U型桥台数值分析与开裂机理研究

摘要

近年来,随着中国基础设施建设的加快,特别是交通基础设施建设迅速,在全国兴起了建设高等级公路的高潮.由于高等级公路对路基宽度、路面标高要求较普通低等级公路高,出现了大量高大重力式桥台(又称U型桥台).西部地区因受到地质、地形的限制,高大重力式桥台已成为连接路堤和桥梁最常用的结构.该文中提到的高大重力式桥台,是指其宽度、高度都远远大于常规桥台的尺寸.然而,在实际使用和施工过程中,常常出现U型桥台开裂的现象.调查表明,随着高度和宽度的不断增大,U型桥台呈现出一定规律性的病害,如在前墙与侧墙隅角处开裂,或在前墙中部开裂,而且桥台开裂大多出现在桥台台内填土施工过程中,裂缝发展迅速,严重影响桥梁的施工进度和日后安全使用.既然桥台开裂大多集中在台内填料施工过程中,说明台内填料对桥台本身产生了土压力作用.目前国内颁布的规范中,仅规定台内填料作为桥台自重的一部分,用于计算桥台整体稳定性和地基承载力,而没有规定应验算填料对桥台的受力.为此,该文在广泛收集、整理国内外高大桥台破坏问题相关研究的基础上,提出了在设计、施工U型桥台时,应计入台内填料土压力对桥台的影响,推导了台后土体破裂面受到侧墙限制的土压力计算公式,开展了不同高度和宽度的U型桥台加固前后的有限元数值计算和比较.在此基础上,较为系统而全面地分析了桥台变形及破坏的机理,提出了相应的设计改进方法和加固措施,为今后桥规修订提供了理论依据.论文完成的主要研究工作有:1)在广泛收集国内外高大桥台破坏问题的相关资料基础上,分析了U型桥台的研究现状及实际工程中存在的问题.2)依据库仑土压力理论,推导了台后土体破裂面受限时,侧墙土压力计算公式,并给出了相应的适用条件.3)针对不同的桥台宽度和高度,运用大型有限元程序MSCNASTRAN进行大量数值计算,分析了桥台高度及宽度的变化对桥台受力的影响.4)提出倒角法、拉筋法等改进加固方法,并采用MSCNASTRAN程序对现有桥台结构及改进加固后的桥台位移、应力的分布变化规律对比分析,从而得出相应的变形破坏规律,并检验了改进加固效果.5)提出了U型桥台的设计与施工方面的建议,为今后的设计、施工提供理论依据,也为今后规范的修订提供参考.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1任务来源

1.2重力式桥台的现状与发展

1.3目前U型桥台存在的问题

1.3.1 U型桥台开裂的现象

1.3.2桥台开裂的原因分析

1.3.3现行规范的局限性

1.3.4常用加固方法及效果评价

1.4本文的主要研究内容

第二章U型桥台的构造及计算

2.1 U型桥台的构造

2.1.1基础

2.1.2台身

2.1.3台帽

2.1.4梁、拱桥重力式桥台比较

2.1.5U型桥台尺寸的拟定

2.2 U型桥台的主要计算方法

2.2.1 U型桥台的计算特点及方法

2.2.2土压力的平面计算理论

2.3桥台计算中存在的主要问题

2.4本章小结

第三章U型桥台开裂机理的有限元分析

3.1有限元建模的基本思路

3.1.1线性问题有限元基本方程

3.1.2空间四面体单元的建立

3.2 MSC.Nastran简介

3.3 U型桥台计算模型的建立

3.3.1模型建立的原则

3.3.2模型的建立

3.4不同宽度U台计算结果分析

3.4.1不同宽度U台的计算图式

3.4.2不同宽度U台的计算结果分析

3.5不同高度U台的计算结果分析

3.5.1不同高度U台的计算图式

3.5.2不同高度U台的计算结果分析

3.6本章小结

第四章U型桥台开裂加固治理与数值分析

4.1加固治理措施

4.2 U型桥台加固模型的建立

4.2.1隅角处加设倒角法

4.2.2侧培拉筋(预应力钢绞线)对拉加固法

4.2.3钢筋混凝土拉梁加固法

4.3数值计算结果分析

4.3.1桥台隅角处倒角后的结果分析

4.3.2预应力钢绞线拉筋对拉两侧墙的加固计算

4.3.3钢筋混凝土拉梁加固比较

4.4对设计与施工的建议

4.4.1设计方面

4.4.2施工方面

4.5本章小结

第五章实桥验证

5.1实例

5.1.1桥一概况

5.1.2桥二概况

5.2模型建立

5.2.1基本模型

5.2.2土压力计算

5.2.3加固措施

5.3计算分析与结果对比

5.3.1实桥一(杨柳大桥)

5.3.2实桥二

第六章结论

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

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