PC弯曲孔道内接触应力、预应力摩阻损失及张拉伸长量研究

论文摘要

预应力技术以其优异的性能在桥梁工程领域得到了日益广泛的应用。在弯曲孔道,预应力钢束与混凝土之间的接触有两个值得深入探讨的问题：一方面,由于张拉力的径向分量将钢束压向混凝土,需要正确分析接触区域的压力分布规律,以校核混凝土的局部应力；另一方面,接触压力引起较大的孔道摩阻力,需要准确计算钢束预应力损失及伸长量。目前,对于弯曲孔道钢束与混凝土的接触问题,国内外鲜有专项的理论和实验研究,其规律并未被充分认识,甚至还存在某些误解。本文在弹性接触理论分析的基础上,设计并完成了结合比拟法思路的CT模型实验,利用ANSYS有限元软件计算得到了弯曲孔道钢束与混凝土接触应力的分布规律,并深入探讨了弯曲孔道的预应力摩阻损失规律,对长弯预应力束及大吨位小半径U型预应力束的伸长量问题提出了解释。论文研究工作的主要内容和成果如下：(1)总结了弯曲孔道预应力钢束与孔壁混凝土接触问题的特点,提出将其简化为两个平面接触问题：对孔道横截面内的接触,提出了基于垫层假设的赫兹接触应力计算方法；对孔道中心线所在平面的接触,采用弹性半空间线荷载理论证伪了法向压力均布假设,提出了可能的三种非均布假设并分别推导了压力分布函数。(2)设计并成功实施了对弯曲孔道接触的模拟实验,运用CT技术及ANSYS软件计算得到了所需的接触区应力值,分析讨论了转角、曲率半径、索拉力、摩擦等因素与法向应力分布的关系。通过应力数据的拟合,证实在孔道弯曲角度较小的情况下,法向接触压力接近余弦函数分布。基于以上成果,对体外预应力束转向结构进行了局部应力分析。(3)分析指出了现行桥规的纯弯曲孔道预应力摩擦损失公式存在的缺陷,推导了三种非均匀分布与均匀分布下的摩擦力计算式,通过比较证明：规范对弯曲接触摩擦估计偏大；当孔道转角较小时,桥规预应力摩擦损失公式近似适用。基于现代固体摩擦的基础理论指出库仑摩擦定律有其适应范围,通过实桥弯曲孔道的沿程预应力试验分析,对曲线段预应力损失及摩擦系数的变化规律进行了分析。并提出因孔道质量过低引起的阻力是引起孔道摩阻力的第三因素,建议规范予以单独考虑。(4)针对小半径U形预应力束实测伸长量超标的问题,分析提出了三种因素：钢绞线受力不均；孔壁径向位移；实际摩擦力小于理论计算值。结合实例计算了三种因素造成的额外伸长,对三种因素进行了影响程度分析,并提出了相关的控制措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 概述
• 1.1 前言
• 1.2 弯曲孔道钢束-混凝土接触压力和研究现状
• 1.3 弯曲孔道钢束预应力损失和研究现状
• 1.4 本论文研究的目的和意义
• 1.5 本论文主要的研究内容
• 第2章 弯曲孔道接触问题的理论探讨
• 2.1 经典接触力学的相关基础理论
• 2.1.1 参考坐标系
• 2.1.2 弹性半空间线荷载理论
• 2.1.3 弹性固体法向接触——赫兹理论
• 2.2 弯曲孔道接触问题的特点
• 2.3 孔道横截面的接触
• 2.3.1 赫兹接触应力分析
• 2.3.2 基于垫层假设的赫兹接触应力分析
• 2.4 孔道中心线所在平面的接触
• 2.4.1 无摩擦均布力假设下的弹性半空间分析
• 2.4.2 无摩擦非均布力假设下的分布函数推导
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于CT技术的模型实验分析
• 3.1 模型实验方法的选择
• 3.2 运用CT技术的模型实验设计
• 3.2.1 实验材料选取
• 3.2.2 实验模型制作
• 3.2.3 实验用CT设备的选择
• 3.2.4 接触荷载的施加
• 3.2.5 实验工况的设计
• 3.3 影像界面分析
• 3.3.1 CT层析影像
• 3.3.2 模型界面对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 弯曲孔道接触应力的有限元分析
• 4.1 前言
• 4.2 对CT实验的ANSYS有限元分析
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 位移施加
• 4.2.3 有限元计算结果的处理
• 4.3 接触应力分析
• 4.3.1 转角对压力分布的影响
• 4.3.2 索拉力与曲率半径对压力分布的影响
• 4.3.3 摩擦对压力分布的影响
• 4.3.4 第二类接触实验
• 4.4 压力分布函数曲线拟合
• 4.5 体外预应力束转向结构的局部应力分析
• 4.5.1 体外预应力在桥梁结构的应用
• 4.5.2 体外预应力束转向结构
• 4.5.3 矮塔斜拉桥鞍座的有限元分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 长弯孔道预应力摩阻损失研究
• 5.1 前言
• 5.2 影响预应力孔道摩阻损失的第三部分因素
• 5.2.1 规范对预应力孔道摩阻损失的规定
• 5.2.2 孔道偏差系数的实质涵义
• 5.2.3 被忽视的第三部分影响因素
• 5.3 规范中弯曲孔道摩擦引起的预应力损失计算方法的缺陷
• 5.3.1 纯弯曲孔道预应力摩阻损失公式
• 5.3.2 应用中存在的矛盾
• 5.3.3 矛盾的原因分析
• 5.4 压力分布对对预应力摩阻损失的影响分析
• 5.4.1 公式计算
• 5.4.2 数据分析
• 5.5 摩擦系数对预应力摩阻损失的影响分析
• 5.5.1 摩擦学相关理论
• 5.5.2 实桥摩擦试验研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 斜拉桥索塔U型预应力束张拉伸长量研究
• 6.1 前言
• 6.2 钢绞线束的张拉过程分析
• 6.2.1 钢绞线束的四种状态
• 6.2.2 张拉过程的三个阶段
• 6.3 张拉伸长量分析
• 6.3.1 钢绞线受力不均引起的额外伸长
• 6.3.2 孔壁径向位移引起的额外伸长
• 6.3.3 实际摩擦力小于理论计算值引起的额外伸长
• 6.4 影响程度及对策分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文研究工作的成果与创新点
• 7.1.1 论文研究工作的成果
• 7.1.2 论文研究工作的创新点
• 7.2 论文研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及出版的专著