公路钢筋混凝土梁桥的病害分析与受损后承载能力计算

摘要

公路交通是国民经济的命脉，桥梁是公路的咽喉，桥梁的良好使用状况是公路交通安全的重要决定因素，是保障公路畅通的必要条件。随着公路交通流量增长，桥梁承受着越来越重的负荷。公路桥梁的病害与损伤、承载能力降低、使用性能下降是一个日益严重的问题，桥梁的病害与构件损伤是普遍现象。在各类桥型中，以梁式桥居多。上部结构钢筋混凝土梁的病害对结构使用性能的下降占主导因素。对于存在先天质量缺陷或损伤的梁桥的上部结构，各种损伤、病害对构件承载能力的影响如何考虑，对于其承载能力和安全度如何分析与计算，目前尚没有统一的标准和方法，只能根据破坏程度按个人的经验进行折减和粗略估算，计算精度相当差。 为了准确评估病害对梁桥使用性能和承载能力的影响，指导加固设计和桥梁维护管理，本文依托于河北省交通厅《混凝土梁损伤及承载性能研究》的科研项目(课题编号Y-030201)对公路受损钢筋混凝土梁的病害进行了分析，损伤后的承载能力进行了研究。第一步病害分析中先结合桥梁技术状况调查对钢筋混凝土梁的损伤情况及其影响进行深入的调研和分析研究。归纳整理出了公路梁式桥上部结构的典型病害特征。然后对各类型的典型病害的成因、作用机理和对结构物的承载能力、耐久性等使用性能的影响以及各种病害间的交互作用与影响进行了深入的分析和讨论。 在损伤后承载能力分析方面，以前文献的钢筋混凝土梁承载能力研究中，以无破损理想状态钢筋混凝土梁受力全过程分析居多，对于病害因素的考虑较少。一些文献即便进行了研究，也只涉及一两种病害影响的分析。但由于公路桥梁使用状态的复杂性和工作环境的多样性，往往在一座桥上，甚至一片梁上常常同时存在多种典型病害，这些病害都能够对承载能力造成较为严重的影响。论文结合实际情况，考虑钢筋混凝土梁各种常见典型病害，建立了全面的受损钢筋混凝土梁有限元分析模型。选择了适合于钢筋混凝土梁承载能力分析的有限元模型和钢筋、混凝土、粘结力、裂缝以及各种典型病害损伤的有限元单元和有限元模拟方法，能够对绝大多数公路钢筋混凝土梁桥病害的影响进行分析，并实现了受力过程的微观、全程分析。 在研究过程中，主要进行了如下的创新性工作： 一、提出了基于受力特性的混凝土破损病害分类，提出了标准的受力分析方法，分别构造了各类型破损病害的有限元单元模型。 二、提出了基于病害调查和力学分析的公路钢筋混凝土梁损伤后承载性能评价方法以及相关指标--损伤承载力和承载力损伤系数。 三、对混凝土腐蚀病害程度进行分级，并提出了各级腐蚀病害的有限元模拟方法，还提出了腐蚀膨胀力荷载效应的有限元分析简易算法。 四、对钢筋锈蚀病害发展程度进行了分级，并提出了各级锈蚀病害的有限元模拟方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.1.1公路桥梁的使用情况调查

1.1.2受损钢筋混凝土粱承载能力研究工作的目的、意义和作用

1.2课题研究的内容与方法

1.2.1研究内容

1.2.2研究方法与步骤

1.3 小结

第二章 公路梁桥病害状况调查及其对钢筋混凝土梁损伤影响的分析

2.1公路梁桥病害情况及成因调研

2.1.1公路梁桥病害调查总体情况

2.1.2桥梁竣工年限与技术状况之间的关系

2.1.3桥梁荷载等级情况

2.1.4公路桥钢筋混凝土梁病害成因

2.2梁式桥的主要病害类型及其影响

2.2.1上部结构病害

2.2.2下部结构与基础病害

2.2.3附属结构病害

2.3 小结

第三章 钢筋混凝土梁的主要病害类型及其影响机理分析

3.1钢筋锈蚀

3.1.1钢筋锈蚀病害的危害

3.1.2钢筋锈蚀机理分析

3.2.3钢筋锈蚀的主要影响因素

3.2.4钢筋锈蚀病害对结构的影响

3.2混凝土的碱骨料反应

3.2.1碱骨料反应病害的危害

3.2.2碱骨料反应机理分析

3.2.3碱骨料反应的主要影响因素

3.2.4碱骨料反应病害对结构的影响

3.3钢筋混凝土的氯盐侵蚀

3.3.1钢筋混凝土氯盐侵蚀病害的危害

3.3.2混凝土氯盐侵蚀机理分析

3.3.3钢筋混凝土氯盐侵蚀病害的主要影响因素

3.3.4氯盐侵蚀病害对钢筋混凝土梁的影响

3.4混凝土碳化

3.4.1混凝土碳化病害的危害

3.4.2混凝土碳化的机理分析

3.4.3混凝土碳化的影响因素

3.4.4碳化对钢筋混凝土梁的影响

3.5钢筋混凝土梁裂缝分析

3.5.1钢筋混凝土裂缝概述

3.5.2钢筋混凝土梁宏观裂缝分类与开裂原因分析

3.5.3钢筋混凝土裂缝控制要求

3.5.4裂缝对混凝土受力状态的影响

3.5.5裂缝对刚度及变形的影响

3.6小结

第四章钢筋混凝土梁承载能力分析

4.1钢筋混凝土梁承载能力研究情况概述

4.1.1钢筋混凝土结构的受力特点承载力计算的发展过程

4.1.2钢筋混凝土结构承载力的国内外研究现状

4.2钢筋混凝土结构承载能力分类

4.2.1承载能力的定义

4.2.2承载能力的分类

4.2.3承载能力极限状态与正常使用极限状态

4.2.4钢筋混凝土梁的极限承载能力

4.3钢筋混凝土梁极限承载能力求解方法

4.3.1塑性极限分析方法

4.3.2截面分析法

4.3.3有限元法

4.4 小结

第五章 钢筋混凝土梁承载过程的非线性有限元分析基础

5.1钢筋混凝土结构有限元分析法

5.1.1有限元分析求解问题的步骤与方法

5.1.2钢筋混凝土结构有限元模型的选取

5.1.3钢筋混凝土结构的整体式模型

5.1.3钢筋混凝土结构的组合式模型

5.1.4钢筋混凝土的分离式模型

5.2钢筋混凝土梁有限元分析中的非线性问题

5.2.1钢筋混凝土结构非线性问题综述

5.2.2材料非线性分析

5.2.3几何非线性分析

5.2.4非线性方程求解

5.3小结

第六章 混凝土力学特性与病害的有限元分析

6.1混凝土材料本构关系

6.1.1混凝土本构关系的种类

6.1.2受拉混凝土本构关系模型

6.1.3受压混凝土本构关系模型

6.2混凝土破坏准则

6.3混凝土的有限元模型

6.3.1平面四边形单元

6.3.2 ANSYS中的混凝土单元

6.4混凝土破损病害的有限元分析

6.4.1混凝土破损病害及其成因

6.4.2混凝土破损病害受力分析方法及存在问题

6.4.3混凝土破损形态的分类及力学特性分析

6.4.4混凝土体破损的有限元模型

6.5混凝土开裂的有限元分析

6.5.1钢筋混凝土梁裂缝的受力特性

6.5.2混凝土的受力开裂及有限元处理方法

6.5.3钢筋混凝土裂缝的有限元模型

6.6混凝土腐蚀与碱骨料反应病害的有限元分析

6.6.1混凝土腐蚀的种类对钢筋混凝土梁的影响

6.6.2腐蚀混凝土的膨胀力

6.6.3腐蚀混凝土的本构关系

6.6.4腐蚀混凝土的强度

6.6.5混凝土腐蚀病害影响的有限元建模

6.7小结

第七章 钢筋的力学特性及其病害的有限元分析

7.1钢筋的力学性能

7.1.1钢筋种类与力学特性

7.1.2钢筋的本构关系

7.2钢筋的有限元模型

7.2.1两节点与三节点杆单元

7.2.2 ANSYS中的钢筋单元

7.3钢筋腐蚀病害的有限元分析

7.3.1钢筋锈蚀程度及对钢筋混凝土梁承载能力的影响

7.3.2锈蚀钢筋的本构关系

7.3.3坑蚀对钢筋受力性能的影响

7.3.4锈蚀钢筋的粘结力

7.3.5钢筋锈蚀病害的有限元建模分析

7.4 小结

第八章 钢筋与混凝土协同工作粘结滑移的有限元分析

8.1钢筋混凝土粘结机理分析

8.1.1钢筋与混凝土粘结力的组成

8.1.2不同类型钢筋的拉拔试验破坏形态

8.1.3钢筋混凝土梁粘结应力分布特征

8.1.4粘结力的影响因素

8.2粘结力的有限元计算分析

8.2.1粘结——滑移曲线模型

8.2.2反复荷载下粘结性能的改变

8.2.3钢筋混凝土粘结滑移的有限元模拟

8.3 小结

第九章 钢筋混凝土梁超载能力分析与损伤后承载能力的评估分析

9.1梁的过载破坏与承载曲线下降阶段的处理

9.1.1钢筋混凝土梁的破坏过程

9.1.2钢筋拉伸破坏的处理

9.1.3粘结破坏处理

9.1.4钢筋混凝土梁承载能力下降段的处理

9.2钢筋混凝土梁超载能力分析

9.2.1钢筋混凝土梁的超载能力

9.2.2钢筋混凝土梁超载能力的计算机分析过程与方法

9.3超载能力的分析实例及比对实验

9.3.1模型实验梁的设计

9.3.2模型实验梁的有限元分析

9.3.3实验过程及结果分析

9.4受损钢筋混凝土梁剩余承载能力分析

9.4.1受损钢筋混凝土梁损伤承载能力的概念及分类

9.4.2承载能力损伤系数的概念与应用

9.4.3受损钢筋混凝土梁损伤承载能力和承载能力损伤系数的计算分析

9.5 小结

结论

1主要创造性工作

2进一步的研究与设想

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢