预应力混凝土箱梁承载力与裂缝研究

预应力混凝土箱梁承载力与裂缝研究

论文摘要

钢筋混凝土/预应力混凝土箱梁易开裂,确定剩余承载力是维修、加固决策的依据。本文对箱梁的结构分析理论、线性与非线性行为、承载力、裂缝等进行了如下研究:1、基于Timoshenko二广义位移梁理论,将其位移解析解作为试函数,建立了无剪切闭锁深梁单元。基于Von-Karman大挠度理论和T.L列式,建立了深梁几何非线性有限元法。参照初等梁的Saafan、Brotton、Fleming理论,建立了深梁几何非线性分析的稳定函数法。2、利用有限条带思想和梁的位移模式,建立了由带旋转自由度的平面应力膜元和中厚板弯曲单元耦合而成的中厚平板壳单元,用此单元分析箱梁结构可考虑拉压、弯曲、剪切、剪力滞、扭转等,再加上闭口箱梁进一步划分子板单元,自动计入了畸变,受力模式比较全面。基于Von-Karman大挠度理论和T.L.列式,建立了中厚壳结构几何非线性分析方法,对多个实例进行了考证。3、基于三角形薄膜比拟法,建立了一种新的四参数(或五参数)混凝土强度准则,进行了参数标定,预测了混凝土三轴强度。基于弹塑性理论,根据Hinton模型、Chen-Chen模型、Ottosen模型、本文模型,推导了壳体单元弹塑性本构方程。为使弹塑性本构矩阵满足流动法则和强化准则,提出了标定因子的迭代算法和二分法算法相结合的方法,可精确确定标定因子,也能防止沿加载应力反方向确定标定因子的情况。提出了理想塑性模型残余应力计算校正的比例缩放公式。利用组合式混凝土单元模型,提出了壳体单元中钢筋的处理办法。基于上述理论,建立了混凝土板壳结构材料非线性分析方法。4、编制了计算程序PHDFEM,并用Visual Basic 6.0进行了简单的界面开发。对周世军箱梁试验模型、Duddeck板、Scordelis-Bresler梁、Jofriet-McNeice板进行了承载力与裂缝分析。对广东省韶关市五里亭大桥进行了三种工况从加载到极限承载力全过程分析,得出了一些重要结论。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 问题的提出
  • 1.2 箱梁结构研究现状
  • 1.2.1 结构受力分析
  • 1.2.2 材料非线性
  • 1.2.3 非线性有限元方程的算法
  • 1.3 本文综旨和研究思路
  • 第二章 Timoshenko深梁单元及几何非线性分析
  • 2.1 Timoshenko梁单元插值函数和线性刚度矩阵
  • 2.2 Timoshenko梁单元的一致质量矩阵
  • 2.3 Timoshenko梁单元几何非线性的非线性有限元法
  • 2.4 Timoshenko梁单元的Fleming稳定函数方法
  • 2.4.1 轴力为拉力时的单元刚度矩阵
  • 2.4.2 轴力为压力时的单元刚度矩阵
  • 2.4.3 N=0情况的处理
  • 2.5 Timoshenko梁单元的Saafan&Brotton稳定函数方法
  • 2.5.1 轴力为拉力时情形
  • 2.5.2 轴力为压力时情形
  • 2.5.3 特例分析
  • 2.5.4 坐标拖动与参数计算
  • 2.6 钢筋混凝土组合梁单元
  • 2.7 数值计算
  • 2.7.1 简支梁、固支梁和悬臂梁在均布荷载和集中荷载作用下的变形
  • 2.7.2 悬臂梁的自由振动
  • 2.7.3 平面刚构的稳定性分析
  • 2.7.4 三跨连续梁受集中荷载作用
  • 2.7.5 悬臂梁在自由端受集中荷载作用的几何非线性分析
  • 2.7.6 刚架几何非线性分析
  • 2.8 小结
  • 第三章 钢筋混凝土/预应力混凝土单箱多室箱梁线弹性分析
  • 3.1 箱梁的有限段位移模式
  • 3.1.1 左顶板段位移模式
  • 3.1.2 中腹板段位移模式
  • 3.1.3 斜腹板段位移模式
  • 3.2 剪力滞
  • 3.3 箱梁有限段平衡方程
  • 3.4 钢筋的作用
  • 3.4.1 钢筋单元的刚度和预应力等效
  • 3.4.2 钢筋在板段子单元中的坐标旋转
  • 3.5 数值算例
  • 3.5.1 悬臂梁自由端受集中荷载
  • 3.5.2 方板纯弯
  • 3.5.3 悬臂梁端部受剪切荷载
  • 3.5.4 矩形板单元受弯计算
  • 3.5.5 矩形板单元受弯计算(引入转角率自由度)
  • 3.5.6 板边界效应
  • 3.5.7 悬臂梁的弯曲
  • 3.5.8 等截面简支箱梁的剪力滞
  • 3.5.9 矩形箱梁扭转分析
  • 3.6 小结
  • 第四章 单箱多室箱梁的非线性分析
  • 4.1 混凝土开裂后的本构关系
  • 4.2 混凝土弹性理想塑性本构关系
  • 4.2.1 Ottosen准则的理解困惑
  • 4.2.2 薄膜比拟
  • 4.2.3 屈服准则的标定与特性
  • 4.2.4 弹塑性本构关系
  • 4.3 考虑强化的混凝土弹塑性本构关系
  • 4.3.1 Chen-Chen三参数模型
  • 4.3.2 Hinton双参数模型
  • 4.3.3 硬化准则
  • 4.4 钢筋的本构关系
  • 4.4.1 普通钢筋
  • 4.4.2 预应力钢筋
  • 4.5 满足流动法则和强化准则的弹塑性本构关系的数值算法
  • 4.5.1 标定因子的确定
  • 4.5.2 应力和塑性应变计算
  • 4.6 几何非线性分析
  • 4.6.1 板的大挠度位移模式和应变
  • 4.6.2 几何非线性有限元平衡方程的建立
  • 4.7 数值积分
  • 4.8 数值算例
  • 4.8.1 角点支承 Duddeck方板几何非线性分析
  • 4.8.2 箱梁几何非线性分析
  • 4.8.3 矩形板在均布荷载、中点集中荷载作用下的几何非线性分析
  • 4.9 小结
  • 第五章 混凝土板壳结构承载力分析程序设计与验证
  • 5.1 PHDFEM程序设计要点
  • 5.2 程序流程
  • 5.3 程序验证
  • 5.3.1 箱梁模型的试验与理论对比分析
  • 5.3.2 Duddeck板
  • 5.3.3 Scordelis-Bresler梁
  • 5.3.4 Jofriet-McNeice板
  • 5.4 小结
  • 第六章 韶关五里亭大桥承载力与裂缝分析
  • 6.1 设计荷载
  • 6.2 计算工况
  • 6.3 极限承载力安全系数
  • 6.4 成桥状态下的受力分析
  • 6.4.1 工况 A分析
  • 6.4.2 工况 B分析
  • 6.4.3 工况 C分析
  • 6.5 结论
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 本文的主要工作
  • 7.2 今后的工作及努力方向
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间完成的主要工作
  • 一、研究项目
  • 二、横向课题
  • 三、论文
  • 四、著作
  • 相关论文文献

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