预应力混凝土箱梁桥腹板斜裂缝研究

摘要

进入20世纪80年代后，预应力混凝土箱梁桥得到了迅猛发展，现已成为我国大跨径桥梁的主要桥型之一。但随着这些桥梁逐步的投入营运、承受荷载，设计和施工中的问题也逐步暴露出来，尤其是不同性质的开裂问题较为普遍，其中以腹板斜裂缝尤为突出。预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝的存在轻则缩短桥梁使用寿命，重则影响桥梁结构安全。因此，探明预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝产生机理、形成规律、开裂后的使用性能及动力特性，改进完善设计施工措施等相关问题的研究有着重大的实用价值与社会经济效应。 本文结合西部交通建设科技项目“在用预应力连续箱梁、连续刚构桥开裂成因及处治技术研究(200331822315)”和“大跨径预应力混凝土梁桥主梁下挠原因分析及对策研究(200631822327)”以及现场工程实际，分析了预应力混凝土箱梁桥在设计、施工及运营期内常见的突出病害及其相互影响因素，将预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝作为重点研究对象，主要针对腹板斜裂缝涉及的相关问题进行深入研究，主要工作包括以下几个方面： (1)以腹板已经开裂的典型预应力混凝土箱梁桥为研究对象，建立了预应力混凝土箱梁结构的空间与平面有限元模型，通过对比分析，得到了两种方法的差异，揭示了其计算差异的原因及其主要影响因素，从腹板主拉应力计算方法上探讨了腹板斜裂缝产生机理，分析表明：对于处理预应力混凝土箱梁这种空间特性很强的结构，空间有限元计算方法更适宜于分析其受力特性。 (2)以腹板竖向预应力筋为研究对象，进一步从其应力损失的计算方法及施工影响因素的角度，完善了预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝产生机理。结合两座实桥开展了竖向预应力损失现场试验，针对竖向预应力筋的特点进行了各项竖向预应力损失的有限元和解析法分析，明确了在张拉锚固阶段和运营阶段中各项损失的相对关系。并且结合现行公桥规(JTG D62-2004)提出了简化公式对混凝土收缩徐变损失进行计算。重点研究了竖向预应力筋施工定位误差对锚固损失的影响，通过实测锚垫板倾斜角度并统计分析，结合解析法的计算结果，发现了预应力筋张拉后由于端部转角误差对锚固损失的影响规律，明确了施工过程中竖向预应力筋施加位置偏差的影响大小。 (3)基于实体等参退化壳与杆单元的组合单元形式模拟预应力混凝土箱梁结构，以分层退化壳元来模拟混凝土、普通钢筋，以杆单元模拟预应力束。以VisualFortan6.5作为开发平台，考虑预应力混凝土材料非线性、分段施工过程和预应力损失模拟，编制了预应力混凝土箱梁结构的全过程有限元分析软件BNAS。 (4)基于初应变法，结合不同规范(JTJ023-85和JTG D62-2004)关于徐变系数的递推计算公式，提出了实体退化壳与杆单元的组合单元在复杂应力状态下，混凝土徐变等效结点荷载的递推计算方法。在编制的BNAS软件基础上，进一步开发了考虑复杂应力状态下混凝土徐变效应分析的有限元程序，并以一座实桥为例，建立了复杂应力状态下的徐变分析模型，探讨了运营期内主梁挠度变化情况、应力重分布规律、纵向预应力束对腹板主拉应力的影响效果。 (5)以成桥恒载状态作为预应力混凝土箱梁极限承载力分析的初始状态，研究了箱梁腹板开裂后的极限承载能力。建立了综合考虑混凝土徐变效应的预应力混凝土箱梁极限承载力模型，探讨了预应力束、混凝土徐变效应对箱梁结构极限承载能力的影响。从桥梁安全系数的角度分析了预应力束及混凝土徐变对箱梁的刚度折减效应，从顶底板纵向正应力、腹板主拉应力与等效塑性应变的角度研究了应力重分布规律。 (6)推导了车-桥系统耦合振动的运动方程组，利用VC++编制了可以用于车．桥系统耦合振动分析的专业程序CQZD。以2座实桥为例，研究了预应力混凝土箱梁桥的动力影响因素，主要分析了桥梁基频对预应力混凝土箱梁桥冲击系数的影响，并将算例中的冲击系数计算结果与按规范JTG D60-2004计算的结果进行了比较。结果表明：桥梁基频对冲击系数的影响比较显著，冲击系数随基频的降低而降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1立题背景与研究意义

1.2国内外研究现状与分析

1.2.1预应力混凝土箱梁桥发展现状

1.2.2混凝土材料非线性研究

1.2.3预应力混凝土箱梁桥受力性能研究

1.2.4预应力混凝土箱梁桥裂缝研究

1.2.5该研究领域存在的主要问题

1.3本文研究内容

1.4本章小结

第2章 弹性工作阶段的预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝研究

2.1引 言

2.2空间与平面有限元计算分析的比较研究

2.2.1背景桥的基本概况

2.2.2平面与空间计算模型的比较

2.3预应力混凝土箱梁竖向预应力损失研究

2.3.1竖向预应力损失的现场测试

2.3.2竖向预应力损失的计算分析

2.4施工定位误差对竖向预应力损失的影响分析及改进措施研究

2.4.1锚垫板倾斜的影响及改进措施

2.4.2竖向预应力筋安装时偏位的影响及改进措施

2.5本章小结

第3章 预应力混凝土箱梁材料非线性理论及程序实现

3.1引 言

3.2材料的本构关系

3.2.1混凝土屈服准则

3.2.2混凝土压碎条件

3.2.3混凝土流动法则

3.2.4混凝土硬化法则

3.2.5混凝土弹塑性本构关系

3.2.6混凝土拉伸性能

3.2.7钢筋本构关系

3.3钢筋混凝土的组合模型

3.3.1实体退化壳元

3.3.2基于实体退化壳的组合模型

3.4非线性有限元分析的数值算法

3.4.1非线性方程组求解

3.4.2弹塑性单元应力与塑性应变的数值算法

3.4.3非线性问题求解的收敛准则

3.5分段施工过程模拟与预应力损失的考虑

3.5.1施工过程模拟

3.5.2预应力损失的考虑

3.6非线性有限元程序设计

3.6.1有限元程序结构组成

3.6.2程序验证

3.7本章小结

第4章 预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝的徐变效应研究

4.1引 言

4.2混凝土徐变效应的基本理论

4.2.1混凝土徐变理论

4.2.2混凝土徐变预测模型

4.3基于初应变法的复杂应力状态下徐变计算公式推导

4.3.1徐变效应初应变法分析的递推计算

4.3.2复杂应力状态下的徐变等效结点荷载

4.4复杂应力状态下混凝土徐变效应分析的程序设计

4.4.1有限元法分析混凝土徐变效应的计算步骤

4.4.2程序算例

4.5湘潭湘江二桥混凝土徐变效应分析

4.6本章小结

第5章 极限承载能力状态下预应力混凝土箱梁腹板斜裂缝的研究

5.1引 言

5.2加载工况下的箱梁极限承载力分析

5.2.1加载工况设计

5.2.2箱梁极限承载力的分析结果

5.3混凝土徐变和预应力对箱梁极限承载力的影响

5.4本章小结

第6章 预应力混凝土箱梁桥的动力影响研究

6.1引 言

6.2车-桥系统耦合振动模型

6.2.1二维汽车模型

6.2.2二维桥梁模型及系统动力平衡方程组

6.2.3耦合计算时相关参数的确定

6.3预应力混凝土箱梁桥的车-桥系统耦合振动分析程序

6.3.1算例1

6.3.2算例2

6.4预应力混凝土箱梁桥的动力影响分析

6.4.1桥梁冲击系数

6.4.2预应力混凝土箱梁桥冲击系数的影响因素分析

6.5本章小结

第7章 结论与展望

7.1论文的主要工作和结论

7.2进一步研究展望

参考文献

致 谢

附 录