基于开裂非协调变形的PC梁预应力筋应力评估

摘要

在役预应力混凝土（PC）桥梁在实际运营中由于重载和长期荷载的作用，梁体往往带裂缝工作，在开裂后进入非线性状态，桥梁力学性能不一定达到设计预想结果。同时，在地震等重大灾害时，大批桥梁可能同时受损，如何利用裂缝、挠度等直观参数快速、有效地评估受损桥梁结构的力学状态对救援工作的开展非常重要。预应力筋作为桥梁的关键受力部件，其实际预应力大小的确定是在役混凝土桥梁结构安全评估的关键所在。本文开展了模型梁和30m实型梁试验，通过梁体变形、预应力筋应变、裂缝等参数，确定结构响应的发展规律，研究预应力混凝土梁开裂后的非线性力学特性。主要研究成果如下： （1）对裂缝机理进行分析，通过试验研究，得到裂缝开展规律：梁体弯曲裂缝缝宽与缝高均随加载等级的增加而不断增长，且缝宽和缝高的增长速率交互发展，缝高发展到一定程度以后便向跨中横向发展；跨中区域裂缝数量、宽度、高度明显大于其他区域，随着荷载的增加，裂缝间距不断减小且减小速率逐渐变缓，至非预应力筋屈服时，新裂缝发展减缓，间距基本不变。 （2）利用试验数据回归得到裂缝缝宽比与承载率之间的关系式，从而可对梁体承载力状态进行快速评估。 （3）裂缝缝高的发展预示着梁体中性轴的变化，考虑梁体非协调变形迭代求解受压区高度，得到受压区高度与缝高关系曲线。 （4）在裂缝非协调变形理论基础上，结合理论分析与试验研究，引入梁体抗弯刚度折减模型，提出基于实测挠度和塑性铰理论的开裂后预应力混凝土结构预应力筋应力评估方法。 （5）重复加载梁体相对于单调加载梁，预应力筋应力增量在荷载作用下偏移量越来越大，说明多次荷载作用下的梁体产生的非协调变形更大。 （6）非协调变形对裂后预应力混凝土结构的预应力筋应力水平影响不能忽略，且随着荷载增大，非协调变形的影响越来越显著。考虑非协调变形后的预应力筋应力与试验实测值相比具备一定安全富余，避免了按照设计规范对其进行评估所带来的不安全后果，为在役桥梁结构的实际状态评估提供了一种简化手段。 （7）通过有限元与试验相结合的方式，研究30m预应力混凝土箱梁的结构性能，有限元模型结果与试验实测结果吻合良好，以模型预应力筋应力对比评估结果，验证了预应力筋应力评估方法在实型梁上的适用性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1预应力混凝土梁预应力筋性能研究现状

1.2.2桥梁开裂研究现状

1.3本文研究目的及主要内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

第二章 预应力混凝土梁模型试验研究

2.1模型梁设计

2.1.1截面设计

2.1.2预应力钢束布置

2.1.3普通钢筋布置

2.1.4混凝土配合比

2.2试验方案及测点布置

2.3试验结果与初步分析

2.3.1 位移结果整理与分析

2.3.2 刚度退化分析

2.4 本章小结

第三章 预应力混凝土梁开裂特性分析

3.1 裂缝机理及分析

3.1.1 裂缝成因及分类

3.2 裂缝开展规律及参数统计

3.2.1 模型梁裂缝

3.3 裂缝参数理论分析

3.3.1 裂缝宽度开展与截面受弯承载率

3.3.2 裂缝高度开展与中性轴关系

3.3.3 裂缝统一化处理

3.4 刚度折减模型

3.5 本章小结

第四章 预应力混凝土梁预应力筋受力性能分析

4.1 预应力筋应力分布

4.2 预应力筋应力与外荷载关系

4.3 非协调变形理论

4.4 预应力钢筋应力评估方法

4.5 模型梁数据验证及分析

4.5.1 结果对比分析

4.6 本章小结

第五章 30m实型梁试验研究

5.1 实型梁试验

5.1.1 工程概况

5.1.2实型梁试验方案

5.1.3试验结果与初步分析

5.2 实型梁非线性数值分析

5.2.1 预应力混凝土结构非线性分析方法

5.2.2 有限元模型的建立

5.3 有限元结果与比对分析

5.3.1 挠度结果对比与分析

5.3.2 刚度退化对比与分析

5.3.3 裂缝发展模拟

5.3.4 预应力筋应变结果与分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目

附录A P4、P5梁裂缝缝宽开展过程示意图

A.1 P4 梁

A.2 P5 梁