火灾过程预应力混凝土梁桥力学性能分析及灾后评价方法

摘要

目前我国道路桥梁基础建设发展迅速，高速公路中桥梁的比例较高，而且多为箱型截面的预应力混凝土梁式桥。伴随而来的是各类桥梁灾害频发，其中火灾对桥梁的结构安全造成了严重威胁，甚至存在着导致桥梁垮塌的风险。因此，有必要对预应力混凝土箱梁桥在火灾高温下的抗火性能进行研究。由于火灾试验的费用较高、缩尺模型存在缩尺比问题、并且不能模拟复杂边界条件，本文通过有限元方法针对预应力混凝土箱梁桥进行了高温下桥梁结构力学性能分析，并对灾后预应力桥梁评价方法进行了深入研究。主要内容如下：
　　研究了国内外有关混凝土和预应力钢筋的热工参数随温度变化规律，进行对比分析，确定出适用于预应力箱梁桥温度场分析所需的热工性能指标。并对国内外有关混凝土和预应力钢筋的高温下及高温后各项力学性能指标随温度变化规律进行了研究，确定出适用于预应力箱梁桥位移场分析所需的热力参数指标。
　　基于热力学基本原理，推导有限元求解温度场的基本方法和步骤。采用瞬态分析法，对箱梁跨中截面火灾温度场进行非线性分析，获得了在标准升温曲线下的箱梁火灾温度分布规律。并通过对ANSYS的二次开发，编制了温度场计算软件，为高温桥梁截面温度场分布的确立提供的依据。
　　对有限元法求解有粘结预应力结构位移场的过程进行了理论推导。并在此础上，采用热-结构间接耦合的方法，主要对预应力混凝土箱梁桥的高温位移场进行了非线性求解分析，并对受火时间、受火位置、翼缘板长度、外荷载大小、预应力度、配束率、保护层厚度、截面尺寸、跨径长度及混凝土强度等级等影响因素进行了计算分析，获得了它们对箱梁跨中挠度的影响规律。通过以上敏感参数的分析计算确定预应力箱梁桥火灾高温下影响结构受力的主要因素，为预应力箱梁抗火设计提供依据。
　　提出了针对预应力混凝土梁桥高温受火后的受损诊断程序，基于多级模糊综合评价法，确定预应力混凝土桥梁评价因子及其权值，采用横张增量法进行灾后有效预应力测试，建立了有关预应力损失、混凝土强度折减及梁体烧损深度的评价模型，为预应力混凝土桥梁火灾后评估加固提供依据。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3火灾后混凝土的损伤评价方法综述

1.4存在的主要问题

第二章 火灾高温过程预应力砼梁桥材料热工特性和力学性能

2.1混凝土的热工特性

2.2火灾高温下混凝土的力学性能

2.3高温后混凝土的力学性能

2.5高温下1860预应力钢束的力学性能

2.6本章小结

第三章 混凝土梁桥热-力耦合方法与火灾高温场计算系统

3.1引言

3.2火灾环境场的建立

3.3数值传热求解流程

3.4非稳态传热有限元法

3.5初始条件与边界条件

3.6箱梁高温场影响因素数值分析

3.7火灾高温场计算系统

3.8本章小结

第四章 高温下预应力混凝土箱梁变形敏感参数分析

4.1预应力箱梁模型设计

4.2耐火极限判别标准

4.3有限元分析模型的建立

4.4位移场求解结果及特征

4.6本章小结

第五章 预应力混凝土梁桥损伤评价方法

5.1引言

5.2预应力混凝土梁桥受损诊断程序

5.3基于灾后温度场的评价法

5.4基于灾后材料强度的评价法

5.5有效预应力测试评价法

5.6基于多级模糊综合评价法

5.7火灾后预应力混凝土桥梁性能综合评价

5.8本章小结

第六章 工程实例

6.1 火灾工程概况

6.2火灾现场调查与评定

6.3火灾后结构现状测试

6.4火灾后预应力混凝土桥梁综合评判

6.5本章小结

第七章 结论与展望

主要研究结论

主要创新之处

展 望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

附 录

致谢