大跨度预应力混凝土斜拉桥长期荷载作用下时变效应分析

摘要

预应力混凝土斜拉桥以其良好的结构性能和优美的造型景观在现代大跨桥梁结构中得到广泛应用，但迄今所修建的预应力混凝土斜拉桥中，运营阶段主箱梁梁体开裂及斜拉索锈蚀现象较为普遍，导致主梁挠度和拉索索力等状态参数随服役时间发生较大变迁。本文以预应力混凝土斜拉桥运营期间出现的病害为背景，展开了大跨度预应力混凝土斜拉桥长期荷载作用下时变效应研究。 针对钢筋混凝土桥梁结构存在的开裂问题，选取了混凝土材料在复杂应力状态下的三参数破坏准则，给出了含有任意个裂缝带混凝土三向应力下的本构关系，本构模型中考虑了钢筋和混凝土之间粘结滑移关系和销栓作用。 提出了适用于预应力混凝土斜拉桥主箱梁分析的薄壁箱梁空间计算的组合式加筋混凝土板梁有限元法。将围成闭口截面钢筋混凝土薄壁箱梁的每个板件视为板梁子单元，在板梁子单元分析中，引入组合式加筋混凝土有限元模式，计入钢筋和混凝土两种材料对单元刚度矩阵的贡献，考虑钢筋和混凝土两种材料在单元边界上变形协调及箱梁截面位移参数与其板梁子单元位移参数的关系，在变分原理基础上，建立钢筋混凝土薄壁箱梁空间计算的组合式加筋混凝土板梁有限元模式。该模式的特点是，在单元应力分析中，能模拟混凝土开裂引起的单元内钢筋与混凝土变形不协调产生的拉伸硬化和销栓作用，可反映钢筋混凝土薄壁箱梁基本变形特点，可分析钢筋混凝土薄壁箱梁开裂后应力重分布及其综合效应，为钢筋混凝土薄壁箱梁结构空间应力状态精细化分析提供了新途径。 建立了计入拉索锈蚀和索力松弛影响的拉索状态分析方法。针对拉索在服役期间经常出现钢丝锈蚀及索力在高应力状态下松弛现象，引入应变等价原理和几何损伤理论，提出了工程中拉索锈蚀程度的表征方法，在此基础上，通过求解拉索微分方程边值问题及讨论索的收敛迭代解，建立了计入拉索锈蚀和索力松弛影响的拉索状态UL列式分析方法，该方法为大跨度预应力混凝土斜拉桥服役期间拉索状态较为精确的非线性分析提供了依据。 研究了一种大型结构混凝土徐变函数指数形式表达式参数辨识与拟合方法，建立了一套计入收缩徐变影响的初应变逐步递推算法，给出了收缩徐变计算的增量形式递推公式。温度场和温度应力分析方面，采用在同一有限元模型上按时间差分顺序耦合求解斜拉桥主梁和索塔温度场和应力场的方法，可方便地得到整个时间域和空间域离散点上非稳态温度场和应力场的计算结果。以上方法将有限元的切线刚度法与时间域内的逐步积分方案相结合，可用来跟踪分析预应力混凝土斜拉桥结构在长期荷载作用下经过弹性、开裂以及与时间有关的结构响应。 本文首次清晰而系统地提出了大跨度预应力混凝土斜拉桥运营期间与时间有关的效应分析问题，结合处于自然环境中实际服役大跨度预应力混凝土斜拉桥，建立同时考虑拉索时变、混凝土收缩徐变、温度等与时间有关因素对服役期间预应力混凝土斜拉桥影响的空间整体有限元力学模型，揭示大跨度预应力混凝土斜拉桥成桥后在长期荷载作用下主梁线形变化与裂纹分布规律，为运营期间大跨度预应力混凝土斜拉桥空间应力状态精细化分析和服役结构状态评定提供了可靠依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1预应力混凝土斜拉桥长期荷载作用下的时变效应

1.2既有预应力混凝土斜拉桥时变效应分析的必要性

1.3预应力混凝土斜拉桥时变因素的研究现状

1.3.1拉索时变效应分析现状

1.3.2混凝士收缩徐变研究现状

1.3.3温度效应研究现状

1.4薄壁箱梁结构研究现状

1.5本文的主要工作

第2章 大型钢筋混凝土结构本构模型

2.1概述

2.2复杂应力状态下混凝土破坏准则

2.3混凝土等效单轴应力-应变本构模型

2.3.1模型描述

2.3.2加载面函数

2.3.3单轴应力-应变状态

2.3.4等效单轴应力-应变关系

2.4开裂混凝土的有限元模拟

2.4.1柱状骨料咬合模型

2.4.2混凝土开裂后的有限元模拟

2.4.3积分点区域特征尺寸

2.5裂缝处钢筋轴向效应及销栓作用

2.5.1粘结滑移的钢筋轴向效应

2.5.2钢筋的销栓作用

2.6模式校核

2.7本章小结

第3章 钢筋混凝土薄壁箱梁空间计算的组合式加筋混凝土板梁有限单元法

3.1概述

3.2箱梁组合式加筋混凝土板梁有限元法分析思路

3.3薄壁箱梁混凝士板梁有限元模式

3.3.1基本假定

3.3.2箱梁的整体位移模式

3.3.3箱梁的板梁子单元分析

3.3.4箱梁截面自由度与其板梁子单元自由度的转换矩阵

3.3.5薄壁箱梁梁段单元混凝土的总体刚度矩阵

3.4箱梁组合式加筋混凝土有限元模式

3.4.1模式的基本特征

3.4.2计入钢筋贡献的单元刚度矩阵及内力等效结点荷载向量

3.5斜拉桥塔柱及拉索位移

3.5.1塔位移

3.5.2拉索位移

3.6算例分析

3.7本章小结

第4章 预应力混凝土斜拉桥与时间有关的效应分析

4.1概述

4.2斜拉索时变效应分析

4.2.1拉索锈蚀的表征

4.2.2拉索等效弹性模量法

4.2.3 Ernst公式的局限性

4.2.4计入锈蚀和索力松弛影响的悬链线索单元

4.3预应力混凝土斜拉桥混凝土收缩徐变分析

4.3.1共轭斜量法在BP2模式Dirichlet级数参数辨识中应用

4.3.2初应变法在预应力混凝土斜拉桥收缩徐变分析中的程序实现

4.3.3算例分析

4.4预应力混凝土斜拉桥温度效应分析

4.4.1温度场的影响因素和特点

4.4.2确定结构温度场分布

4.4.3温度应力分析

4.4.4程序实现

4.4.5算例分析

4.5本章小结

第5章 大跨度预应力混凝土斜拉桥长期荷载作用下时变效应工程实例分析

5.1概述

5.2工程背景

5.3预应力混凝土斜拉桥时变效应现场测试及结果分析

5.3.1时变效应现场测试

5.3.2索力测试结果及分析

5.3.3应变测试结果及分析

5.3.4挠度测试结果及分析

5.4运营期间预应力混凝土斜拉桥时变效应理论分析及工程应用

5.4.1计算模型及增量平衡方程

5.4.2主箱梁挠度变形分析

5.4.3主箱梁空间应力分析

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢