论文摘要
在桥梁结构向大跨、重载、轻质、高强、耐久方向发展的今天,高性能混凝土已日益成为混凝土桥梁的首选材料。高性能粉煤灰混凝土是可选方案之一。我国相关规范的规定,粉煤灰在预应力梁尤其是铁路预应力桥梁中的应用受到限制,阻碍了这一产品的应用。本文在高性能粉煤灰混凝土材料特性研究的基础上,对不同掺量高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁的受力性能进行了试验和理论研究,以期对这一限制有所突破。论文的主要工作如下:(1)通过对不同掺量高性能粉煤灰混凝土模型梁进行200万次正常使用状态疲劳试验研究,探讨C50至C80预应力混凝土梁在疲劳荷载作用下的工作性质。试验结果表明,高性能粉煤灰混凝土预应力梁疲劳性能稳定,疲劳试验梁体未开裂,各梁在疲劳荷载作用下累积残余应变较小,各梁变形、应力与荷载呈良好线性关系,处于弹性阶段;试验证明以20%～40%的高性能粉煤灰等量取代水泥配制的高性能混凝土预应力梁疲劳性能满足规范要求。因此,在铁路建设中,高性能粉煤灰混凝土对铁路预应力混凝土梁的疲劳性能是有保证的。(2)通过对9组18根高性能粉煤灰混凝土模型梁累积残余应变的测量,给出了高性能粉煤灰混凝土梁在疲劳荷载作用下的累积残余应变回归曲线。在此基础上,基于分段线性的原理,对高性能粉煤灰预应力混凝土受弯构件进行了疲劳损伤的全过程非线性分析。理论分析与试验结果比较表明,该方法能够较好地描述出疲劳损伤的全过程,并能给出更符合实际情况的疲劳寿命。(3)通过对不同掺量高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁模型为期一年的收缩徐变特性试验研究,由试验结果可知粉煤灰掺量20%~40%高性能混凝土梁在长期荷载作用下徐变早期发展较快,随着龄期的增长,混凝土的后期强度逐渐增长,徐变的增长趋于缓和。基于300多天的实测结果回归分析,其徐变系数终值为1.68~1.72之间,比不掺粉煤灰的高性能梁徐变系数终值2.17要低得多,说明粉煤灰掺量20%~40%的梁可以减小梁的徐变值。(4)以8根高性能粉煤灰混凝土预应力模型梁的收缩、徐变试验为基础,提出了从混凝土桥梁短期试验值推算相应混凝土桥梁在该桥梁工作环境下收缩应变及徐变系数的方法;结合桥梁规范JTG D62—2004收缩模型与徐变模型思想,得出计算混凝土桥梁收缩应变及徐变系数的桥梁规范JTG D62—2004修正公式。理论分析与试验结果比较表明,预测理论值给出了较好的精度。该预测方法,不需做材料的收缩、徐变试验,也避免从标准环境下试验值推算桥梁工作环境下收缩、徐变可能产生的误差。(5)通过对不同掺量高性能粉煤灰预应力模型梁的破坏试验研究,试验结果表明:掺高性能粉煤灰混凝土模型梁可以满足铁路桥梁极限承载力的要求;利用规范公式对模型梁的裂缝宽度进行了计算,并与试验值进行了比较,两者符合较好。说明可以利用现行规范计算高性能粉煤灰梁的裂缝宽度。(6)从高性能粉煤灰预应力模型梁的破坏试验中发现,随着荷载的增大,模型梁的基频呈下降趋势,最大裂缝宽度逐渐增大,但从模型梁初始加载到其接近破坏,基频的降低幅度为2%—6%之间,说明结构刚度变化不大;而其接近破坏时最大裂缝宽度值为其初始量测的最大裂缝宽度值的9.5——19倍左右,结构刚度显著降低,给人以明显的破坏预兆。这也说明仅利用量测基频来判断预应力混凝土桥梁的破坏程度是不可行的。(7)基于平面非线性梁单元理论建立了高性能粉煤灰预应力混凝土梁的有限元理论分析模型,该模型考虑了梁单元的材料和几何非线性,同时在模型中把无粘结预应力筋的效应转化为梁单元的等效节点荷载,并编制了相应程序,模型梁有限元计算结果和实测值比较表明:该程序是正确的和该模型可较好地预测预应力梁从开始加载直到失效的非线性全过程结构响应。(8)在高性能粉煤灰混凝土材料性能和模型梁试验的基础上,浇注了6片高性能粉煤灰掺量25%的C50混凝土实梁,架设于洛—湛铁路西阳河特大桥,通车运营至今梁体外观质量好,未发现梁体表面有裂纹,徐变上拱较普通混凝土梁小,工作性能稳定。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 引言1.2 预应力混凝土受弯构件疲劳性能的研究现状1.2.1 国内外预应力混凝土受弯构件疲劳性能综述1.2.2 预应力混凝土受弯构件的疲劳分析方法1.2.2.1 疲劳承载能力的验算方法1.2.2.2 疲劳使用状态下挠度及裂缝的计算方法1.3 高性能粉煤灰混凝土徐变性能的研究现状1.3.1 高性能粉煤灰混凝土徐变性能研究现状1.3.2 高性能粉煤灰混凝土徐变系数计算模式1.4 高性能粉煤灰混凝土在国内外桥梁中的应用1.5 本文的主要研究内容第二章 高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁试验研究概况2.1 试验概况2.1.1.模型试验的内容2.1.2 模型梁制作、测试方法及实验荷载2.1.3 加载制度及测试内容2.1.3.1 收缩徐变试验2.1.3.2 等幅疲劳试验2.1.3.3 模型梁基频测试2.1.3.4 破坏试验2.2 试验所用材料2.2.1 混凝土2.2.1.1 原材料及试验方法2.2.1.2 材料物理力学性能2.2.2 钢筋2.3 本章小结第三章 高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁疲劳性能试验和理论研究3.1 概述3.2 试验概况3.3 疲劳试验结果分析3.3.1 位移结果分析3.3.1.1 实测挠度与刚度的变化3.3.1.2 粉煤灰掺量对梁体变形的影响3.3.1.3 水泥标号对粉煤灰混凝土梁体变形的影响3.3.1.4 养护条件对粉煤灰混凝土梁体变形的影响3.3.1.5 各梁在活载作用下的位移3.3.2 梁体应变结果分析3.3.2.1 跨中梁顶受压混凝土荷载—应变曲线3.3.2.2 梁受压区混凝土累积残余应变3.3.2.3 粉煤灰掺量对梁体应变的影响3.3.2.4 水泥标号对粉煤灰混凝土梁体应变的影响3.3.2.5 养护条件对粉煤灰混凝土梁的影响3.3.3 非预应力纵向受拉钢筋应变结果分析3.4 梁体基频3.5 高性能粉煤灰混凝土梁疲劳损伤计算方法的研究3.5.1 引言3.5.2 材料的疲劳损伤参数3.5.2.1 在等幅疲劳荷载作用下的混凝土疲劳损伤参数3.5.2.2 钢筋的疲劳损伤参数3.5.3 材料的疲劳破坏准则3.5.3.1 混凝土的疲劳破坏准则3.5.3.2 钢筋的疲劳破坏准则3.5.4 无粘结预应力混凝土构件疲劳损伤非线性分析3.5.4.1 无粘结预应力梁正截面疲劳损伤过程分析的基本假定3.5.4.2 无粘结预应力梁正截面应力分析3.5.5 无粘结预应力正截面疲劳过程分析3.5.6 试验验证3.6 本章小结第四章 高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁收缩与徐变变形试验研究4.1 概述4.2 试验概况4.3 试验结果及分析4.3.1 瞬时变形4.3.2 收缩变形4.3.3 徐变变形4.4 从预应力桥梁收缩徐变短期试验结果预测该类桥梁收缩徐变的长期效应4.4.1 引言4.4.2 桥梁收缩徐变理论分析4.4.2.1 预应力桥梁混凝土收缩应变计算模式4.4.2.2 预应力桥梁混凝土徐变系数的计算模式4.4.3 桥梁徐变长期效应预测4.4.4 试验结果与计算理论值的比较4.5 本章小结第五章 高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁破坏试验和裂缝宽度研究5.1 概述5.2 试验概况5.3 试验过程及现象5.4 试验结果分析5.4.1 在循环荷载作用下的荷载—挠度曲线5.4.2 在循环荷载作用下的模型梁的残余挠度5.4.3 不同掺量高性能粉煤灰混凝土梁荷载—挠度曲线5.4.4 高性能粉煤灰梁在破坏荷载作用下裂缝宽度和基频变化规律曲线5.5 高性能粉煤灰预应力铁路桥梁在使用荷载作用下裂缝宽度计算5.5.1 引言5.5.2 裂缝宽度计算模式5.5.3 无粘结预应力筋应力增量计算5.5.4 有粘结纵向受拉钢筋的应力5.5.5 裂缝宽度计算5.5.6 裂缝宽度计算值和试验结果的比较5.6 本章小结第六章 高性能粉煤灰混凝土铁路桥梁非线性有限元分析6.1 引言6.2 材料的本构关系6.2.1 受压区混凝土的应力—应变关系6.2.2 受拉区混凝土的应力—应变关系6.2.3 预应力筋的应力—应变关系6.2.4 非预应力筋的应力—应变关系6.3 非线性有限元模型建立6.3.1 梁单元的位移模式6.3.2 按条带法推导梁截面的本构矩阵6.3.3 单元切线刚度方程6.3.4 无粘结预应力筋的考虑方法6.4 非线性方程组的求解方法及收敛准则6.4.1 非线性方程组的求解方法6.4.2 收敛准则6.5 程序编制及主要流程6.6 实验验证6.7 本章小结第七章 高性能粉煤灰高性能混凝土在铁路预应力桥梁中的应用7.1 引言7.2 超细粉煤灰高性能混凝土配合比7.2.1 试验用原材料7.2.2 混凝土配合比7.2.3 混凝土的养护7.3 实梁静载试验7.3.1 混凝土立方体抗压强度和弹性模量7.3.2 跨中挠度7.3.3 跨中截面应变7.4 实桥观测7.5 本章小结第八章 结论与展望8.1 主要结论8.2 展望参考文献致谢攻读博士学位期间的主要研究成果
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