曲线预应力混凝土箱梁桥支座反力及承载力试验研究与数值分析

摘要

本文回顾了曲线预应力混凝土(Prestressed Concrete，PC)箱梁桥的理论研究现状和工程应用概况，在此基础上，针对相关病害特征和研究工作的不足，主要对曲线PC箱梁桥支座反力和极限承载力展开了研究工作。本文主要完成了以下几个方面的工作： (1)采用曲线PC箱梁室内模型，对支座设置及支座反力进行了参数试验研究。首次进行了预应力对支座反力影响的专项模型试验研究。根据试验结果总结了调整抗扭支座和中支座位置来改善支座反力分配的方法；总结了预应力作用对曲线PC箱梁产生的外扭转不利效应，得到了预应力引起的支座反力变化的基本规律。 (2)采用室内试验模型，对曲线PC连续箱梁的承载力进行了试验研究。根据试验结果得到了对称竖向荷载作用下，试验模型的非线性力学特点和变形规律，总结了曲线PC箱梁的受力控制截面，混凝土裂缝的分布和发展以及整体结构的破坏形态，为这种结构的设计和应用提供了详实的试验资料和依据。 (3)根据曲线PC箱梁的空间受力特点，确定了有效预应力的计算方法和参数取值，提出了预应力效应的模拟方式，采用基于实体单元的组合有限元法，提出了适合于曲线PC箱梁桥支座反力精细分析的数值模型。该模型能模拟预应力钢束实际线形以及曲线箱梁的构造细节，克服了杆系分析模型支座反力计算误差大的缺陷。与试验结果的比较表明：该数值方法具有直观、详实、精确、可靠的特点。通过对工程实例桥的分析总结了支座反力的分布规律。 (4)根据曲线PC箱梁桥支座受力特点和相关病害，提出引入铅销橡胶支座隔震装置。对曲线PC箱梁桥隔震支座体系进行非线性动力时程分析，总结了曲线箱梁桥地震动的输入方式和地震响应特性，研究了铅销橡胶支座的减隔震效果和适用性。结果表明：将铅销橡胶支座与常用限位辅助设计结合应用，既可以减轻常见病害，同时避免了限位装置带来的不利影响，值得推广应用。 (5)基于实体单元的组合非线性有限元法，研究了局部构件的模拟、网格的控制、钢筋与混凝土的分析模型以及混凝土材料非线性分析模型，提出了适合于曲线PC箱梁桥极限承载力精细分析的数值模型。通过采用多单元类型和细分网格，克服了混凝土结构非线性分析计算收敛困难的缺陷。 该数值方法摒弃了简化分析关于结构应力和变形的假定，能计入箱梁的翘曲、畸变以及剪力滞等空间力学效应，可以清晰的描述混凝土裂缝的发生、发展、相互作用以及最后形成宏观压溃及破裂的整个过程。该数值方法算得的结构变形、应变及破坏形态与试验结果吻合良好，计算精度高，结果详实可靠。 (6)依据验证后的分析方法，建立了理想的曲线PC连续箱梁精细数值模型，研究了 中支座设置、曲率以及预应力等参数对承载力的影响。根据计算结果总结了相关因素对曲线PC箱梁桥承载变形、应变规律和破坏形态的影响。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.2曲线梁计算理论研究现状

1.2.1解析法

1.2.2数值方法

1.2.3一维有限元法的两个问题

1.3曲线混凝土箱梁研究概况

1.3.1支座设置研究

1.3.2预应力效应

1.3.3曲线梁桥的抗震研究

1.4曲线混凝土箱梁试验研究概况

1.5曲线梁非线性分析研究概况

1.6本文研究的主要内容

1.6.1存在的问题

1.6.2主要研究内容

第二章 曲线混凝土箱梁支座反力试验研究

2.1引言

2.2试验目的和内容

2.2.1试验目的

2.2.2试验内容

2.3试验模型设计与制作

2.3.1模型构造

2.3.2模型材料

2.3.3模型制作

2.4试验装置与加载

2.4.1试验装置

2.4.2支座反力参数试验加载

2.4.3预应力张拉支座反力试验加载

2.5试验结果与分析

2.5.1支座反力参数试验

2.5.2预应力张拉支座反力试验

2.6小结

第三章 曲线PC箱梁桥承载力试验研究

3.1引言

3.2模型构造与加载

3.2.1模型构件尺寸

3.2.2材料试验

3.2.3加载装置及测试仪器

3.2.4测点布置

3.2.5试验步骤

3.3试验结果

3.3.1基本过程

3.3.2荷载变形关系

3.3.3荷载应变关系

3.3.4裂缝发展与分布

3.4小结

第四章 曲线混凝土箱梁支座反力空间分析

4.1引言

4.2支座反力预应力效应分析

4.2.1预应力径向力

4.2.2预应力径向力的不利影响

4.3精细数值模型

4.3.1曲线箱梁三维组合有限元数值模型

4.3.2曲线预应力钢束摩阻损失

4.4数值分析与试验结果的比较

4.4.1试验梁数值模型

4.4.2结果比较

4.5工程实例分析

4.5.1分析模型

4.5.2计算结果

4.6小结

第五章 曲线箱梁桥隔震支座体系研究

5.1引言

5.2铅销橡胶支座分析模型

5.2.1铅销橡胶支座

5.2.2铅销橡胶支座非线性分析模型

5.3曲线箱梁桥隔震非线性分析

5.3.1分析模型

5.3.2非线性动力时程分析

5.3.3地震动的输入

5.4算例

5.4.1概况

5.4.2分析模型

5.4.3分析工况

5.4.4计算结果分析

5.5小结

第六章 曲线PC箱梁桥极限承载力分析

6.1引言

6.2非线性组合有限元分析方法

6.2.1 ADINA软件介绍

6.2.2精细数值模型

6.2.3材料模型

6.3数值分析与试验结果的比较

6.3.1试验梁数值模型

6.3.2变形与应变

6.3.3破坏形态

6.3.4分析结论

6.4曲线PC箱梁承载力影响因素分析

6.4.1分析模型

6.4.2中支座位置影响

6.4.3曲率变化影响

6.4.4预应力影响

6.4.5影响因素分析主要结论

6.5小结

结论与展望

1.本文主要研究成果与结论

2.对设计的一些建议

3.进一步研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果

致谢