高速铁路预制拼装箱梁桥抗弯及接缝抗剪试验研究与理论分析

摘要

节段预制拼装技术是将结构整体分段预制后利用预应力技术再组装为整体的手段，主要应用在大跨桥梁结构中，具有预制标准、质量可控、对施工机械要求低、施工工期短、受环境影响小等优点，是桥梁结构一个十分重要的施工技术。预制拼装结构与整体现浇结构本质的区别是普通钢筋在接缝处不连续，接缝处主要通过不同的形式进行拼接连接，极限状态下结构的受力性能有较大的差别，需要对其进行系统的研究。现有的设计理论主要集中在几个关键问题上:节段预制拼装桥梁的抗裂性能，不同荷载阶段下梁体的刚度，极限状态下的抗弯承载能力，极限状态下的抗剪破坏模式及其承载力。抗弯方面本文基于对节段预制拼装梁与整体梁破坏本质认识的基础上建立了节段预制拼装简支梁及节段预制拼装连续梁的体外预应力筋应力增量计算公式，并通过有限元模型对节段预制拼装连续梁的内力重分布进行了分析，建立了不同荷载阶段下的抗弯刚度计算公式。抗剪方面对单键剪力键受剪破坏形式以及多键剪力键破坏形式进行了系统的分析，提出了相应的数值计算模型并进一步提出了简化计算模型，对节段预制拼装梁的抗剪破坏模式进行了探讨并形成了抗剪承载力的计算公式。设计了10个剪力键抗剪试验以及4根简支梁、1根三跨连续梁进行试验并对理论分析进行了验证，本文的主要研究内容及成果如下:
　　(1)推导了节段预制拼装桥梁受力全过程的刚度计算公式。基于粘结-滑移理论提出了接缝截面刚度影响范围的概念，以节段为单位，按等效后转角相同的方法推导了不同荷载等级下的节段预制拼装梁等效刚度计算公式，其采用三折线形式-分为未开裂阶段，正常使用阶段，极限状态阶段，物理意义明确，结果精度高。
　　(2)推导了节段预制拼装梁体外预应力筋的极限应力增量的计算公式。讨论了现有的简支梁体外预应力筋应力增量的计算方法，基于等效塑性铰理论，建立体外预应力整体简支梁应力增量与极限位移的计算模型。提出了节段简支梁与整体简支梁极限位移的比例系数概念，推导了节段预制拼装简支梁极限位移的计算公式。根据梁体跨中位移与体外预应力筋应力成线性比例的关系，得到预制拼装简支梁体外预应力筋的极限应力增量计算公式，并形成了简化计算公式。
　　(3)提出了连续梁塑性铰位置修正系数x概念，基于等效塑性铰理论推导了连续梁跨中极限位移的计算公式，并形成了体外预应力节段预制拼装连续梁体外预应力筋极限应力增量的计算公式，通过试验结果进行了验证。采用纤维梁单元模型，考虑了节段梁截面刚度影响区域长度，建立了节段预制拼装连续梁力学模型，并进行了内力重分布影响因素分析，为节段预制拼装连续梁的考虑内力重分布的塑性设计提供了依据。
　　(4)受弯方面进行了4个简支梁（1个整体、3个节段）及1个三跨节段连续梁受弯试验，根据试验结果提出了节段预制拼装梁抗裂分析的参数取值，并对建立的应力增量计算公式等进行了验证。进行了10个不同接缝形式节段预制拼装梁接缝抗剪试验，考虑了水平压力大小、干结与胶结、键齿大小、平接与键齿接缝等因素，对建立的简化计算公式进行了验证。
　　(5)采用ABAQUS有限元软件自带混凝土CDP材料模型进行了初步分析，了解了剪力键抗剪破坏的机理，并与现有单键破坏试验进行比对，给出了抗剪分析时CDP模型的参数设置建议。针对CDP模型的缺点，在分析剪力键受剪破坏原理的基础上，开发了基于ABAQUS有限元软件VUMAT子程序的混凝土抗剪模型，模型中体现了混凝土破坏准则、Ⅱ型断裂能、剪断后摩擦剪应力对剪力键受剪破坏的影响，通过已有剪力键受剪破坏试验确定了混凝土抗剪模型参数取值，并验证了模型的正确性，揭示了剪力键受剪破坏的原理。
　　(6)利用开发的混凝土抗剪模型对剪力键受剪构件进行了参数分析，考虑键齿形状、水平压力大小、键齿数目、接缝连接方式等因素对剪力键受剪承载力的影响，建立了接缝抗剪破坏承载力计算模型，形成了不同接缝形式接缝抗剪破坏承载力的计算公式，公式物理意义明确，形式参数统一，与试验结果相比具有较高的精度。
　　(7)在分析了节段预制拼装梁与整体梁抗剪差异的基础上，归纳了节段预制拼装梁抗剪破坏的不同破坏形式及破坏机理。分析了不同接缝形式对混凝土部分抗剪承载力影响，根据混凝土的压剪破坏准则，考虑了受压翼缘对抗剪承载力的贡献，编制了接缝抗剪破坏的计算分析程序，并采用简化方式利用平衡方程对混凝土的抗剪承载力进行推导，形成接缝抗剪破坏的抗剪承载力计算公式，并进行了试验数据的验证。根据不同算例的试算结果给出了节段预制拼装梁接缝抗剪破坏的产生条件，可用于桥梁的初期抗剪设计。

目录

声明

摘要

文中主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 节段预制拼装梁现有设计方法介绍

1．2．1 AASHTO(2004)方法

1．2．2 国内公路桥梁采用方法

1．2．3 国内铁路桥梁采用方法

1．3 体外筋应力增量与节段预制拼装桥梁受弯力学性能研究现状

1．4 节段预制拼装桥梁接缝受剪破坏研究现状

1．4．1 节段预制拼装接缝受剪破坏力学性能研究现状

1．4．2 节段预制拼装桥梁受剪破坏力学性能研究现状

1．5 本文主要研究内容

第二章 节段预制拼装梁抗弯试验研究

2．1 概述

2．2 试验构件设计

2．3 试验构件制作与材性试验

2．4 试验构件加载方案与测点布置

2．4．1 加载布置图

2．4．2 简支梁预应力张拉及荷载加载方案

2．4．3 连续梁加载布置图

2．4．4 连续梁预应力张拉及荷载加载方案

2．4．5 测点布置及测试内容

2．4．6 主要测试内容

2．5 试验结果

2．5．1 简支梁试验结果

2．5．2 连续梁试验结果

2．6 本章小结

第三章 节段预制拼装简支梁抗弯理论分析

3．1 概述

3．2 节段预制拼装桥梁刚度及变形分析

3．2．1 整体桥梁刚度计算公式

3．2．2 节段预制拼装桥梁刚度计算模型

3．2．3 节段预制拼装桥梁刚度计算公式及验证

3．3 节段预制拼装梁体外预应力应力增量与整体梁应力增量关系分析

3．3．1 体外预应力梁应力增量影响因素

3．3．2 节段预制拼装梁与整体梁应力增量关系

3．4 整体梁极限位移及体外筋应力增量计算

3．4．1 极限状态下的整体梁位移

3．4．2 整体梁体外筋应力增量计算方法

3．4．3 体外预应力整体梁极限应力增量公式计算结果对比

3．5 节段预制拼装梁极限位移及体外筋应力增量计算

3．5．1 节段预制拼装梁应力增量计算方法

3．5．2 节段预制拼装梁的极限位移

3．5．3 节段预制拼装梁的极限应力增量计算结果

3．6 节段预制拼装桥梁应力增量计算简化公式

3．6．1 节段预制拼装梁应力增量影响参数分析

3．6．2 计算公式与验证

3．7 本章小结

第四章 节段预制拼装连续梁抗弯性能理论分析

4．1 节段预制拼装连续梁体外预应力应力增量计算公式

4．1．1 现有方法总结

4．1．2 连续梁极限位移

4．1．3 预应力筋应力增量计算方法

4．1．4 应力增量计算公式试验验证

4．2 连续梁有限元程序验证

4．2．1 材料本构

4．2．2 单元选择与有限元模型

4．2．3 有限元验证

4．3 节段预制拼装连续梁内力重分布分析

4．3．1 内力重分布系数的影响影响因素

4．3．2 内力重分布有限元分析

4．4 本章小结

第五章 节段预制拼装接缝抗剪破坏数值模拟

5．1 预制拼装接缝受剪破坏模式

5．2 验证试验试验参数

5．3 基于Abaqus混凝土塑性损伤(CDP)本构模型分析

5．3．1 塑性损伤模型

5．3．2 有限元模型及参数研究

5．3．3 有限元模型验证

5．3．4 破坏机理展示

5．3．5 针对接缝抗剪破坏的优缺点

5．4 基于混凝土破坏准则的抗剪破坏本构模型分析

5．4．1 抗剪本构要素

5．4．2 VUMAT子程序本构开发

5．4．3 程序验证与参数确定

5．4．4 基于剪本构的剪力键破坏发展过程

5．5 本章小结

第六章 节段预制拼装梁接缝抗剪试验研究

6．1 试验方案

6．2 试验构件设计与浇筑

6．2．1 方案设计

6．2．2 试验构件尺寸与配筋

6．2．3 试验构件的浇筑与装配

6．3 试验准备工作与加载方案

6．3．1 试验材料材性

6．3．2 试验加载方案

6．4 试验结果

6．4．1 试验结果

6．4．2 破坏过程总结

6．4．3 破坏结果汇总

6．5 本章小结

第七章 节段预制拼装梁接缝抗剪理论分析

7．1 概述

7．2 接缝直剪(单键)抗剪分析

7．2．1 干结平接接缝

7．2．2 干结剪力键连接接缝

7．2．3 胶结平接接缝

7．2．4 胶结剪力键连接接缝

7．2．5 整体浇筑混凝土抗剪模型

7．2．6 小结

7．3 接缝直剪(多键)抗剪分析

7．3．1 多键破坏特征与别人不足

7．3．2 现有模型

7．3．3 干结多键影响分析

7．3．4 胶结多键影响分析

7．3．5 公式综合对比

7．4 节段预制拼装梁破坏模式分析

7．4．1 节段预制拼装梁破坏模式分析

7．4．2 接缝形式对混凝土抗剪承载力的影响分析

7．4．3 斜剪破坏承载力计算公式

7．4．4 接缝抗剪承载力分析

7．4．5 节段预制拼装梁抗剪承载力计算公式验证

7．5 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 研究结论

8．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要成果

致谢