受腐蚀高速铁路箱梁抗弯性能试验与数值模拟研究

【摘要】 摘要：高速铁路在中国发展迅速,桥梁结构在高速铁路建设中使用广泛,而高铁桥梁结构大量采用32m预应力混凝土简支箱梁,预应力混凝土结构使其耐久性明显提高,但高速铁路在100年的服役过程中不可避免地收到各种外界因素侵蚀,尤其是沿海氯盐环境。而高速铁路预应力箱梁因腐蚀而发生的破坏属于脆性破坏,征兆小,危害极大。因此,有必要展开针对于受腐蚀高速铁路箱梁力学性能的研究。高速铁路箱梁在服役过程中,以受弯为主,因此,针对受腐蚀高速铁路箱梁的抗弯性能,论文主要工作及成果如下：(1)通过模型试验研究受腐蚀高速铁路箱梁抗弯承载力的退化规律,共设计8根不同腐蚀率的缩尺模型试验梁,进行静载试验。结果显示：随腐蚀率的增加,试验梁抗弯承载力和延性下降,破坏形式趋向于少筋破坏。(2)针对受腐蚀预应力混凝土梁开展理论分析研究,提出了考虑平截面假定验算条件的受腐蚀预应力梁抗弯承载力评估计算方法,对本文试验梁进行了计算,与试验结果进行了对比可知该评估计算方法是合理的；对其他已有试验梁进行了计算,对比试验结果可知该方法对受腐蚀后张预应力梁较为适用,对先张预应力梁不适用。(3)采用大型有限元软件ABAQUS对本文试验梁进行了数值模拟分析,并将分析结果与试验及理论分析结果进行了对比,结果显示：试验梁弯矩-挠度曲线与试验结果在曲线左右两端基本一致,中间变刚度段存在一定偏差；抗弯承载力值(绝对值)与试验值较为吻合,与理论计算值也较为接近；抗弯承载力下降率(相对值)略低于试验值和理论计算值,变化规律一致,可近似认为试验梁抗弯承载力下降率符合这一规律。 

1绪论

1.1研究背景及意义
近几年来，随着中国经济的腾飞，由于社会发展的需要，中国高速铁路"四纵四横”及三个城际快运系统的发展规划正在一步步实现，一条条高速铁路在神州的版图上延伸开来。与日本和欧洲相比，中国的高速铁路起步较晚，但发展速度远远在其之上。2008年，京津城际铁路开通，这是我国首条时速超过300公里的高铁线路，同时，也拉开了中国高铁大发展的序幕。随后，2009年武广客运专线通车，2011年京沪高铁通车，2012年底京广高铁全线通车等等。截止2014年3月，我国己建成投入运营的高铁总里程达1.1万余公里，居世界第一位。据中国铁路部门规划，2015年底，我国高铁总里程将达2万余公里；2020年底，高速铁路里程将达3万公里。高速铁路的运行速度快，对舒适和安全要求高，因此髙铁结构必须具备刚度"大、晓度小及平稳性好等特点。预应力混凝土桥梁的可以满足高速铁路运行的所?有要求，因此在高速铁路建设中广泛采用。例如，武广客运专线全长868km,桥梁长度达352公里，桥梁占全长的40.6%，其中使用简支箱梁的长度为331公里，为桥梁长度的94%⑴；京沪高铁全长1318公里，桥梁长度达1060公里，桥梁占全长的80.7%，其中使用简支箱梁的长度为956公里，为桥梁长度的90%[2]。在髙速铁路桥梁建设中，我国大量采用预制32in预应力简支箱梁。在高速铁路服'役过程中，简支箱梁受力情况为以受弯为主。
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1.2受腐独预应力结构研究现状
目前，对于受腐烛预应力结构的研究，可分为受腐烛预应力筋试验研究、受腐烛预应力梁试验研究以及受腐烛预应力梁数值模拟研究。通常，国内外学者大多采用试验方法研究预应力筋腐烛问题。如何在试验室条件下较快速度获得与真实环境绣烛情况相同或相近的诱烛试件成为研究的一个重点。在这里，快速和真实显然是最关键的。基本上，所有的试验预应力筋腐烛方法都是一个原理——腐烛环境的模拟，通过模拟真实的腐烛环境，控制和放大对锈烛加速的因素，达到快速制备接近于真实腐烛环境下绣烛状况的试件。通过总结国内外关于预应力筋腐烛方面的研究，可大致将腐烛模拟方法分为以下几类：腐烛液模拟法、内掺盐和外浸盐法、人工气候模拟腐烛法、通电加速锈烛法和有限元模拟方法。可以看出，腐烛液模拟法多用于预应力筋应力腐烛方面的研究;氯盐环境下加速腐烛预应力筋常常采用内掺盐和外浸盐法，以研究预应力筋腐烛后的形态和力学特性—般只在需要进行十分严格的环境参数控制时，才使用人工气候模拟腐烛法;通电加速锈烛法在国内外应用就非常广泛了，因为可以方便快捷的获得锈蚀试件，而且可以通过法拉第定律较为精确的控制诱蚀率，用以研究预应力筋腐烛后的力学性能等;有限元模拟方法一般与试验方法同时使用，用以比较和验证试验结果[36]。
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2缩尺模型试验梁设计制作与腐烛方案

2.1引言
本章介绍了高速铁路32m箱梁的具体参数，并通过相似理论设计了用于研究的缩尺模型试验梁；介绍了通电加速腐烛方案，对8跟模型试验梁进行加速腐烛。梁体混凝土采用C50高性能湿混凝土，水泥采用P.042.5级普通桂酸盐水泥；粉煤灰采用F类I级粉煤灰。矿粉采用S95级磨细矿渣粉。细骨料采用级配良好、吸水率低的洁净天然河沙。粗骨料釆用级配合理、粒形良好的洁净碎石，粒径分为5-10mm和10~20mm两种规格，二级级配。减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂。拌合与养护用水均为日常饮用水。非预应力钢筋采用HPB235和HRB335钢筋。预应力钢绞线采用1x7-15.2-1860级钢绞线，磨具包含螺旋筋、锚垫板、工作销、工作夹片以及限位板、工具描、工具夹片等。管道压楽剂符合TB/T3192《铁路后张法预应力混凝土梁管道压衆技术条件》。
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2.2缩尺模型试验梁几何尺寸设计
如果直接采用32m箱梁原型进行试验研究，从经济上考虑不合理，因此，往往采用缩尺模型来进行试验研究。缩尺模型设计的理论基础是相似理论，即模型与原型要保持一定的相似关系，包括几何相似、质量相似、荷载相似、物理相似、时间相似、边界条件相似等。由于本次研究只针对箱梁的抗弯性能，可先将模型梁设计成T型截面，尽量保持截面质心位置不变，以及面积和惯性矩符合相似理论[46~59]。原型梁按照二期恒载16(M80kN/m进行配筋，全梁配有9-(|) 15.2和12-(j) 15.2两种预应力钢束，共27束261根1x7-15.2-1860钢绞线。模型梁釆用和原型梁相同的钢绞线，混凝土材料也采用和原型梁相同的材料，因此模型梁和原型梁具有相同的弹性模量。因此模型梁和原型梁的预应力钢筋的比值应为截面面积之比，模型梁和原型梁的理论面积比值为1/261，因此模型梁大约采用1根预应力钢绞线，其位置为截面的预应力重心位置。本次试验共需制作8根模型梁，包括模板制作、普通钢筋绑扎、i应力管道.设置、混凝土拌制及绕筑、试件养护、预应力张拉及灌奖这样几道工序。绕筑混凝土时，预留了 3个边长150rnm的标准立方体混凝土试块，在标准条件养护28天后进行抗压强度试验，试验结果如表2-9所示，其强度均在50MPa以上，达到设计要求。
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3受腐蚀模型梁静载试验研究.......... 20
3.1 引言.......... 20
3.2静载试验方案.......... 20
3.3试验结果及抗弯分析.......... 22
3.4本章小结.......... 29
4受腐蚀预应力梁抗弯承载力分析.......... 31
4.1引言.......... 31
4.2只考虑截面损失的抗弯承载力分析.......... 31
4.3考虑截面损失及本构关系变化的抗弯承载力分析.......... 36
4.3.1基本假定 ..........36
4.3.2本构关系模型.......... 36
4.3.3计算简图及分析.......... 36
4.4试验梁抗弯承载力评估算例.......... 39
4.5与李富民提出的抗弯承载力实用评估公式对比.......... 44
4.6本文抗弯承载力评估方法验证.......... 46
4.7本章小结.......... 47
5有限元数值模拟分析.......... 48
5.1引言 ..........48
5.2ABAQUS软件介绍.......... 48
5.3本文试验梁有限元数值模拟分析.......... 49

5有限元数值模拟分析

5.1引言
随着计算机技术的快速发展，有限元数值模拟分析技术得到了广泛的应用，现在，许多有限元数值模拟分析软件己经被开发出来，其中，ABAQUS、ANSYS、ADINA、NASTRAN、SAP和MARC等为目前使用较多的大型有限元数值模拟分析软件，被广泛的应用于社会生产及科学研究的各个领域，如国防军工、机械制造、能源、土木工程、航空航天、生物医学、石油化工及材料等[54]。在土木工程科研领域，大型有限元软件数值模拟分析已较为普遍，通过有限元软件数值模拟分析可以与试验研究相互对比验证，可以进行参数分析等。本章将采用有限元软件ABAQUS对本文不同腐蚀率的试验梁建模分析，介绍混凝土、钢筋及钢绞线本构关系模型的选择、单元类型、边界条件、加载方式等，并将有限元数值模拟分析结果与试验值和理论分析值进行对比。

结论

高速铁路32m预应力混凝土简支箱梁在我国的高速铁路建设事业中发挥了重要作用，同时在其服役过程中会受到各种腐蚀而影响到高速铁路的安全性。本文以预应力筋发生腐蚀的高速铁路32m预应力简支箱梁的抗弯承载力为研究对象，通过缩尺模型静载试验、理论分析及有限元数值模拟分析，得到如下结论：
(1)采用相似理论设计高速铁路32m箱梁缩尺模型梁，通过对不同腐蚀率的模型试验梁的静力加载试验发现：腐蚀率低于8.3%时，对开裂弯矩的影响不大，腐蚀引起的预应力损失不明显；腐蚀率不同的全部试验梁呈弯曲破坏特征，且属于第一类T型截面；随腐蚀率的增加，试验梁抗弯承载力和延性下降。试验梁弯矩-混凝土应变曲线显示：随腐蚀率的增加，试验梁跨中截面顶部受压混凝土最大应变减小，说明其破坏形式趋向于少筋破坏。
(2)通过理论分析，分只考虑腐蚀影响预应力筋截面损失、考虑腐蚀影响预应力筋截面损失和本构关系两种情况对受腐蚀的预应力梁抗弯承载力进行了理论分析，，提出了考虑平截面假定验算的受腐蚀预应力梁抗弯承载力评估方法。
(3)采用本文所提受腐蚀梁抗弯承载力计算评估方法验算本文试验梁，并将计算结果与试验结果进行了对比，结果显示考虑腐蚀影响预应力筋截面损失和本构关系的抗弯承载力评估计算结果与试验结果接近，可认为该评估计算方法是合理的。
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参考文献（略）