刚架拱桥弦杆节点加固设计分析

摘要

本文以广东省境内某在役刚架拱桥为背景，采用数值分析方法，运用相关的有限元分析程序，建立平面杆系模型和空间实体模型，对结构加固前后的受力情况进行分析，评价其加固效果，并对上弦杆和主节点进行了初步的优化分析。主要研究内容和成果如下： 1)提出了综合利用ANSYS和桥梁博士计算软件对刚架拱桥主次节点加固前后受力情况进行数值分析的新方法。采用该方法的计算结果表明，碳纤维布(CFS)加固后次节点截面上下缘的抗弯承载力分别提高5.7﹪和15.5﹪，抗剪承载力为加固前的2.38倍；主节点截面上下缘抗弯承载力分别提高5.3﹪和12.5﹪，抗剪承载力为加固前的2.7倍；上弦杆截面上下缘抗弯承载力分别提高7.6﹪和9.8﹪，抗剪承载力为加固前的2.26倍。 2)加固对降低构件应力水平的效果不明显，其原因可认为是碳纤维材料在受拉区砼开裂后才发挥作用；粘贴0.334mm厚CFS加固后弦杆的抗弯分析结果表明，受拉区钢筋屈服时，弦杆的挠度比加固前降低4.7﹪；若以受拉区钢筋屈服荷载作为极限承载力，则加固后上弦杆的极限承载力提高了9.6﹪。 3)若以弦杆受弯破坏的荷载作为破坏承载力，则加固后其破坏承载力提高了19﹪；把破坏承载力和极限承载力的差值定义为安全储备值，则加固后其安全储备值提高了90.2﹪；对于抗剪加固，加固后弦杆箍筋的应变值减小，斜裂缝的发展得到有效抑制；剪跨段内的箍筋应变值比加固前减小42.8﹪，说明采用CFS加固能有效地增强弦杆的抗剪能力。 4)通过分别对0.167mm、0.334mm、0.501mm、0.668mm、0.835mm和1.000mm等6种CFS厚度加固后上弦杆的刚度和承载力的对比分析可发现，上弦杆的刚度、极限承载力和破坏承载力随CFS厚度的增加而增大，但增加幅度逐渐减小。同时，主节点的极限承载力和破坏承载力也随CFS厚度的增加而增大，而且增加的幅度也逐渐减小。 5)通过改变CFS的加固厚度，对上弦杆和主节点进行优化分析，得到了上弦杆主节点破坏荷载与CFS厚度的关系式。按照规程中规定的加固构件破坏承载力提高幅度为40﹪的限值，得到了上弦杆和主节点的CFS加固厚度的相应限值分别为0.81mm和0.82mm。这一结果对刚架拱桥的弦杆和节点的加固设计具有参考价值。

目录

文摘

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论文说明：资助

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本研究的主要内容

第二章加固刚架拱桥有限元分析方法

2.1概述

2.2 ANSYS功能简要介绍

2.3塑性理论基础

2.3.1屈服准则

2.3.2流动准则

2.3.3强化准则

2.4有限元分析模型

2.4.1钢筋单元

2.4.2混凝土单元

2.4.3实常数采用

2.4.4材料的特性

2.4.5混凝土与钢筋界面处理

2.4.6混凝土与碳纤维布界面处理

2.4.7计算模型

2.5本章小结

第三章刚架拱桥弦杆节点受力分析

3.1概述

3.2刚架拱桥的病害分析与加固设计方案

3.2.1刚架拱桥的典型病害分析

3.2.2实测病害

3.2.3刚架拱桥的加固设计方案

3.3节点受力分析

3.3.1加固前节点受力分析方法

3.3.2碳纤维布加固后节点受力分析方法

3.3.3配筋设计

3.4弦杆受力分析

3.4.1加固前弦杆受力分析

3.4.2纤维薄板加固后弦杆受力分析

3.4.3配筋设计

3.5本章小结

第四章上弦杆抗弯剪强度分析

4.1概述

4.1.1材料的力学性能指标

4.1.2加固和加载概要说明

4.2受弯作用分析

4.2.1荷载—挠度曲线

4.2.2极限承载力分析

4.2.3破坏承载力分析

4.3受弯剪作用分析

4.3.1处理方法

4.3.2弯剪开裂分析

4.3.3应变分析

4.4本章小结

第五章弦杆和节点的加固优化初探

5.1弦杆优化

5.1.1刚度

5.1.2抗弯极限承载力

5.1.3破坏承载力

5.2节点优化

5.2.1极限承载力

5.2.2破坏承载力

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢