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《湖南大学》 2018年
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拼宽混凝土桥梁结构的受力性能和可靠度研究

涂兵  
【摘要】:随着混凝土桥梁拼接加宽技术在既有公路改扩建工程中的广泛应用,建立针对性的拼宽混凝土桥梁结构设计理论、方法和规范日益迫切,而精确高效的结构受力性能分析和可靠度分析是完成这些任务的前提。关于拼宽混凝土桥梁结构的受力性能,特别是长期收缩徐变性能,现有研究绝大多数均是针对某一特定桥梁结构的有限元分析,所得结果和结论的一般性普遍不强。关于拼宽混凝土桥梁结构的可靠度,国内外的研究很少,尚未达到实际工程应用的需求。基于此,本文结合试验研究和理论分析,对拼宽混凝土桥梁结构在长期收缩徐变性能和时变可靠度两方面的设计基础理论进行了研究,具体内容如下:1.混凝土自由收缩变形试验研究及预测模型修正(1)通过18个混凝土试件500d收缩变形的观测,定量研究了构件尺寸和截面形状(包括矩形和箱形截面)对混凝土自由收缩变形的影响。结果表明:试件尺寸同时影响混凝土的收缩终值和发展速度,尺寸越大,收缩终值越小,收缩发展越慢;对于箱室完全封闭的箱形截面试件,其收缩值和发展速度小于相应实心试件是由于封闭箱室的实际理论厚度较大所致,计算封闭箱室实际理论厚度时应对其内表面周长进行修正,修正系数可取0.45。(2)根据试验结果对我国现行公路桥规(JTG D62-2004)的收缩预测模型进行了修正,本文和相关文献的试验结果验证了修正公式的适用性。2.新旧混凝土约束收缩试验研究及理论分析(1)对18个不同尺寸和界面状态(包括凿毛、凿毛加植筋两种)新旧混凝土组合试件的约束收缩应变进行了300d长期观测,结果表明:新混凝土在新-旧混凝土界面附近位置(测点2-2’)和自由边附近位置(测点1-1’)的约束收缩应变分别远小于和略大于对照组试件的自由收缩应变;各测点的约束收缩应变均随着试件尺寸的增大而减小;界面凿毛加植筋试件在测点1-1’和测点2-2’位置的约束收缩应变值分别大于和小于同尺寸界面凿毛试件的相应应变值。(2)结合弹性力学平面应力问题的逆解法和徐变计算的按龄期调整有效模量法(AAEM),提出了一种用于计算新旧混凝土组合体系约束收缩效应的解析方法。相较于已有基于初等梁理论的分析方法,该基于弹性力学理论方法的精度更高、适用性更强,且可以通过设置界面剪切刚度来计入界面位置新旧结构相对纵向滑移的影响。对于本文试验所采用的凿毛界面和凿毛加植筋界面,根据相应新旧混凝土组合试件约束收缩应变数据识别得到的剪切刚度分别为4×10~(10)N/m~3和9×10~(10)N/m~3。(3)采用所提基于弹性力学理论的解析方法分别对本文所测试新旧混凝土组合试件和一座实际拼宽混凝土板桥的约束收缩应力进行了分析。结果表明:在新、旧混凝土收缩、徐变差共同作用下,组合试件的新混凝土部分偏心受拉、旧混凝土部分偏心受压,新旧组合结构整体会产生平面内的弯曲效应,旧混凝土部分对新混凝土部分收缩变形的约束导致界面上产生较大的剪应力,且新、旧混凝土部分亦在界面边缘分别出现最大拉、压应力。(4)与新旧混凝土组合试件相比,由于所分析拼宽板桥的宽跨比较大(2.75),拼接缝界面上的收缩徐变剪应力沿梁长分布的非线性更加明显,在梁端部出现剪应力集中,而拼接缝两侧新旧梁的纵向拉、压应力沿梁长的分布则更加均匀;跨中截面新、旧梁各自范围内均存在中性轴且纵向正应力沿横桥向的分布均呈明显的非线性,平截面假定不再适用。3.考虑拼接缝影响的拼宽混凝土桥梁收缩徐变效应解析分析(1)基于材料力学初等梁理论并计入新旧梁在拼接缝界面位置由于界面应力引起的局部变形,建立了包含拼接缝单元在内的拼宽混凝土桥梁收缩徐变差效应理论分析模型和相应的各项收缩徐变应力计算公式,所得计算公式形式简洁且精度较高,因此具有较强的实用性。(2)根据所得到的解析计算公式对5m跨新旧混凝土板拼接结构进行了参数分析,结果表明:拼接缝弹性模量的大小对拼宽结构收缩徐变效应的影响较小;随着拼接缝宽度的增大,拼接缝位置的各项界面应力在整个界面长度上均趋于均匀分布,且最大值明显减小。因此,在实际拼宽工程中,可通过适当增大拼接缝宽度以降低结构的不利收缩徐变效应。4.拼宽混凝土桥梁收缩徐变效应随机性分析(1)结合基于按龄期调整有效模量法的有限元分析和基于拉丁超立方抽样(LHS)的蒙特卡洛数值模拟,建立了适用于多梁式拼宽混凝土桥梁收缩徐变效应随机性分析的算法体系,并据此对一座25m跨简支拼宽预应力混凝土T梁桥进行了分析,结果表明:各主梁内因新旧桥收缩徐变差引起的跨中截面最大轴力均不拒绝服从正态分布,轴力期望值的最大值出现在最靠近拼接缝的两片主梁内;与期望值一样,主梁收缩徐变轴力的标准差也随着时间的增长不断增大,即收缩徐变效应的不确定性随时间不断增大,最终稳定在较高的水平。(2)参数敏感性分析结果表明,在各影响因素中,混凝土收缩、徐变模型不确定性系数对拼宽混凝土桥梁收缩徐变效应不确定性的影响最大。5.拼宽混凝土桥梁结构时变可靠度分析(1)在考虑混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀以及新、旧桥间汽车荷载重分布三方面作用对主梁抗力和荷载效应影响的基础上,建立了多梁式拼宽混凝土桥梁主梁构件和上部结构体系时变可靠度分析的通用性框架和具体算法。(2)算例分析结果表明,考虑收缩徐变的影响后,拼宽后结构各主梁弯矩抗力的变异系数均明显增大;在混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀和新旧梁间汽车荷载重分布三方面因素中,收缩徐变对主梁构件时变可靠度的影响最大,对于承受较大收缩徐变轴力的拼接缝两侧主梁尤为如此。就所分析的桥梁而言,尽管拼接缝两侧新、旧主梁的汽车荷载横向分布系数在拼宽后结构的所有主梁中为最小,但这两片主梁的可靠度仍将分别在拼宽完成后50年和15年左右时退化至可靠度下限值β_T(4.2)以下。(3)除混凝土收缩徐变外,不同主梁间抗力的相关性对拼宽桥梁上部结构体系可靠度的影响也不容忽视。当考虑混凝土收缩徐变并认为新旧桥内部各主梁的抗力完全相关时,所分析拼宽桥梁上部结构的体系可靠度将会在拼宽完成后70年左右时退化至可靠度下限值β_T(4.2)以下。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U441

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