基于非线性层壳理论的PC小箱梁桥极限承载力研究

发布时间：2017-04-11 00:50

  本文关键词：基于非线性层壳理论的PC小箱梁桥极限承载力研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着吊装施工技术的提高和设计的标准化,预应力混凝土组合箱梁桥在中小跨径桥梁中的应用越来越广泛,并且其应用跨径还有逐渐增大的趋势。然而目前标准化设计下的预应力钢筋混凝土组合箱梁桥(PC小箱梁桥),主要是基于经典横向分布理论和截面强度理论进行结构分析,针对这种结构的试验研究和受力过程的理论分析相对较少,不利于PC连续小箱梁桥的应用和发展。为此,本文主要以某在役四跨连续PC小箱梁桥为背景,在对其进行现场静力荷载试验的基础上,基于层壳等参元的基本理论,进行了详细的受力过程分析。给出了设计PC小箱梁桥的空间分析方法并提出该类桥型的改进构造设计建议,成果可为PC小箱梁桥的设计提供理论参考和工程应用价值。主要研究内容包括:(1)针对PC小箱梁桥这种薄壁结构形式,介绍了基于层壳等参元的基本理论。对退化层壳等参元的单元刚度矩阵进行了推导。同时考虑混凝土和钢筋材料的非线性受力行为,详细描述了材料的本构关系。并利用相关简支T梁的破坏性试验资料,对该理论的可靠性进行了验证。(2)对某在役四跨连续PC小箱梁桥进行了静力荷载试验,在考察该桥目前运营状态的同时,利用层壳等参元的基本理论对该桥进行建模分析,并与荷载试验实测值和Midas/Civil建立的杆系有限元模型计算结果对比。分析表明该桥目前总体受力状态较好,实测挠度和应变均小于理论计算值,但结构在偏心荷载作用下单梁受力明显,横向联系较弱。除此之外,采用层壳等参元进行仿真分析时,其精确性高于杆系单元。(3)以该标准设计的四跨连续小箱梁桥为背景,对其进行了多种荷载布置下的极限承载力分析。详细探讨了小箱梁桥在三种典型加载工况下的破坏荷载、破坏特征及关键截面荷载挠度曲线的变化规律。研究了PC小箱梁桥受压区混凝土进入塑性后的内力重分布规律。此外,分析了PC小箱梁桥张拉控制应力、预应力钢束和普通钢筋用量、箍筋用量、顶底板厚度及腹板厚度等设计参数对小箱梁桥承载能力的影响。为改进PC小箱梁桥的结构设计提供科学参考依据。(4)基于“荷载横向分布系数”的概念,研究随施加在结构上荷载的增加,横向受力性能的变化规律。并考察增设跨中横梁对PC小箱梁桥受力性能的影响。结果表明,对标准设计下PC小箱梁桥,其“荷载横向分布系数”随着结构刚度的变化而变化,采用经典横向分布理论对该类型桥梁进行设计并不能反映结构真实受力状态。增设跨中横隔梁后,PC小箱梁桥的横向受力性能得到了明显改善,各主梁受力更为均匀。
【关键词】：PC小箱梁桥 非线性有限元 层壳等参元 极限承载力 设计参数 横向受力性能
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 注释表15-17
• 第一章 绪论17-25
• 1.1 研究背景和意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-24
• 1.2.1 PC小箱梁桥现状研究18-19
• 1.2.2 混凝土桥梁极限承载力现状研究19-24
• 1.3 本文研究目的24
• 1.4 主要研究内容24-25
• 第二章 层壳等参元的非线性基本理论25-39
• 2.1 经典板壳等参单元25-26
• 2.2 退化层壳等参元的基本理论26-30
• 2.2.1 基本假定26-27
• 2.2.2 分层壳模型27-28
• 2.2.3 单元刚度矩阵28-29
• 2.2.4 迭代收敛准则29-30
• 2.3 材料的本构关系30-35
• 2.3.1 混凝土的本构关系30-32
• 2.3.2 钢筋的本构关系32-33
• 2.3.3 材料的弹塑性矩阵33-35
• 2.4 典型材料和边界条件下结构极限承载力的验证分析35-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第三章 PC小箱梁桥静力荷载试验与理论对比分析39-53
• 3.1 工程概况39-41
• 3.1.1 实桥主体结构构造39-41
• 3.1.2 实桥的主要材料41
• 3.2 实桥静力荷载试验41-47
• 3.2.1 试验研究内容41-42
• 3.2.2 选取控制测试截面42-43
• 3.2.3 试验测点布置43-44
• 3.2.4 加载车辆和加载工况44-47
• 3.2.5 静力荷载试验结果47
• 3.3 层壳理论有限元模型的建立47-49
• 3.3.1 材料属性定义47-48
• 3.3.2 单元类型定义48
• 3.3.3 单元划分48-49
• 3.4 静力荷载试验与有限元计算结果对比分析49-52
• 3.4.1 挠度分析49-50
• 3.4.2 混凝土应变分析50-51
• 3.4.3 横向分布系数分析51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 PC小箱梁桥极限承载力的有限元仿真分析53-113
• 4.1 单梁极限承载力分析53-64
• 4.1.1 计算对象和工况设置53-54
• 4.1.2 分析荷载设置54-55
• 4.1.3 简支状态下结构的受力过程描述55-59
• 4.1.4 四跨连续状态下结构的受力过程描述59-63
• 4.1.5 单梁结构承载力汇总分析63-64
• 4.2 全桥极限承载力分析64-84
• 4.2.1 分析工况和荷载设置64-65
• 4.2.2 边支点剪力效应最大加载工况分析65-72
• 4.2.3 中跨跨中弯矩效应最大加载工况分析72-77
• 4.2.4 次内支点负弯矩效应最大加载工况分析77-83
• 4.2.5 全桥承载力汇总分析83-84
• 4.3 主要设计参数对PC小箱梁桥极限承载力的影响84-112
• 4.3.1 张拉控制应力对结构承载能力的影响85-89
• 4.3.2 预应力钢筋数量对结构承载能力的影响89-93
• 4.3.3 普通钢筋数量对结构承载能力的影响93-96
• 4.3.4 箍筋数量对结构承载能力的影响96-100
• 4.3.5 底板厚度对结构承载能力的影响100-104
• 4.3.6 顶板厚度对结构承载能力的影响104-108
• 4.3.7 腹板厚度对结构承载能力的影响108-112
• 4.4 本章小结112-113
• 第五章 PC小箱梁桥的横向受力性能分析113-123
• 5.1 分析荷载和工况设置113-114
• 5.1.1 分析荷载113
• 5.1.2 分析工况113-114
• 5.2 标准设计下PC小箱梁横向受力分析114-118
• 5.2.1 CaseH-1 工况下横向受力分析114-115
• 5.2.2 CaseH-2 工况下横向受力分析115-116
• 5.2.3 CaseH-3 工况下横向受力分析116-117
• 5.2.4 横向受力分析小结117-118
• 5.3 增加跨中横梁的PC小箱梁横向受力分析118-121
• 5.3.1 边支点剪力效应最不利加载下横向受力分析118-119
• 5.3.2 中跨跨中弯矩效应最不利加载下横向受力分析119-120
• 5.3.3 次内支点负弯矩效应最不利加载下横向受力分析120-121
• 5.4 本章小结121-123
• 第六章 结论与展望123-125
• 6.1 结论123-124
• 6.2 展望124-125
• 参考文献125-129
• 致谢129-131
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文131

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