预应力空心板桥非线性有限元静动力分析

论文摘要

预应力空心板桥是中小桥常用的一种形式,也是我国公路桥梁中应用最为广泛的桥型之一。预应力空心板具有自重轻、建筑高度小、施工方便、工艺简易等优点。但近年来,随着我国公路交通流量不断增加,运输车辆的吨位和轴荷均有较大增加,桥梁负荷日益加重,桥梁破坏的现象时有发生。研究桥梁结构的非线性特性和承载能力最理想的途径是进行实桥破坏性试验。破坏性试验可以真实地记录全桥的挠度变化、应力和应变变化、裂缝发展和破坏形式。本文以某16m跨径的预应力空心板桥的静载试验为基础,对预应力空心板桥的非线性静、动力性能进行了研究,主要工作如下:(1)静载试验主要分为三个阶段,汽车荷载试验、堆载破坏试验和汽车荷载对比试验。通过试验实时采集了汽车荷载试验和堆载破坏试验中每级荷载作用下桥梁的挠度值和应变值,观测了裂缝发展情况,初步分析了挠度、应变随荷载变化的规律。(2)采用大型通用有限元软件ANSYS建立非线性有限元模型,模拟了堆载破坏试验,其计算结果与实测结果吻合较好,能够比较准确的模拟桥梁受荷载后结构挠度和应力的变化,真实的反映荷载加载的全过程桥梁结构挠度和应力的变化规律,准确的反映了桥梁的非线性力学性能。研究了未考虑防护栏时桥梁在堆载作用下挠度的分布和变化规律。没有防护栏情况下桥梁的结构性能降低很大,防护栏对桥梁整体结构性能的作用不容忽视。(3)建立试验预应力空心板桥的单跨整体非线性有限元模型,计算了其四阶的模态和频率,并对其动力特性进行了分析,满足规范要求,桥梁整体动力性能较好;模拟桥梁在四种移动荷载工况作用下的动力响应,对各种工况下的动挠度和冲击系数进行分析,计算桥跨是偏安全的。本文采用非线性有限元方法研究了预应力空心板梁桥的非线性静、动力特性,为理论上深入研究预应力空心板桥的非线性特性和静动力特性提供了依据,也为新桥的设计和在役桥梁的检测评定和加固维修提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 预应力混凝土发展现状与趋势
• 1.2.1 预应力混凝土桥发展现状
• 1.2.2 预应力混凝土桥发展趋势
• 1.3 预应力空心板桥应用与研究现状
• 1.3.1 预应力空心板桥应用现状
• 1.3.2 预应力空心板桥梁研究现状
• 1.4 预应力空心板桥常见病害
• 1.4.1 桥面铺装病害
• 1.4.2 伸缩装置病害
• 1.4.3 上部承重构件病害
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 钢筋混凝土结构非线性有限元理论
• 2.1 有限单元法基本原理
• 2.1.1 有限单元法的基本思路
• 2.1.2 有限单元法的分析步骤
• 2.2 结构的材料非线性理论
• 2.2.1 材料非线性概述
• 2.2.2 屈服准则
• 2.2.3 流动准则
• 2.2.4 硬化准则
• 2.3 钢筋混凝土有限元法基本原理
• 2.3.1 钢筋混凝土结构有限元模型
• 2.3.2 混凝土的本构关系
• 2.3.3 混凝土的破坏准则
• 2.3.4 非线性方程组的求解
• 2.3.5 收敛准则
• 2.4 有限元软件ANSYS简介
• 2.5 本章小结
• 第三章 预应力空心板桥静载试验及初步分析
• 3.1 桥梁荷载试验的意义
• 3.2 桥梁结构概况
• 3.3 试验的准备工作
• 3.3.1 桥梁外观病害调查
• 3.3.2 混凝土强度检测
• 3.3.3 数据传输系统
• 3.3.4 测点及仪器的布置
• 3.4 现场荷载试验
• 3.4.1 汽车荷载试验及分析
• 3.4.2 堆载破坏试验及初步分析
• 3.4.3 汽车荷载试验对比分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 预应力空心板桥非线性有限元静力分析
• 4.1 概述
• 4.2 有限元计算模型的试验模拟
• 4.2.1 非线性单元的选取
• 4.2.2 钢筋和混凝土的本构关系
• 4.2.3 有限元模型
• 4.3 试验值与数值解比较
• 4.3.1 挠度比较
• 4.3.2 应力比较
• 4.4 防护栏对预应力空心板桥结构性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 移动荷载作用下预应力空心板桥动力响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 桥梁动载作用基本理论
• 5.2.1 动荷载特性
• 5.2.2 移动荷载作用下桥梁结构的运动方程
• 5.3 桥梁结构动力特性分析
• 5.3.1 桥梁模型建立
• 5.3.2 模态分析
• 5.3.3 频率分析
• 5.4 移动荷载作用下的动力响应非线性有限元模拟
• 5.4.1 移动荷载的加载方案
• 5.4.2 移动荷载作用下的动力响应分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢