中小跨径桥梁节段拼装桥墩受力分析与优化设计研究

摘要

桥梁预制构件工业化建造和快速装配化施工能够加快施工速度、提高工程质量、减小对周边环境的影响，现已成为国家政策导向和行业研究热点。桥梁预制拼装技术在上部结构施工中应用较为广泛，但是只有极少数运用在桥墩的施工当中，而且已有的预制拼装桥墩连接方案大都是针对特殊桥梁的，并不适合在数量众多的中小跨径桥梁中大规模使用。为此，本文对中小跨径桥梁节段拼装桥墩的连接方式、构造形式、受力性能等方面展开了系列研究。 首先，在查阅国内外研究文献的基础之上，分析了当下多种节段拼装桥墩连接方式存在的不足之处，并结合依托工程特点，提出了一种新型的采用“端板焊接连接件”的节段拼装桥墩，对其构造形式、构造优势、整体设计等方面进行阐述，并采用试验验证了其连接的可靠性。 其次，采用MIDAS软件建立全桥有限元模型，分析桥墩在不同荷载作用下的内力分布情况，对墩柱连接部位焊缝深度进行设计计算。基于桥墩内力计算结果，运用ANSYS软件建立节段拼装墩柱连接部位局部模型，研究不同工况荷载作用下各构件的应力和变形规律。 然后，采用数值模拟方法分析节段拼装墩柱在静力极限破坏荷载和拟静力循环位移荷载作用下的力学性能和抗震性能，并以墩柱的峰值承载力、极限承载力、延性性能、滞回性能、耗能能力、残余变形等为指标，研究节段拼装墩柱和整体现浇墩柱受力性能的差异性。 最后，采用改变端板厚度、焊缝深度以及增加加劲板、环形套箍和核心混凝土这5项措施对节段拼装墩柱进行优化设计，分析不同优化措施对墩柱受力性能的影响规律，并对优化后的节段拼装桥墩构件的预制、运输和安装等施工工艺进行介绍。 结果表明，在中小跨径桥梁节段拼装桥墩中使用“端板焊接连接件”满足结构设计要求。节段拼装桥墩在静力极限破坏荷载和拟静力循环位移荷载作用下的力学性能和抗震性能与整体现浇桥墩差异很小。不同优化措施可以不同程度地改善桥墩局部和整体的受力性能。在中小跨径桥梁中使用该种节段拼装桥墩能够实现工业化生产快速、高质、高效的特点，具有良好的社会和经济效益。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 节段拼装桥墩试验研究现状

1.2.2 节段拼装桥墩理论研究现状

1.3 研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 拟解决的关键问题

1.5 技术路线

第2章 节段拼装桥墩连接方案设计

2.1 引言

2.2 工程背景简介

2.2.1 设计背景

2.2.2 桥梁技术指标

2.3 节段拼装桥墩连接方式比选

2.3.1 现浇湿接缝连接

2.3.2 后张预应力连接

2.3.3 灌浆套筒连接

2.3.4 摩擦自锁式连接

2.3.5 承插式连接

2.4 端板焊接连接件构造思路

2.4.1 构造组成

2.4.2 连接可靠性试验

2.4.3 构造优势

2.5 节段拼装桥墩连接整体设计

2.5.1 相邻预制墩柱节段的连接

2.5.2 预制墩柱与承台的连接

2.5.3 预制墩柱与盖梁的连接

2.5.4 预制墩柱节段分级

2.6 本章小结

第3章 中小跨径桥梁节段拼装桥墩设计计算

3.1 引言

3.2 全桥有限元模型的建立

3.2.1 模型建立

3.2.2 荷载计算

3.3 荷载作用分析

3.3.1 恒载

3.3.2 制动力

3.3.3 温度力

3.3.4 混凝土收缩徐变

3.3.5 支座沉降

3.3.6 汽车荷载

3.4 荷载内力组合

3.5 焊缝深度计算

3.6 本章小结

第4章 节段拼装桥墩局部受力性能分析

4.1 引言

4.2 材料的本构关系

4.2.1 混凝土本构关系

4.2.2 钢材本构关系

4.3 模型建立

4.4 节段拼装桥墩不同工况荷载下受力分析

4.4.1 结构变形分析

4.4.2 混凝土受力结果分析

4.4.3 连接端板受力结果分析

4.4.4 连接焊缝受力结果分析

4.4.5 纵向钢筋受力结果分析

4.5 节段拼装桥墩静力荷载极限破坏分析

4.5.1 荷载类型判定原理

4.5.2 模型加载设置

4.5.3 变形和破坏模式

4.5.4 荷载-位移曲线分析

4.5.5 结构延性性能分析

4.6 节段拼装桥墩抗震性能分析

4.6.1 滞回性能

4.6.2 骨架曲线

4.6.3 延性性能

4.6.4 耗能能力

4.6.5 残余变形

4.7 本章小结

第5章 节段拼装桥墩的优化设计与施工

5.1 引言

5.2 节段拼装桥墩优化措施

5.3 不同优化措施对桥墩受力性能的影响

5.3.1 端板厚度

5.3.2 焊缝深度

5.3.3 加劲板

5.3.4 环形套箍

5.3.5 核心混凝土

5.4 节段拼装桥墩施工方法

5.4.1 构件预制

5.4.2 构件运输

5.4.3 构件安装

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得研究成果

攻读硕士学位期间参与的科研项目