简支连续预应力混凝土多箱式桥梁全过程受力性能研究

论文摘要

目前简支连续预应力混凝土多箱式桥梁的应用日趋广泛,随着科技的进步及吊装能力的提高,跨径范围的增大以及在中小跨径领域内设计标准化的趋势十分明显。但目前国内外对先简支后连续多箱式桥梁的试验和全过程的理论分析研究相对滞后,严重阻碍了该结构体系的健康发展。本文根据2005浙江省交通厅科技计划项目《预应力混凝土多箱式桥梁受力性能的分析及试验研究》下达的课题,进行了详细的试验研究和理论分析。主要结论:1)针对简支连续预应力混凝土箱梁桥,利用有机玻璃制作模型进行试验研究,验证实体退化的虚拟层合单元分析理论和程序的正确性和合理性。2)研究讨论以虚拟层合单元计算预应力空间效应的方法,并以一座典型的5跨连续多箱式箱梁桥为背景,对其从施工到成桥阶段进行全程的受力分析。详细分析不同阶段下,单体小箱梁的空间受力特性和多个小箱梁横向连接后的整体力学性能的变化,结果表明多箱式箱梁桥结构的边梁在单体状态下由于结构的扭转体现出明显的空间效应、但是结构的纵向连续和横向联接对这种效应有一定的抑制;除自由扭转外,小箱梁内部的剪力滞后等空间效应并不明显。3)针对简支变连续结构体系的后连续端部的浇筑顺序、后连续预应力的张拉顺序及临时支座拆除顺序等施工工艺存在的分歧,利用所提出的虚拟层合单元建模分析研究了各片小箱梁关键点的应力、挠度随不同施工工序的变化规律,提出了合理的最优施工工序。4)在已有三维实体退化虚拟层合单元的基础上,通过引入ottenson四参数破坏准则的非均匀强化弹塑性本构关系模型,扩展了程序的材料库。同时结合虚拟层合单元的建模特点,研究发展了单元中的生死块技术,进一步扩展了程序的功能及使用范围。以某高速公路上一座标准设计的5跨连续小箱梁桥为背景,对其进行了多工况的极限承载力分析,考察不同的桥梁连续跨数带来的结构极限承载能力的变化,探讨了随着荷载的逐渐增大,小箱梁桥的结构受力性能、荷载在各梁间分配比例的变化规律,研究了预应力混凝土箱梁桥结构在计入塑性后的内力重分布的规律,并考察了跨中横隔梁对结构非线性受力性能的影响。此外分析研究了板厚、预应力度、预应力筋和普通钢筋配筋率等设计参数对小箱梁桥承载能力的影响。根据分析获得的破坏荷载、破坏特征、荷载位移曲线以及桥梁安全系数等,为小箱梁桥的进一步优化设计提供理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的选题背景
• 1.1.1 简支连续多箱式桥梁历史与现状
• 1.1.2 发展趋势及存在的问题
• 1.1.3 研究课题的选择及意义
• 1.2 梁结构的全过程受力及极限承载能力分析研究的现状
• 1.2.1 桥梁结构全过程受力分析的内涵
• 1.2.2 结构分析的有限单元法
• 1.2.3 桥梁结构试验
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 多箱式小箱梁桥的模型试验研究与分析
• 2.1 试验方案设计
• 2.1.1 模型设计制作
• 2.1.2 测试方法
• 2.1.3 测试截面和测点布置
• 2.1.4 试验内容与加载方案
• 2.2 实体退化的虚拟层合单元理论和模型
• 2.2.1 实体退化的虚拟层合单元理论
• 2.2.2 实体退化单元系列
• 2.2.3 实体退化单元系列的扩展
• 2.2.4 理论计算模型
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 材性试验结果
• 2.3.2 试验结果与理论值的比较
• 2.3.3 试验结果的分析比较与误差分析
• 2.4 本小结
• 3 简支连续多箱式小箱梁桥施工过程仿真分析
• 3.1 空间预应力分析方法研究
• 3.1.1 预应力束的定位和预应力的等效
• 3.1.2 算例
• 3.2 典型先简支后连续分布式箱梁桥施工过程仿真分析
• 3.2.1工程背景及计算模型
• 3.2.2 先简支后连续分布式箱梁桥施工工序
• 3.2.3 简支架设阶段单梁受力性能分析
• 3.2.4 后连续端混凝土浇筑与预应力张拉仿真分析
• 3.2.5 临时支座拆除过程结构仿真分析
• 3.2.6 各梁横向联系安装过程仿真分析
• 3.2.7 二期恒载（桥面铺装、栏杆等）施工过程仿真分析
• 3.3 本小结
• 4 简支连续分布式箱梁桥合理施工工序研究
• 4.1 端部浇注及后连续预应力筋的张拉顺序探讨
• 4.1.1 一次浇筑、依次张拉
• 4.1.2 一次浇筑、隔端张拉
• 4.1.3 一次浇筑、对称张拉
• 4.1.4 隔段浇筑、隔段张拉
• 4.1.5 对称浇筑、对称张拉
• 4.1.6 工序1、2、3临时支座反力比较分析
• 4.2 临时支座的拆除顺序优化探讨
• 4.2.1 逐跨拆除
• 4.2.2 隔跨拆除
• 4.2.3 对称拆除
• 4.3 本小结
• 5 小箱梁桥极限承载能力分析理论与计算研究
• 5.1 几何非线性的考虑
• 5.2 材料非线性的具体考虑
• 5.2.1 钢筋的应力应变关系
• 5.2.2 混凝土的弹塑性本构关系
• 5.2.3 开裂后混凝土刚度矩阵的修正
• 5.3 虚拟层合单元分析中的一些关键问题
• 5.3.1 虚拟节点的处理
• 5.3.2 分阶段张拉钢筋的处理—单元中的生死块
• 5.3.3 成桥内力的计算
• 5.4 算例
• 5.5 单体小箱梁极限承载力分析
• 5.5.1 分析内容和计算参数的选取
• 5.5.2 简支状态下小箱梁的极限承载能力
• 5.5.3 连续状态下小箱梁桥的极限承载能力
• 5.5.4 小结
• 5.6 全桥承载能力分析
• 5.6.1 分析工况设置
• 5.6.2 计算结果
• 5.6.3 计算结果的比较分析
• 5.7 横隔梁对结构极限承载能力的影响
• 5.7.1 分析工况的设置
• 5.7.2 计算结果
• 5.7.3 计算结果分析
• 5.7.4 荷载横向分布的探讨
• 5.8 本小结
• 6 小箱梁桥极限承裁力参数分析
• 6.1 初始张拉控制应力对主梁结构承载能力的影响
• 6.2 预应力筋数量对结构承载能力的影响
• 6.3 箍筋配筋率对结构承载能力的影响
• 6.4 底板普通钢筋对结构承载能力的影响
• 6.5 腹板厚度对结构承载能力的影响
• 6.6 顶板厚度对结构承载能力的影响
• 6.7 底板厚度对结构承载能力的影响
• 6.8 本小结
• 7 结论、创新点与展望
• 7.1 本文主要结论及创新点
• 7.1.1 主要结论
• 7.1.2 创新点
• 7.2 值得进一步研究的问题
• 参考文献
• 作者简历