大跨径预应力混凝土箱梁桥曲线底板破坏机理研究

摘要

预应力混凝土连续梁(刚构)桥施工方便、跨越能力强、适应能力强、造价经济等多方面的优势，在100～300m跨径中广泛使用。但经过近30年的工程实践，连续梁(刚构)桥在使用中的各种问题不断暴露出来，如梁体裂缝、主梁过大变形等。为减小桥梁变形、控制裂缝发生，设计中常需在变高度连续箱梁中跨曲线底板内施加足够的纵向预加应力，目前常用的解决办法之一是采用大量的大吨位预应力束。这种情况下，箱梁底板将处于高开孔率、高预应力状态，在近几年预应力混凝土箱形连续梁(刚构)桥施工中，经常出现箱梁底板在合龙束张拉过程中发生沿底板孔道上下层混凝土整体破坏的工程事故。
　　 工程界、学术界对该类型破坏已进行了长期、大量的事故原因分析，但研究成果大都停留在定性分析层面，并未明确提出控制该类型事故的有效方法。近两年来箱梁底板崩裂现象的持续频发，再次引起了工程界的重视，同时也说明目前还没有认识到底板崩裂的真正成因。为此，本文在精细化有限元分析的基础上，首次利用基础性试验研究方法进行变高度箱梁底板的破坏机理研究，明确了导致该类型事故的关键因素，完善了单箱单室截面箱梁底板设计方法。主要完成了以下几个方面的工作：
　　 (1)对变高度混凝土箱梁曲线底板破坏的事故特点以及研究现状进行了调研分析，并总结了我国桥梁规范在变高度单箱单室箱梁桥设计中的不足。同时，确定了子模型方法和单元生死技术作为钢筋混凝土曲线板构件开裂分析的建模分析方法。
　　 (2)运用大型空间有限元程序ANSYS的非线性计算功能，对某典型破坏事故进行考虑材料非线性的箱梁底板破坏机理精细化数值分析，重现了破坏全过程。并根据箱梁底板在施工过程中所处状态和受力特点，分析了底板裂缝出现的机理、破坏路径以及底板不同类型普通钢筋的作用机理。
　　 (3)结合变高度混凝土箱梁曲线底板开孔率大、高预应力的特点，开展其力学性能的基础性试验研究，真实模拟曲线底板的空间受力状态。通过多组参数对比试验分析，明确了高开孔率混凝土底板在高应力状态下裂缝产生、发展的机理，进一步验证和完善有限元分析中对箱梁底板破坏机理及普通钢筋尤其是竖向拉筋作用机理的认识。
　　 (4)从设计和施工角度，对影响变高度混凝土箱梁曲线底板受力性能的关键因素进行参数化分析，如箱梁底板梁底线形、预压应力水平、底板宽度、拉筋配置水平、孔道净距、孔道定位误差、合龙高差等，以获得对底板受力较为敏感的因素，从而为优化箱梁底板设计方法和关键施工误差控制要求的确定提供依据。
　　 (5)结合现有桥梁设计规范对箱梁截面设计的规定，从箱梁整体受力和底板局部受力两个方面，对单箱单室截面箱梁底板的设计过程进行了提炼优化。并根据本文有限元和模型试验研究结果，从板件设计层面，对大跨径单箱单室截面箱形连续梁(刚构)桥的底板构造设计和配筋方法提出了合理建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1问题的提出与研究意义

1.2混凝土箱梁曲线底板破坏事故原因的研究现状

1.2.1计算分析方法

1.2.2设计思路

1.2.3施工方面

1.2.4基础性研究

1.3预应力混凝土箱形梁桥设计规范的不足

1.3.1国内外相关规范规定现状

1.3.2我国04桥梁设计规范中的不足

1.4本文主要研究内容

第2章 典型箱梁底板崩裂事故分析

2.1引言

2.2事故背景工程

2.2.1背景工程

2.2.2事故描述

2.3有限元分析模型

2.3.1计算方法说明

2.3.2整体模型

2.3.3子模型

2.3.4分析工况说明

2.4线弹性分析结果

2.4.1合龙束张拉前

2.4.2合龙束单项作用下

2.4.3合龙束张拉完成

2.5考虑材料非线性的开裂分析结果

2.5.1考虑全部普通钢筋模型的底板开裂过程分析

2.5.2未设置竖向拉筋时底板开裂过程分析

2.5.3未设置底板横向钢筋时底板开裂过程分析

2.5.4纵横向普通钢筋应力变化

2.5.5箱梁底板破坏机理分析

2.6本章小结

第3章 箱梁曲线底板受力性能模型试验研究

3.1引言

3.2箱梁曲线底板缩尺模型试验设计

3.2.1试验目的

3.2.2模型总体设计

3.2.3试验分组

3.2.4试验材料

3.2.5试验加载方案

3.2.6试验测点布置

3.2.7试验仪器设备

3.2.8试验流程

3.3构件试验现象描述

3.3.1预备试验构件Al～A3

3.3.2SA～SD组构件

3.3.3SE组构件

3.3.4试验现象比较

3.4试验结果分析

3.4.1底板宽度参数(SA组构件)

3.4.2拉筋配置水平参数(SB组构件)

3.4.3板件曲率参数(SC组构件)

3.4.4纵向应力水平参数(SD组构件)

3.4.5张拉孔道位置参数(SE组构件)

3.4.6试验构件曲线底板破坏机理分析

3.5试验结果与数值分析比较

3.5.1有限元分析方法说明

3.5.2线弹性结果比较

3.5.3非线性分析结果与构件实际破坏过程对比

3.6本章小结

第4章 箱梁曲线底板受力性能影响参数分析

4.1引言

4.2有限元模型说明

4.3计算参数对箱梁空间应力的影响分析

4.3.1泊松效应对空间应力状态影响分析

4.3.2温度作用对箱梁框架受力的影响分析

4.4单箱单室箱梁底板结构参数影响分析

4.4.1底板宽度影响分析

4.4.2孔道保护层厚度影响分析

4.4.3底板厚度影响分析

4.4.4孔道净距影响分析

4.4.5梁底线形抛物线指数影响分析

4.5施工中不确定因素的影响分析

4.5.1波纹管定位误差影响分析

4.5.2悬臂端合龙高差影响分析

4.5.3孔道位置混凝土质量下降影响分析

4.6本章小结

第5章 单箱单室箱梁底板合理设计方法研究

5.1引言

5.2预应力混凝土箱梁设计过程分析

5.3单箱单室箱梁底板结构参数设计建议

5.3.1单箱单室箱梁梁底线形

5.3.2底板合龙束吨位限制

5.3.3底板保护层厚度及竖向拉筋的设计

5.3.4底板预应力孔道直径及孔道间距

5.3.5单箱单室箱梁底板宽度及厚度

5.3.6底板横向普通钢筋的设计

5.4箱梁底板横向计算方法讨论

5.4.1 04规范关于梁肋整体连接板的计算

5.4.2横向框架模型计算

5.4.3常规局部分析模型

5.4.4全桥整体模型

5.4.5本文子模型方法

5.4.6箱梁底板横向计算方法比较

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1研究主要结论

6.2进一步研究方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文及研究成果