高强轻集料混凝土连续刚构桥结构特性研究

摘要

预应力混凝土连续刚构桥跨越能力强，施工技术成熟，工程造价低，外形美观，行车舒适，是大跨径桥梁的主选桥型。近年来，我国已修建了大量的连续刚构桥，80％以上的该种桥梁都出现了不同程度的病害，主梁跨中下挠与箱梁开裂尤为突出，严重危害结构安全，成为制约连续刚构桥进一步发展的关键技术难题。国内外对此进行的理论与实践研究表明，从材料性能和结构优化角度寻求最佳的组合匹配是解决跨中下挠与箱梁开裂问题的主要途径。 高强轻集料混凝土(High Strength Light Weight Aggregate Concrete)具有轻质、高强、抗震性能好等优点，国外已将其成功应用于连续刚构桥中，如挪威Stolma和Raftsundet桥：国内，高强轻集料混凝土连续刚构桥的研究处于起步阶段，工程应用尚属空白。因此，本文从材料和结构优化设计出发，提出了高强轻集料混凝土与普通混凝土最佳组合匹配的连续刚构桥结构，系统研究了其结构特性，有效解决了连续刚构桥跨中下挠与箱梁开裂问题；研究成果为高强轻集料混凝土应用于连续刚构桥提供了理论依据和技术支撑，对提高桥梁的使用寿命、降低维护费用、确保桥梁运营安全具有重要的理论和实际意义。 本文的主要研究成果为： 1、简要介绍了连续刚构桥的发展现状，系统阐述了该桥型的结构体系特点，明确指出了连续刚构桥普遍存在的跨中下挠与箱梁开裂问题，提出了高强轻集料混凝土与普通混凝土最佳组合匹配的连续刚构桥结构。 2、结构与材料的合理匹配关系研究。从应力水平、结构位移和内力三个指标，系统研究了不同长度范围、不同密度等级的高强轻集料混凝土连续刚构桥结构性能。研究结果表明：对于所研究的连续刚构桥，上部结构高强轻集料混凝土与普通混凝土的长度比例(L<,LC60>/L)取0.7左右较为合适；低密度等级的高强轻集料混凝土可更大幅度降低连续刚构桥跨中挠度、减小墩顶截面上下缘应力差值和墩顶区段负弯矩值。 3、桥梁长期变形分析。基于高强轻集料混凝土密度小和弹性模量低的双重材料特性，系统分析了恒载、二期恒载及跨中集中荷载等不同工况下高强轻集料混凝土连续刚构桥的长期变形性能。研究结果表明：高强轻集料混凝土能够有效减小连续刚构桥主跨跨中后期下挠；随时间推移，高强轻集料混凝土连续刚构桥跨中挠度减小幅度增大。 4、箱梁抗剪、抗裂性能研究。从剪力、剪应力和主应力三个方面，系统研究了高强轻集料混凝土连续刚构桥腹板的抗剪和抗裂性能。研究结果表明：高强轻集料混凝土降低了连续刚构桥的剪力与剪应力值，增大了腹板主压应力储备，改善了连续刚构桥腹板的抗裂性能，连续刚构桥上部结构的可设计性增强。 5、桥梁动力特性分析。采用子空间迭代法，量化计算分析了高强轻集料混凝土连续刚构桥的自振频率、累积振型贡献率和振型特点等。研究结果表明：高强轻集料混凝土在连续刚构桥中的应用，降低了其基频与自振频率。 本文的研究成果为连续刚构桥向大跨、重载、轻质方向发展开辟了新途径；对于拓展高强轻集料混凝土的应用领域，推动大跨径连续刚构桥的技术进步，促进桥梁工程与材料科学的学科交叉，具有重要的理论和实际意义。 本文得到国家高技术研究发展计划《高性能轻质结构混凝土用于大跨径桥梁的研究(2002AA335080)》的资助

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1连续刚构桥的应用与发展现状

1.1.1连续刚构桥的产生和发展

1.1.2连续刚构桥的结构体系特点

1.1.3连续刚构桥存在的主要问题与现有防治措施

1.2高强轻集料混凝土的研究与应用现状

1.2.1高强轻集料混凝土的材料性质与特点

1.2.2轻集料混凝土的国内外应用与发展现状

1.2.3轻集料混凝土构件和结构的理论研究现状

1.3选题的背景及意义

1.4研究目标和内容

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

第二章高强轻集料混凝土连续刚构桥的有限元模型

2.1有限元分析基本理论

2.1.1概述

2.1.2有限元分析的基本步骤

2.1.3空间有限元的基本理论

2.1.4桥梁结构的数值分析方法

2.1.5有限元分析软件MIDAS/CIVIL

2.2本文背景工程简介

2.2.1桥梁技术标准与主要用材

2.2.2桥梁主要构造特点

2.3高强轻集料混凝土连续刚构桥的有限元模型的建立

2.3.1本桥施工流程及特点

2.3.2单元划分及边界条件的确定

2.3.3施工阶段荷载的计算与确定

2.3.4施工阶段的划分

2.3.5桥梁模型的建立

2.4本章小结

第三章材料特性与结构性能的合理匹配分析

3.1高强轻集料混凝土使用范围对连续刚构桥力学性能的影响

3.1.1结构体系分析的基本假定与计算内容

3.1.2结构敏感性分析的材料替代原则

3.1.3不同高强轻集料混凝土长度对主跨跨中挠度的影响分析

3.1.4不同高强轻集料混凝土长度对关键截面上下缘应力的影响分析

3.1.5不同高强轻集料混凝土长度对截面内力的影响分析

3.2不同弹性模量对连续刚构桥力学性能的影响

3.2.1主跨跨中挠度

3.2.2关键截面上下缘应力

3.2.3关键截面内力

3.3试验桥与普通混凝土桥的对比分析

3.4本章小结

第四章高强轻集料混凝土连续刚构桥长期变形分析

4.1混凝土结构长期效应的影响成分

4.1.1徐变

4.1.2收缩

4.2桥梁结构的徐变效应

4.3本研究中的对混凝土长期特性的考虑

4.3.1 MIDAS/CIVIL中的混凝土长期特性计算方法

4.3.2高强轻集料混凝土的徐变与收缩

4.3.3 LC60混凝土徐变与收缩曲线的确定

4.4高强轻集料混凝土连续刚构桥长期变形分析

4.4.1基于累积模型和时间步骤的MIDAS/CIVIL计算分析理论

4.4.2桥梁模型的确定

4.4.3箱梁的长期变形分析

4.5本章小结

第五章高强轻集料混凝土连续刚构桥腹板的抗剪和抗裂性能研究

5.1桥梁关键截面和荷载的选取

5.1.1对比用桥梁模型简介

5.1.2关键截面及荷载的选取

5.2剪力对比分析

5.2.1剪力极值点对比分析

5.2.2关键截面的剪力对比分析

5.3剪应力极值对比分析

5.4箱梁腹板主应力分析

5.4.1箱梁腹板的受力特点

5.4.2最大主拉应力和绝对值最大主压应力

5.4.3箱梁腹板主应力分析

5.5本章小结

第六章高强轻集料混凝土连续刚构桥动力特性分析

6.1桥梁自振特性计算方法

6.2动力特性分析的基础

6.3振型贡献率分析

6.4自振频率分析

6.5振型分析

6.6本章小结

第七章总结

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录

致谢