考虑滑移损伤效应的大尺度钢护筒—钢筋混凝土组合构件工作性能研究

发布时间：2020-11-19 20:08

　　 内河码头建设为适应大变幅、大流速的特殊水文环境和岸坡陡峭、基岩裸露的复杂地质环境,急需采用大尺度钢护筒和钢筋混凝土联合受力桩柱构件。这类构件由大尺度钢护筒(直径大于1.8m)、钢筋笼和核心混凝土等组成,其力学性能、长期工作特性、破坏模式及其工程特性的发挥与大尺度钢护筒-钢筋混凝土组合结构滑移损伤效应密切相关。为此,依托国家自然科学基金项目《内河大尺度钢和钢筋混凝土组合高桩码头结构界面损伤和能量耗散机理研究(51579021)》、交通运输西部科技项目《在役高桩码头结构整体安全性评估技术(2014 328 224 040)》和《内河大水位差架空直立式码头工作性状分析与全寿命安全性能评估(2014 328 J26 200)》,开展系列试验研究,揭示了钢护筒尺度的改变和受力钢筋的引入时组合结构的受力机理;获得了这类组合构件在轴压荷载和横向荷载作用下的极限承载力的计算方法;开发了考虑滑移损伤效应的钢护筒-混凝土界面的三维有限元模型,并探索分析长期荷载作用下界面的损伤对组合构件力学性能的影响,进而建立界面损伤随时间的积累特性的量化计算方法,最终预测钢护筒-钢筋混凝土组合构件的长期性能和剩余承载性能。具体地,本文主要研究内容及所取得的研究成果包括下列方面:(1)通过对大变幅、大流速的特殊水文环境和岸坡陡峭、基岩裸露的复杂地质环境下,码头大尺度钢护筒和钢筋混凝土组合构件的工程特性分析,总结了这类构件的工程适用特性及其工作状态。得到了这类构件在横向和竖向同时承受荷载时力学特性规律,并在此基础上分析了这类构件的界面工作特征。(2)通过试验研究了大尺度钢护筒和钢筋混凝土组合构件在横向、竖向荷载下的工作特性并提出了其极限承载能力计算公式。通过开展以钢管的厚度以及钢筋配筋率为试验变量的组合构件的竖向受压和横向加载力学试验,研究了组合构件在轴向压力和横向荷载作用下的荷载位移关系和相应的破坏模式。随后通过采用极限强度理论及叠加原理,考虑钢护筒、配筋率和纵筋对混凝土的约束作用,得出了钢护筒-钢筋混凝土组合构件的竖向极限承载能力和横向极限弯矩的计算表达式,并用实验数据验证了计算理论的可靠性。(3)构建了适用于表达大尺度钢护筒和钢筋混凝土组合构件工作特性且考虑滑移损伤效应的钢护筒与钢筋混凝土三维界面模型并提出了其参数获取方法。通过大量变动参数的实验分析,建立数学方程表达钢护筒和钢筋混凝土之间的三维变形及其作用下钢筋混凝土运动规律,利用实验验证表达方程可靠性后,引入混凝土受压应变作为量化指标,并推导了该指标下界面法向、环向和轴向的荷载传递性能的强弱化规律数学表达公式,进而分析了钢护筒与混凝土的滑移损伤效应对组合构件承载性能的影响。在此基础上,详细探讨了界面模型参数的获取途径及其力学特征。(4)研究了长期工作环境下,大尺度钢护筒和钢筋混凝土组合构件的强弱化规律并提出了其建议计算方法。通过低应力水平下钢护筒与钢筋混凝土构件的长期承载性能的试验,探讨了钢护筒厚度对构件核心混凝土徐变、钢护筒与核心混凝土应力重分配规律。通过将试验结果与典型混凝土徐变模型计算结果的对比,修正提出了组合构件核心混凝土徐变计算的修正MC90模型及其适用条件。(5)提出了钢护筒-钢筋混凝土组合构件长期性能的宏细观材料-荷载有限元计算方法。通过在有限元分析方法中嵌入考虑滑移损伤损伤效应的钢护筒与钢筋混凝土三维界面模型,并引入考虑损伤积累因子数学表达式,建立了这类组合构件的数值分析方法,利用该方法可以计算分析和预测内河大尺度钢护筒和钢筋混凝土组合构件力学特性和剩余寿命。并以重庆果园港大尺度钢护筒和钢筋混凝组合实际和实验构件为依托,对不同钢护筒厚度、核心钢筋混凝土构造的组合结构进行大量的数值计算,获得了基于材料和荷载耦合有限元方法的可靠性,并探讨了该类结构的长期工作形状。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U656.1
【部分图文】：

施工便捷等优势，目前己广泛的应用到国内外的桥梁、建筑、港口码头等结构之中。??目前工程中常见的钢管混凝土截面型式Ｗ可分为圆形、方形、矩形、正多边形等规??则截面和Ｌ型、Ｔ型、十字形等不规则截面，如图１．１所示。??⑩園議爨??圆形?方形?矩形?正六边形??ｍ?＿??Ｌ形?Ｔ形?十字形??图１．１?ＣＦＳＳＴ结构常见的截面型式??随着我国基础设施结构大型化、空间化以及使用环境复杂化的趋势，传统的钢??管混凝土结构在应用上也暴露出一些缺陷。当核心混凝土截面面积过大时，由于钢??管侧向约束有限，结构可能会出现脆性的剪切破坏，造成整体结构的安全隐患。尤??１??

?１．２钢护筒－钢筋混凝土组合结构的受力特性??如图１．３所示，与传统钢管混凝土结构相比，钢护筒－钢筋混凝土组合结构减??小了钢管的约束尺度（钢管厚度与粧径之比），同时在核心混凝土中配置了受力钢??筋。在受力特性层面，二者具有如下区别：??（１）

为保证配筋率满足要求，需増大配筋量，导致工程造价増加。考虑到在??海洋环境下的基桩施工的特殊性，在目前情况下，多进行合桩试验和理论研宄［５４＿５５］。??国内学者李坚平等进行了如图１．５所示的小比尺组合结构模型桩的竖向和横向受??力试验，研宄发现粧体嵌岩深度对桩体的承载能力有明显的影响。??［ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸｌＸＸＸＸＸｘＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸｊ?Ｐ??ｒＩ??Ｊｌ??Ｊ严也?｜｜?丨輝Ｗｔ?Ｎ??邾着?／?ｉ?＼?ｕ??圍／＾?ｌｌ?Ｉ?Ｉ??－？?－－?？?－?－?：－：？?－?－?ｉｇ：?？?？?－?－?－?？?．－：?：?：：：－：?：：：：：：：?：?：?：?：?：?：?：?：?：－?：?－?＊?－?？：??：：．：－；－．?；：．－．－：?：；：?：?：．：?：：：：：：：■：?：：：?：?：？：?：?：？：?：：：：：．：：?：?：?．；．；．；：??图１．５小比尺钢护筒－钢筋混凝土组合桩基模型试验??随着计算机性能的提升和数值计算方法的普及，大量学者通过有限元方法在??机理层面对组合桩的受力特性进行分析。汪承志等［５６］在重庆港果园码头二期工程、??上海洋山港等研究基础上，利用大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立数值分析模型，并??对比现场试验测试数据，分析提出了用最不利单元搜索的荷载组合法。通过大量的??参数实验，提出界面位置、钢护筒与纵横联系撑连接处、钢护筒底部位移是这类结??构的薄弱环节和关键控制环节。钢护筒的存在，使得桩芯受到约束应力，约束应力??对于结构承载能力的提高具有十分重要的作用，所以，二者的联合受力条件是重要??条件
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本文编号：2890380