预应力活性粉末混凝土低高度T梁优化设计与全过程分析

摘要

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)作为一种新型混凝土材料，具有超高强度、高耐久性、高韧性和体积稳定性，其性能与普通、高强混凝土相比具有更大的优越性，在国际上已引起了高度的重视。但目前对RPC的科研成果多集中于材料配比优化和基本力学性能研究方面。为了填补我国在RPC结构领域的空白，在铁道部科技研究开发基金的资助下，北京交通大学土木建筑工程学院研制了铁路跨度20m预应力活性粉末混凝土低高度T型梁，并已用于实际工程。 经过静载试验测试表明，此次研制的低高度梁能达到各项力学性能指标要求，且有较大富余。因此，对RPC低高度T梁进行优化设计研究，并对优化前后的低高度T梁进行全过程分析，从而为RPC在桥梁工程中的应用提供设计理论和设计方法将有极其重要的意义。 首先，本文基于ANSYS软件尺寸优化设计模块，采用零阶法与一阶法相结合，对铁路跨度20m预应力活性粉末混凝土低高度T梁进行尺寸优化；选取RPC和预应力钢绞线总造价为目标函数，以T梁最大主拉应力和最大挠度为约束条件，通过对T梁顶板厚度、底板厚度、腹板厚度和预应力钢绞线面积的优化，从而达到优化T梁材料用量，充分发挥RPC材料性能，最终降低T梁工程造价的目的。 其次，通过编制程序，对优化前后的RPC低高度T梁进行了全过程分析。分析共分两部分：一、非预应力活性粉末混凝土T梁分析，主要分析了不同配筋率下的抗弯承载力随上翼缘压应变变化关系、截面应力分布、截面极限承载力简化计算方法、截面抗裂性分析及简化计算方法；二、预应力活性粉末混凝土T梁分析，共对优化前后的两种截面三种配筋状态下的抗弯承载力进行分析。 最后，整理并分析了在沙城桥梁厂进行的RPC低高度T梁(实梁)静载试验数据。 本文作为一种尝试性研究，为今后RPC在结构领域的应用与研究提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1前言

1.2研究背景与意义

1.2.1低高度T梁应用现状及存在的问题

1.2.2活性粉末混凝土新型材料的问世

1.2.3研究的意义与工程经济价值

1.3活性粉末混凝土(RPC)的研究现状

1.3.1国内外研究现状

1.3.2活性粉末混凝土(RPC)的组成材料及制备

1.3.3活性粉末混凝土(RPC)的主要性能指标

1.3.4活性粉末混凝土材料发展前景及现阶段存在的问题

1.4本文的研究目的与内容

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

2有限元优化设计原理及ANSYS实现过程

2.1有限单元法介绍

2.1.1有限元法基本原理和方法

2.1.2有限元法的基本要素

2.1.3有限元法分析过程

2.2最优化设计方法

2.2.1基本概念

2.2.2工程结构优化设计发展

2.3有限元软件ANSYS简介

2.3.1通用前处理模块PREP7

2.3.2求解模块SOLUTION

2.3.3通用后处理模块POST1和POST26

2.4利用ANSYS进行优化设计

2.4.1 ANSYS与优化设计

2.4.2 ANSYS优化设计的步骤

3活性粉末混凝土低高度T梁优化设计与结果分析

3.1优化设计概述

3.1.1设计依据

3.1.2设计荷载

3.1.3所用材料及其各项基本数据

3.1.4优化设计基本截面

3.2 ANSYS有限元模型建立方案

3.2.1混凝土单元的选取

3.2.2钢筋单元的选取

3.3设计变量、约束条件及目标函数

3.3.1设计变量

3.3.2约束条件

3.3.3目标函数

3.4优化设计结果与分析

3.4.1优化结果

3.4.2结果分析

3.4.3优化后截面

4活性粉末混凝土低高度T梁全过程分析

4.1全过程分析概述

4.1.1基本假定

4.1.2几何(变形)条件

4.1.3物理(本构)关系

4.1.4力学(平衡)方程

4.1.5预应力的考虑方法

4.1.6基本截面

4.1.7程序算法简介

4.2非预应力活性粉末混凝土T梁计算结果与分析

4.2.1承载能力

4.2.2截面应力

4.2.3截面极限承载力计算方法

4.2.4截面抗裂性分析

4.3预应力RPC T梁计算结果与分析

4.3.1承载能力

4.3.2截面抗裂性分析

5静载实验研究

5.1实验研究内容

5.2实验仪器设备及测点布置

5.2.1实验仪器设备

5.2.2实验测点布置

5.3实验加载计算

5.3.1计算依据

5.3.2实验梁设计资料

5.3.3各级加载荷载计算

5.4试验加载准备

5.5加载试验分析

5.5.1第一循环加载阶段试验结果分析

5.5.2第二循环加载阶段试验结果分析

5.5.3第三循环加载阶段试验结果分析

6结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

作者简历