装配式空心板桥铰缝受力性能研究

摘要

装配式空心板桥由于其预制、安装、施工工艺简单、工程造价较低,同时板桥具有建筑高度最小等优点,所以在中小跨径桥梁中得到广泛地应用。但从已建成桥梁的运营状况来看,也存在一些较为典型的病害。通过调研分析表明,影响空心板桥正常使用和结构安全最突出的问题是由于横向联系结构偏弱,单板刚度较低所造成的,而究其根源,空心板桥铰缝破坏是主要原因。空心板间铰缝处混凝土破碎、脱落、大面积渗漏,除引起梁本身破坏外,还可引起桥面铺装、伸缩装置、桥梁支座等的破坏,使桥面平整度降低,甚至出现桥面铺装拥起、破碎、脱落等现象。这不仅严重地影响了行车的舒适性,增加了行车的安全隐患,还大大降低了桥梁结构的整体承载力。本文通过调研分析和阅读大量的相关文献对空心板桥铰缝破坏的原因、一般特征及其危害性进行了探讨和研究。简要介绍了基于ABAQUS有限元方法分析空心板桥所涉及到的非线性理论及其处理办法,本文主要包括材料非线性和接触条件非线性,非线性材质采用Newton-Raphson方法来解决,接触条件非线性采用了满足Coulomb摩擦定律罚函数公式进行处理。铰缝中的混凝土和钢筋用ABAQUS有限元提供的混凝土塑性损伤模型和经典的金属塑性模型分别实现。建立实桥模型并与静载实验实测数据进行对比,由此验证了采用三维有限元程序ABAQUS6.8对考虑铺装层影响的空心板桥进行数值模拟和仿真研究是可行的、合理的和有效的,得到桥面板和铰缝的接触面采用滑动摩擦体系与实际相符。利用有限元程序ABAQUS6.8对有限元模型进行如下分析:(1)横向和纵向荷位对铰缝受力性能的影响,通过变化横向和纵向荷位,得到铰缝受力的最不利位置,并对不利荷载位置作用下的铰缝受力性能(包括沿纵向和跨中截面板高方向)进行深入细致的分析。(2)对不同跨径空心板桥进行对比分析,在相同荷载,相同作用位置其荷载横向分布系数也是不相同的,跨径越小,横向荷载分布系数越不均匀。同一编号的空心板桥纵向正应力随跨径增大而增大。从荷载传递率来看,随着跨径的增大,荷载传递率逐渐增大。(3)超载是对空心板桥铰缝结构各项指标中影响最大的因素,超载比例的增大会引起各项应力的增大,而且可能使铰缝混凝土的拉应力超过其抗拉强度,造成破坏。(4)摩阻系数跟桥面的粗糙程度、车辆的速度、车辆的轮胎样式等因素有关。通过改变摩阻系数实现水平荷载的变化,并对比分析其对铰缝结构应力及变形的影响,发现水平荷载对铰缝结构中沿桥跨纵向的应力影响很大。(5)沥青混凝土铺装层厚度改变对铰缝结构的各项应力影响较大,增加铺装层厚度将减小铰缝结构的纵向拉应力最大值,其余应力随着铺装层厚度增加,在10cm~12cm之前衰减幅度很大,之后衰减幅度逐渐减缓。其中剪应力衰减较大,当厚度由4cm增加到20cm时,剪应力衰减最大近90.4％。可见,增加铺装层厚度对于降低铰缝结构剪应力效果明显。(6)沥青混凝土弹性模量随外界气温变化和荷载作用时间的改变变化很大,分析证明沥青铺装层的模量变大时,各应力均呈减小状态,而且增加铺装层弹性模量对铰缝结构的剪应力影响较大。(7)当铺装层厚度一定时,桥面铺装材料采用刚性的钢筋混凝土和钢纤维混凝土对铰缝结构受力性能更为有利。(8)通过改变铰缝结构弹性模量模拟不同等级的铰缝混凝土,发现随着铰缝弹性模量增加,铰缝结构的最大正应力及剪应力都呈现单调增加趋势,铰缝的竖向位移减小。(9)铰缝结构泊松比的变化对铰缝的各应力及挠度影响不明显。(10)桥面板与铰缝结构的接触状态比较复杂,研究发现接触条件变化对铰缝剪应力影响较大,铰缝结构和桥面板之间的良好粘结,对铰缝结构的受力性能有利。(11)通过改变梁体密度,发现在跨径和截面相同的情况下,减轻自重,对铰缝结构受力性能有利。(12)对铰缝常见加固方案进行对比分析,发现施加横向预应力筋效果最好。其次是加粗铰缝钢筋,但是采用该方法加固时不容易施工,不过在设计中适当加粗钢筋对新建桥梁还是有现实意义的。再次是铰缝底部及顶部增加钢板的方案,这两种方案不仅加固效果明显,而且施工也方便。中小跨径装配式空心板桥在内蒙古地区应用十分广泛。不过从已建成桥梁的使用状况来看,铰缝破坏病害比较突出。故本论文研究成果将及时服务于正在蓬勃发展的西部地区中小跨径桥梁工程建设,对提高工程质量,保证空心板桥的结构安全度及耐久性,减轻高速公路养护阶段的工作量以及节省大量的养护资金,促进当地社会经济的发展,都具有迫切性和重要意义。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究状况

1.2.1 板桥的特点及使用情况

1.2.2 装配式空心板桥铰缝的研究状况及构造形式

1.3 板桥的计算方法

1.4 本文的主要研究内容

第二章 空心板桥铰缝常见病害特征及产生原因分析

2.1 空心板桥病害调研

2.2 空心板桥铰缝破坏病害的一般特征

2.3 空心板桥铰缝破坏的原因

2.3.1 空心板桥铰缝破坏的设计原因

2.3.2 空心板桥铰缝破坏的施工原因

2.3.3 空心板桥铰缝破坏的运营原因

2.3.4 空心板桥铰缝破坏的其他原因

2.4 本章小结

第三章 基于ABAQUS 数值模拟的有限元理论

3.1 ABAQUS 软件简介

3.2 基于ABAQUS 分析空心板桥涉及到的非线性问题

3.2.1 材料非线性

3.2.2 材料非线性的处理方法

3.3 基于ABAQUS 对混凝土和钢筋的实现

3.3.1 混凝土本构关系

3.3.2 混凝土塑性损伤模型

3.3.3 钢筋本构关系的确定及基于ABAQUS 的模拟

3.3.4 ABAQUS 中钢筋和混凝土共同工作机理

3.4 接触非线性

3.4.1 接触非线性概念

3.4.2 接触边界条件分类

3.4.3 接触非线性有限元法

3.5 基于ABAQUS 对空心板桥接触的定义

3.5.1 接触状态的模拟

3.5.2 接触属性的确定

3.5.3 接触对的定义

3.6 本章小结

第四章 空心板桥静载实验与有限元模型验证

4.1 荷载试验概况

4.1.1 加载方式和试验工况

4.1.2 试验测试内容和方法

4.1.3 静载试验主要结果

4.1.4 结果评定

4.2 有限元模型的建立

4.2.1 有限元模型

4.2.2 网格划分

4.2.3 荷载处理和边界条件

4.2.4 分析步

4.3 有限元计算结果及分析

4.4 有限元结果与试验结果比较分析

4.5 有限元模型的进一步分析

4.6 本章小结

第五章 空心板桥铰缝受力性能研究

5.1 有限元计算模型的建立

5.2 空心板桥模型

5.3 荷位对铰缝受力性能的影响

5.3.1 横向荷位对铰缝结构受力性能的影响

5.3.2 纵向荷位对铰缝结构受力性能的影响

5.4 空心板桥铰缝受力性能分析

5.4.1 空心板桥铰缝纵桥向应力及变形情况

5.4.2 空心板桥铰缝横截面应力及变形情况

5.5 不同跨径空心板桥铰缝受力性能分析

5.5.1 分析指标

5.5.2 结果及分析

5.6 行车荷载对空心板桥铰缝结构的受力性能影响

5.6.1 超载作用对铰缝结构受力性能的影响

5.6.2 水平荷载对铰缝结构受力性能的影响

5.7 铺装层各参数对空心板桥铰缝结构受力性能的影响

5.7.1 铺装层厚度对铰缝结构受力性能的影响

5.7.2 铺装层弹性模量对铰缝结构受力性能的影响

5.7.3 铺装层材料对铰缝结构受力性能的影响

5.8 铰缝自身参数对铰缝结构受力性能的影响

5.8.1 弹性模量对铰缝结构受力性能的影响

5.8.2 泊松比对铰缝结构受力性能的影响

5.9 接触条件对空心板桥铰缝结构受力性能的影响

5.10 桥梁自重对空心板桥铰缝结构受力性能的影响

5.11 本章小结

第六章 空心板桥铰缝加固方案对比分析

6.1 有限元模型

6.2 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

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