位置的移动变化情况；并建立了全预应力梁和部分预应力梁的徐变应变几何模型。以徐变曲率参数为纽带,运用解析法,推证了预应力度对预应力梁徐变挠度系数与徐变系数间数值关系的影响：对全预应力梁,徐变挠度系数大于徐变系数；对部分预应力梁,徐变挠度系数小于徐变系数。并采用有限元软件对三片折线先张预应力梁的徐变变形进行了非线性分析,进一步分析了预应力度对预应力梁徐变系数与徐变挠度系数数值关系的影响,验证了试验结论。4)建立了预应力混凝土梁徐变挠度系数与徐变系数比值k的数学表达式和徐变挠度计算公式。k值表达式考虑了预应力度、预应力产生的轴向压力、预应力产生的弯矩、构件换算面积及构件截面抗弯模量等因素的共同影响。通过对系数k值表达式中各种影响因素的敏感性分析,指出了预应力度是系数k的决定性因素,而其他因素的影响较小；并进一步建立了当梁的预应力度值介于0.6～1.3时比值k的表达式和预应力混凝土梁的徐变挠度简化公式。5)研究了试验梁长期挠度系数的时程规律。指出了环境因素、荷载因素等对预应力梁长期挠度系数值有一定程度影响,持荷时间是影响长期挠度系数值的主要因素。以“先天理论”为基础,对折线先张预应力混凝土梁建立了仅考虑持荷时间的“单因素法”长期挠度系数计算模式,并指出了该类梁长期挠度增大系数终值ηθ可取为2.15。6)研究了三片折线先张预应力混凝土梁长期挠度系数和徐变挠度系数的数值关系,建立了考虑收缩和徐变共同影响的“多因素法”长期挠度系数表达式。并进一步建立了折线先张预应力混凝土梁“多因素法”和“单因素法”长期挠度计算公式；对两种公式进行了对比分析,指出了两种公式各自的适用范围,可供工程应用参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 折线先张法预应力混凝土梁简介
• 1.1.1 预应力混凝土发展历程
• 1.1.2 折线先张法预应力混凝土梁的特点
• 1.1.3 折线先张梁工程应用及研究概况
• 1.1.4 折线先张梁工程应用中尚待解决的问题
• 1.2 混凝土徐变的研究历史与现状
• 1.2.1 混凝土徐变概述
• 1.2.2 混凝土徐变研究历程
• 1.2.3 预应力混凝土梁徐变变形研究中有待解决的问题
• 1.3 本文研究背景、研究意义及拟解决的问题
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 研究意义及拟解决的问题
• 1.4 本文研究方法及主要研究内容
• 2 折线先张法预应力混凝土梁施工阶段性能试验研究
• 2.1 试验目的及研究内容
• 2.2 试验梁设计与制作
• 2.2.1 截面设计及材料选用
• 2.2.2 预应力钢束线形设计
• 2.2.3 折线先张梁张拉台座设计
• 2.2.4 试验梁施工工艺
• 2.2.5 试验梁施工
• 2.3 施工阶段性能试验量测方案
• 2.3.1 钢绞线应变量测及应力计算
• 2.3.2 跨中反拱及混凝土应变量测
• 2.4 施工阶段预应力损失分析
• 2.4.1 施工阶段各项预应力损失
• 2.4.2 预应力损失分析
• 2.5 施工阶段试验梁跨中截面荷载效应分析
• 2.5.1 试验梁预应力等效荷载
• 2.5.2 预应力建立后跨中截面变形
• 2.6 本章小结
• 3 预应力混凝土梁徐变试验研究
• 3.1 试验概况
• 3.1.1 加载及量测方案
• 3.1.2 试验环境
• 3.2 跨中截面徐变应变试验研究
• 3.2.1 跨中截面上边缘徐变应变和总应变
• 3.2.2 跨中截面不同高度处徐变应变
• 3.2.3 预应力混凝土梁徐变应变几何模型
• 3.3 长期荷载作用下预应力梁混凝土徐变与应力的关系研究
• 3.3.1 混凝土徐变应变与相对应力值的关系
• 3.3.2 长期荷载作用下预应力混凝土梁单位应力作用下的徐变特征
• 3.4 长期挠度试验研究
• 3.5 本章小结
• 4 折线先张法预应力混凝土梁徐变计算模式研究
• 4.1 混凝土徐变计算模式概述
• 4.1.1 混凝土徐变特性指标
• 4.1.2 徐变系数表达式的种类
• 4.1.3 当前常用的徐变系数计算模式
• 4.2 预应力混凝土梁的徐变特性指标
• 4.2.1 基本概念
• 4.2.2 徐变系数与长期挠度系数的数值差异
• 4.3 折线先张梁徐变系数计算模式研究
• 4.3.1 试验研究
• 4.3.2 徐变系数时程规律研究
• 4.3.3 "多系数法"徐变系数表达式
• 4.3.4 "多系数法"徐变系数表达式的精度分析
• 4.4 折线先张梁长期挠度系数的"单因素法"计算模式
• 4.4.1 试验研究
• 4.4.2 长期挠度系数时程规律
• 4.4.3 以"先天理论"为基础的"单因素法"长期挠度系数计算公式
• 4.5 本章小结
• 5 预应力度对预应力混凝土梁徐变系数与徐变挠度系数数值关系的影响研究
• 5.1 基本概念
• 5.1.1 预应力度
• 5.1.2 预应力度法
• 5.1.3 徐变曲率系数与徐变挠度系数
• 5.2 不同预应力度梁徐变系数与徐变挠度系数数值关系的解析法分析
• 5.2.1 全预应力梁徐变系数与徐变曲率系数间的数值关系
• 5.2.2 部分预应力梁徐变系数与徐变曲率系数数值关系
• 5.2.3 预应力梁徐变系数与徐变挠度系数数值关系
• 5.3 预应力度对预应力梁徐变系数与徐变挠度系数数值关系影响的有限元分析
• 5.3.1 有限元概述
• 5.3.2 ANSYS软件实现对混凝土徐变问题求解的思路
• 5.3.3 折线先张梁徐变挠度有限元分析
• 5.3.4 相同徐变系数不同预应力度梁徐变系数与徐变挠度系数数值关系
• 5.4 预应力梁徐变挠度系数与徐变系数比值k的确定
• 5.4.1 试验研究与基本假定
• 5.4.2 全预应力梁k值的确定
• 5.4.3 部分预应力梁比值系数k的确定
• 5.4.4 预应力混凝土梁徐变挠度系数的表达式
• 5.5 预应力梁徐变挠度系数与徐变系数比值k的影响因素数值分析
• 5.5.1 构件截面因素
• 5.5.2 荷载因素
• 5.5.3 k值对影响因素的敏感性分析
• 5.6 预应力混凝土梁徐变挠度计算模式研究
• 5.6.1 考虑预应力度和徐变系数共同影响的徐变挠度系数简化公式
• 5.6.2 预应力混凝土梁徐变挠度计算公式的建立
• 5.7 本章小结
• 6 折线先张法预应力混凝土梁长期挠度计算公式研究
• 6.1 混凝土梁长期挠度的构成及其计算方法
• 6.1.1 收缩挠度
• 6.1.2 徐变挠度
• 6.1.3 钢筋混凝土梁长期挠度的计算方法
• 6.1.4 长期挠度计算时存在的问题
• 6.2 折线先张梁"多因素法"长期挠度系数计算模式
• 6.2.1 长期挠度系数与徐变挠度系数数值关系研究
• 6.2.2 "多因素法"长期挠度系数计算模式
• 6.2.3 "单因素法"与"多因素法"两种长期挠度系数计算模式对比
• 6.2.4 不同计算模式下长期挠度系数与徐变系数数值关系对比
• 6.3 折线先张梁长期挠度计算公式的确立
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 尚待进一步解决的问题
• 创新点摘要
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果