钢管混凝土结构外包加固承载力实验及分析研究

论文摘要

近年来,钢管混凝土结构在我国蓬勃发展,尤其是钢管混凝土拱桥。钢管混凝土拱桥在不断跨越跨径极限的同时,相关方面的研究特别是对其加固方面更是少之甚少。钢管混凝土结构的加固研究对今后钢管混凝土拱桥建设和维护都会提供强有力的理论技术支持。钢管混凝土结构的承载力问题是关系其安全与经济性的主要因素。如何提高钢管混凝土结构的承载力成为了工程界十分关注的问题。目前,对于钢管混凝土的极限承载力计算一般依赖于实验研究和数值分析,借助于大型的基本能解决其弹性范围内的稳定问题,但由于材料本身的物理性质,承载力的影响参数和桥梁本身的初始缺陷等因素影响的复杂和多样性,一般很难准确地计算评价钢管混凝土拱桥的极限承载力状态。特别是在其同时受到非线性、初应力、初始缺陷等影响因素耦合作用下,不确定因素多,计算分析复杂,往往计算预测桥梁结构承载力能力降低,一定程度上使计算失去了指导意义,给钢管混凝土拱桥结构的建设和使用带来了隐患。因此,迫切需要开展对钢管混凝土结构以及加固等问题的相关研究。本文在已有研究的基础上,开展钢管混凝土加固以及承载力分析的研究。通过ANSYS有限元二次开发的ADPL语言编程,合理利用ANSYS软件的非线性、多单元、多参数选择以及强大的后处理多参数功能,钢管混凝土结构的一个单元——钢管混凝土短柱进行研究。本文具体研究得出的主要成果如下:①总结了钢管混凝土结构的发展以及关于钢管混凝土结构承载力的研究状况,重点阐述了钢管混凝土材料的非线性理论,钢管初应力理论、初始缺陷理论以及其本构关系;同时介绍了ANSYS软件大型有限元软件分析原理和方法,为ANSYS软件计算分析奠定了基础。②通过实验研究外套钢管混凝土对原有钢管混凝土结构的加固作用,并在已有研究的基础上,定义钢管混凝土结构轴心受压承载力公式,并且推导钢管混凝土外套钢管混凝土的加固后的承载力计算公式。③本文分析了一种情况三个试件的极限承载力分析,用ANSYS对其内部钢管的强度,混凝土的等级,以及含钢率来控制其承载力,得出了内外钢管的尺寸效应越大,承载力越高。在弹性阶段,混凝土强度越高,含钢率越高,承载力越低,在弹塑性以及塑性阶段含钢率越高,承载力越高。④通过实例分析验证其加固效果,得出加固后承载力明显提高,但是实际中采用怎么样的外径、壁厚以及灌注混凝土的级别要根据实际情况进行合理的选择。本文建议内外钢管径跨比为1.5~2.5为最佳,含钢率最佳为8%~20%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构的特点和实际工程中的应用
• 1.1.1 钢管混凝土结构的类型
• 1.1.2 钢管混凝土结构的特点
• 1.1.3 钢管混凝土结构的工程应用
• 1.2 钢管混凝土拱桥的应用及目前还存在的问题
• 1.2.1 钢管混凝土拱桥的应用
• 1.2.2 钢管混凝土拱桥建设存在的问题
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 钢管混凝土拱桥病害处理
• 2.1 钢管混凝土拱桥病害的调研
• 2.1.1 钢管混凝土拱肋
• 2.1.2 吊杆部分
• 2.1.3 系杆部分
• 2.1.4 拱座部分
• 2.1.5 桥道系统
• 2.2 拱桥的病害成因分析
• 2.3 拱桥常用的加固方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 钢管混凝土拱桥承载能力分析理论
• 3.1 钢管混凝土拱桥极限承载力
• 3.1.1 承载能力的定义及其类型
• 3.1.2 钢管混凝土构件极限承载能力的分析
• 3.2 钢管混凝土短柱的极限承载力
• 3.2.1 钢管混凝土材料的承载力分析
• 3.2.2 钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式
• 3.3 钢管混凝土拱桥材料的非线性理论
• 3.3.1 钢管混凝土拱桥材料的本构关系
• 3.3.2 钢管混凝土拱桥组合材料的泊松比
• 3.3.3 钢管混凝土拱桥组合材料的弹性模量
• 3.3.4 钢管混凝土构件初应力
• 3.4 本章小结
• 第四章 双钢管混凝土构件承载力分析
• 4.1 双钢管钢管混凝土短柱的极限承载力公式
• 4.1.1 双钢管混凝土结构的承载公式推导
• 4.1.2 内钢管承压状态下双钢管混凝土结构的承载公式推导
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 常用单元简介
• 4.2.2 混凝土材料的模拟
• 4.2.3 钢管的模拟
• 4.2.4 基本假定及建模
• 4.3 钢管混凝土短柱有限元极限承载力分析
• 4.3.1 建模
• 4.3.2 单钢管混凝土结构承载力影响因素
• 4.3.3 双钢管混凝土结构承载力影响因素
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢管混凝土构件外包加固实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 钢管混凝土构件轴心受压短柱实验
• 5.2.1 实验目的
• 5.2.2 试件的加工与制作
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 试验的全过程描述
• 5.3.2 试验的结果及分析
• 5.3.3 试验的数据描述
• 5.4 试验影响因素
• 5.4.1 内钢管预加力影响
• 5.4.2 外钢管对称开孔影响
• 5.4.3 试件加载方式影响
• 5.4.4 实验器材的误差影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 钢管混凝土拱桥加固技术
• 6.1 施工方法简述
• 6.2 扣索力计算方法
• 6.3 加固中的注意事项
• 6.3.1 外套钢管的选取
• 6.3.2 混凝土的灌注方法
• 6.3.3 焊接要求
• 6.3.4 关键部位的处理
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表论著及参与科研情况