预应力作用下箱梁剪力滞效应的理论及实验研究

发布时间：2017-07-13 20:07

  本文关键词：预应力作用下箱梁剪力滞效应的理论及实验研究

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【摘要】：现代预应力混凝土桥梁是预应力混凝土技术发展的象征。预应力混凝土箱梁桥由于诸多优点,被广泛应用于交通建设领域,在我国取得的成就举足轻重。本论文在国家自然科学基金《PC箱梁考虑预应力作用效应的剪力滞行为研究(51208242)》的资助下,针对预应力混凝土箱梁,通过理论计算和模型实验研究,研究了预应力作用下箱梁剪力滞的分布规律。主要研究内容及成果如下:(1)推导了一种剪力滞翘曲位移函数。PC箱梁偏心锚固于箱梁两端的预应力束筋会产生一个作用于梁端的纵向轴向力和一个集中弯矩,根据这种受力特点,本文提出一个在集中弯矩作用下能反映PC箱梁上下翼板剪切变形差异的纵向翘曲位移函数,建立了一个能考虑箱梁剪力滞效应的控制微分方程并结合典型边界条件,得到应力解答。根据理论推导结果研究了箱梁纵向的应力分布规律,并将解析解与有限元数值模拟解进行对比验证,两者相互吻合较好,说明本文纵向翘曲位置函数的选取合理,推导公式可行且具有很高精度。(2)分析了轴向力不产生剪力流的力学机理。预应力束筋在跨内根据应力分布不同,布束形式有曲线布束、折线布束和直线布束,前两者将在上下翼板中产生剪力流,进而产生剪力滞效应,后者产生剪力滞的机制较为复杂。直线布束产生的轴向力在向梁内传递的过程中,在作用点附近有局部应力集中现象,应力传递经过一段距离之后,将会成为平面应力状态,不产生剪力流,因此轴向力不产生剪力滞效应。偏心锚固的弯矩相当于施加在梁端的集中弯矩,在此集中弯矩作用下,梁端一定范围内的横截面会有应力不均匀分布的情况。(3)进行了有机玻璃缩尺箱梁模拟实验。当预应力束筋横向作用位置改变时,梁内应力分布会发生变化。梁端至Le范围内剪力滞现象明显(Le约等于两腹板之间的横向间距),越靠近梁端,剪力滞现象越明显,剪力滞系数最大值为3,在梁端处。在Le至跨中范围内,纵向应力实际值与初等梁应力解一致,不存在剪力滞效应。(4)模拟进行了预应力作用下的单箱单室箱梁实验。当单箱单室箱梁受到偏心对称轴向力作用时,剪力滞效应主要发生在梁体两端距离作用点一倍梁宽范围内,横截面纵向应力不均匀现象比较剧烈;在一倍梁宽范围外,各应力值接近于基于初等梁理论应力值,L/4跨截面存在微弱剪力滞效应,跨中完全不产生剪力滞效应。当轴向力作用在顶板时,顶板剪力滞效应明显,底板应力不均匀现象弱于顶板;当轴向力作用在底板时,底板剪力滞效应比作用于顶板明显。当预应力束筋位置发生改变时,箱梁截面的剪力滞效应明显不同,差异较大,且存在负剪力滞现象,各截面应力峰值位置也有变化。(5)模拟进行了预应力作用下的单箱双室箱梁实验。单箱双室箱梁比起单箱单室箱梁构造更加复杂,箱梁力学空间效应更加明显,在轴向力作用下,力学行为有新的特点。双室箱梁发生剪力滞效应的范围比单室更广,L/8跨截面剪力滞效应剧烈,L/4跨截面剪力滞效应仍存在,跨中不存在剪力滞效应。当在顶板布束时,顶板剪力滞效应明显,底板应力不均匀现象弱于顶板;当轴在底板布束时,底板剪力滞效应比作用于顶板明显。当布束位置发生改变时,箱梁截面剪力滞效应随之发生改变,总体来看,跨中应力基本不变,1/4跨截面剪力滞系数随着作用点位置的改变而改变,L/8跨截面剪力滞系数随着作用点位置的改变而改变的程度比L/4跨剧烈的多,且应力峰值横向位置跟布束位置有关。(6)分析了预应力布束的集中程度对箱梁剪力滞效应的影响。当束筋被四等份对称布置在梁内时,无论顶板或底板,剪力滞效应均要弱于二等份布束,各截面应力的分布更加均匀,以剪力滞效应较剧烈的L/8截面为例,剪力滞系数为1.34,减小了25%。
【关键词】：预应力箱梁 剪力滞效应 变分法 轴向力 集中弯矩
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 选题背景11-12
• 1.2 箱梁的剪力滞效应12-13
• 1.3 预应力等效荷载法13
• 1.4 国内外研究发展概况13-14
• 1.5 本论文研究方法和拟解决的问题14-16
• 1.5.1 本论文研究方法14-15
• 1.5.2 论文拟解决的问题15-16
• 2 基于能量方法的预应力剪力滞基础理论16-35
• 2.1 预应力等效荷载16-19
• 2.2 基本假定19
• 2.3 简支梁控制微分方程19-24
• 2.3.1 势能表达式20-21
• 2.3.2 控制微分方程21
• 2.3.3 集中弯矩作用下的简支梁剪力滞方程21-22
• 2.3.4 边界条件22
• 2.3.5 通解求解22-23
• 2.3.6 跨间作用集中弯矩时简支梁剪力滞解析解23
• 2.3.7 一端作用集中弯矩时简支梁剪力滞解析解23-24
• 2.3.8 两端作用集中弯矩时简支梁剪力滞解析解24
• 2.4 不同布束形式下的预应力效应24-26
• 2.4.1 水平直线布束24-25
• 2.4.2 折线布束25
• 2.4.3 曲线布束25-26
• 2.5 直线布束预应力作用下的简支梁效应分析26-29
• 2.5.1 弯矩作用下的剪力滞机理26-27
• 2.5.2 轴力作用下的剪力滞机理27-29
• 2.6 算例分析29-33
• 2.6.1 横向应力计算29-31
• 2.6.2 纵向应力计算31-33
• 2.7 结论33-35
• 3 预应力作用下的单箱单室箱梁剪力滞效应实验研究35-61
• 3.1 预应力单室箱梁模型设计35-45
• 3.1.1 实验设计思想35
• 3.1.2 实验构件设计与制作35-39
• 3.1.3 单箱单室加载方案39-41
• 3.1.4 单箱单室箱梁加载工况41-42
• 3.1.5 测点布置42-44
• 3.1.6 实验流程44-45
• 3.2 预应力箱梁受力性能数值仿真分析45-46
• 3.3 实验结果整理及对比46-59
• 3.3.1 单箱单室预应力加载应力测试结果46-56
• 3.3.2 应力按梁长的分布规律56-57
• 3.3.3 单箱单室预应力加载挠度测试结果57-59
• 3.4 小结59-61
• 3.4.1 实验结果59-60
• 3.4.2 实验分析方法评述60-61
• 4 预应力作用下的单箱双室箱梁剪力滞效应试验研究61-88
• 4.1 预应力双室箱梁模型设计61-66
• 4.1.1 实验设计思想61
• 4.1.2 实验构件设计与制作61-62
• 4.1.3 单箱双室加载工况62-64
• 4.1.4 测点布置64-66
• 4.1.5 实验流程66
• 4.2 预应力箱梁受力性能数值仿真分析66-67
• 4.3 实验结果整理及对比67-86
• 4.3.1 单箱双室预应力加载应力测试结果67-82
• 4.3.2 应力沿梁长的分布规律82-85
• 4.3.3 单箱双室预应力加载挠度测试结果85-86
• 4.4 小结86-88
• 4.4.1 实验结果86-87
• 4.4.2 实验分析方法评述87-88
• 5 结论88-90
• 致谢90-91
• 参考文献91-94
• 攻读学位期间的研究成果94

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本文编号：538210