超高性能混凝土在肋拱桥中的应用

摘要

超高性能混凝土是一种新型的复合材料，也叫活性粉末混凝土(ReactivePowder Concrete，RPC)，对比普通混凝土来说，它具有超高强度、高韧性、高抗渗性和耐久性好等优点。实际工程中使用超高性能混凝土材料，可达到减小构件截面尺寸，减轻结构自重，节省材料用量，增长材料使用寿命的效果。超高性能混凝土最显著的优点是抗压强度极高，而拱体系结构属于压弯构件，充分利用了超高性能混凝土抗压强度高的特点，对于RPC肋拱桥优异的受力性能非常值得研究探讨。在国内外对超高性能混凝土展开的研究和应用背景下，本文对超高性能混凝土在肋拱桥中的应用进行了尝试性的探讨和研究，证明了超高性能混凝土应用到肋拱桥中的可行性和优越性。其主要内容和相应的研究成果如下:
　　(1)用ANSYS软件对RPC矩形截面拱肋进行优化设计分析。优化设计以混凝土材料和拱肋截面尺寸为设计变量，在一定的挠度和应力范围内，使得拱肋体积取得最小值，得出矩形截面拱肋的最优截面尺寸，其高度和宽度约为普通混凝土的0.80h倍和0.833b;
　　(2)对RPC肋拱桥和普通混凝土肋拱桥进行Midas建模，研究了两者的静力性能，对比RPC肋拱桥和普通混凝土肋拱桥的应力、弯矩、轴力、剪力的大小，得出RPC肋拱桥由于截面尺寸的减小，其拱肋应力要比普通混凝土的要高出20％～34％，而各荷载工况下RPC肋拱桥的弯矩、轴力、剪力要比普通混凝土肋拱桥的要小，减小大约14％～35％;
　　(3)对RPC肋拱桥和普通混凝土肋拱桥进行动力特性分析，对比研究两者的自振频率和振型，得出截面尺寸减小后RPC肋拱桥前十阶自振频率比普通混凝土肋拱桥的要小，减小1％～15％;
　　(4)通过比较两者拱肋竖向位移，研究了它们的刚度，得出RPC肋拱桥拱肋各控制截面的竖向位移要比普通混凝土的要大，前者是后者的1.01～1.12倍，证明RPC肋拱桥的刚度比普通混凝土肋拱桥的要小，并在理论上简要分析了RPC肋拱桥的抗裂性，得出其抗裂性得到增强;
　　(5)对RPC肋拱桥和普通混凝土肋拱桥进行了稳定性分析，对比了它们稳定系数的大小，得出RPC肋拱桥由于结构尺寸的减小使得其稳定系数减小，减小23％～33％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究的意义

1．2 RPC的材料组成及其力学特点

1．2．1 RPC的出现

1．2．2 RPC的材料组成及养护

1．2．3 RPC的力学特点

1．3 RPC在土木工程的研究现状

1．3．1 国内

1．3．2 国外

1．4 RPC前景

1．5 本文主要研究内容

1．6 工程背景

第二章 截面优化设计

2．1 结构优化设计的概念

2．2 结构优化设计的基本理论

2．2．1 结构优化设计的数学表达式

2．2．2 结构优化三要素

2．2．3 数值优化方法

2．2．4 以有限元为基础的结构优化设计方法

2．2．5 变分原理

2．3 拱肋ANSYS有限元模型的建立

2．3．1 有限元单元的选取

2．3．2 有限元建模基本参数

2．3．3 拱肋在荷载作用下的优化三要素

2．3．4 优化计算分析结果

2．4 本章小结

第三章 RPC肋拱桥与普通混凝土肋拱桥力学性能比较

3．1 有限元模型的建立

3．2 静力力学性能对比分析

3．2．1 分析工况及截面的选择

3．2．2 内力计算结果分析

3．3 动力特性对比分析

3．4 刚度分析

3．5 抗裂性分析

3．6 本章小结

第四章 RPC肋拱桥与普通混凝土肋拱桥的稳定性分析

4．1 稳定状态分析

4．1．1 拱结构稳定性分类

4．1．2 分析稳定性的方法

4．1．3 RPC肋拱桥与普通混凝士肋拱桥稳定性分析结果

4．2 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

已申请专利(实质审查阶段)