大跨径PC连续体系箱梁桥时变效应仿真分析与试验研究

摘要

国内外不同服役期限的大跨径PC连续体系桥梁在使用过程中凸显出众多病害，一些桥梁出现了严重问题，乃至个别桥梁不能正常使用，造成部分技术人员和建设管理人员对预应力混凝土连续体系箱形梁桥的恐惧心理或偏见，甚至有完全否定这种桥型的倾向，已引起社会公众和管理者的高度重视。认识和深入分析大跨径PC连续体系桥梁时变效应是确保大桥正常施工及安全运营的重要环节。开展大跨径PC连续体系桥梁时变效应研究，具有重要的理论意义与工程实用价值。 本文作为国家西部交通建设科技项目“大跨径预应力混凝土连续刚构桥、连续箱梁桥开裂成因及处治技术研究”和“大跨径预应力混凝土梁桥主梁下挠原因分析及对策研究”理论支撑，以河南白河特大桥、贵州沙银沟特大桥为背景工程，跟踪桥梁的建设过程，以建设过程的工地现场实测和实验室试验研究，采用仿真分析对大跨径连续体系梁桥的温度时效理论、温度梯度、水化热时变效应、收缩徐变时变效应等方面进行系统试验研究及理论分析。为上述两项目的顺利完成打下基础。 在收缩徐变时变效应研究中，通过现场、实验室实测拟合的收缩徐变曲线与我国现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规范(以下简称04规范)、AASHTO规范的对比分析，得出利用Dirichlet级数拟合的现场、实验室收缩徐变曲线与AASHTO规范非常接近，因此采用AASHTO收缩徐变模型考虑收缩徐变的结构挠度计算结果更接近工地实际情况，而按04规范推荐收缩徐变公式的计算值大于AASHTO及实测拟合公式的值；通过采用不同收缩徐变公式对背景工程应力及预应力损失等指标的系统分析得出，采用拟合公式及AASHTO公式预测的各项力学指标在趋势及量值较为接近，而采用04规范预测的混凝土应力、预应力损失与其它方法预测结果相比，偏差较大，甚至某些指标规律相反，值得引起设计重视；收缩徐变对桥梁结构的挠度影响较大，尤其对中跨跨中挠度的影响比较明显，采用04规范收缩徐变公式预测的挠度变化大于采用AASHTO规范及实测拟合公式的预测值；混凝土收缩徐变对截面应力影响随时间的延长而不断增大，成桥之后，混凝土收缩徐变有使控制截面上、下缘应力向更不利方向发展的趋势。 在温度梯度分析中，通过现场实测及引入光强分解原理模拟混凝土箱梁温度场表明，温度沿腹板高度和横向存在明显的温差现象，除竖向存在温度梯度外，在一侧腹板背光的情况下存在明显的横向温度梯度，首次构造了二维温度梯度模式。横向温度梯度使结构产生横向弯曲变形，但对结构竖向变形影响较小。结构横向变形值及应力与横向温度梯度及桥梁方位有关； 在水化热时变效应分析中，从时效的角度出发，综合考虑各种因素提出水化热温度场时效模式，不仅能很好地模拟实测数据，而且能比较准确地描绘预应力连续箱梁0＃块混凝土早期水化热温度场变化规律；计算结果表明，在腹板与底板、腹板与顶板、腹板与横隔板相交处混凝土产生大量水化热，导致浇注温度很高，并向表面依次降低；箱梁大体积混凝土内部向表面温度梯度越来越大，混凝土体内呈压应力、表面呈拉应力状态，易导致混凝土早期开裂病害发生。 通过本文的研究，并与已有的研究成果对比分析，本研究创新成果有： 基于现场与实验室实测拟合施工所需的混凝土收缩徐变预测模型，并据此进行了对比分析，提出了理想模型--根据依托工程箱梁混凝土节段施工周期，通过组合系数预测成桥若干年后的收缩徐变值，使收缩徐变计算参数更加符合实桥情况，提高了计算精度。 基于实测温度场及光强分解建立混凝土箱梁二维温度梯度--引入光强分解与地面反射原理，结合依托工程实测日照温度场，首次提出混凝土箱梁二维温度梯度模型。 预应力混凝土箱形梁水化热时效模型的建立及求解--综合考虑温度、混凝土早期强度的形成、混凝土水泥水化放热、对流边界条件和混凝土抗拉强度受温度时变效应影响，建立水化热时效模型，结合浇注时差及工程中常用分层方式，进行了水化热温度场模拟及其效应数值分析，得出了重要有价值结论。 本文研究成果不仅为国家西部项目的顺利完成奠定基础，对我国大跨径PC混凝土连续体系桥梁时变效应及混凝土水化热、温度场、收缩徐变领域的研究亦有一定的借鉴意义，可供我国大跨径预应力混凝土桥梁建设参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究背景及意义

1.3大跨径PC箱梁桥时变效应研究现状

1.3.1徐变效应

1.3.2温度效应

1.4本文研究内容及方法

第二章混凝土时变效应分析基本理论

2.1混凝土徐变

2.1.1基本理论

2.1.2规范方法

2.1.3 DirichLet级数拟合试验数据法

2.2混凝土收缩

2.3温度场的有限元理论

2.3.1基本方程

2.3.2温度场的求解

2.4太阳辐射

2.4.1太阳直射

2.4.2太阳散射

2.4.3地面反射

2.5混凝土箱梁日照温度效应

2.5.1气温变化

2.5.2日照温度效应

2.6混凝土水化热温度场效应

2.6.1水泥水化热

2.6.2混凝土绝热温升

2.7水化热温度场时效模式

2.7.1温度场时效原理

2.7.2水化热时效模型

2.8水化热损伤分析模型

2.8.1应变场分析

2.8.2水化热损伤模型

2.9小结

第三章 大跨径PC箱梁桥时变效应及其对结构影响研究

3.1引言

3.2数据采集

3.2.1试验过程

3.2.2实测数据分析

3.2.3拟合公式与现行规范对比分析

3.3数值分析模型

3.4收缩徐变对混凝土箱梁变形影响分析

3.5收缩徐变对箱梁截面应力的影响分析

3.6收缩徐变对关键截面应力影响分析

3.6.1支点截面

3.6.2跨中截面

3.7收缩徐变对预应力影响

3.7.1顶板束应力损失

3.7.2底板束应力损失

3.8小结

第四章 大跨径PC箱梁日照温度试验分析及二维温度梯度研究

4.1引言

4.2依托工程Ⅰ日照温效实测与分析

4.2.1现场测试

4.2.2试验桥梁温度场分析

4.3依托工程Ⅱ截面温度场数值模拟

4.3.1计算参数

4.3.2空间计算模型

4.3.3热交换系数的确定

4.3.4空气介质综合温度Tf的确定

4.3.5计算参数和边界条件

4.3.6箱梁截面温度场计算

4.4依托工程Ⅱ箱梁截面温度分布规律

4.4.1箱梁顶板温度分布规律

4.4.2箱梁底板温度分布规律

4.4.3箱梁腹板温度变化规律

4.4.4箱梁竖向温度变化规律

4.5混凝土箱梁温度梯度模式

4.5.1一维温度梯度简述

4.5.2二维温度梯度

4.6温度梯度模式影响对比分析

4.6.1一维温度梯度影响分析

4.6.2二维温度梯度影响分析

4.7小结

第五章大跨径PC箱梁混凝土水化热时变效应测试与分析研究

5.1引言

5.2温度应力场求解参数

5.2.1混凝土弹性模量

5.2.2温效抗拉强度

5.3水化热温度场及温效仿真分析

5.3.1现场实验测点布置

5.3.2有限元模型和边界条件

5.3.3温度场分析

5.3.4应力场分析

5.3.5位移场分析

5.3.6应变损伤场分析

5.4小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

博士研究生期间发表的论文

致谢