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体外预应力加固钢筋混凝土桥梁的静动力性能研究

张雪梅  
【摘要】: 体外预应力技术作为后张预应力体系的重要分支之一,近年来成为预应力技术的热点。体外预应力是指预应力筋布置在混凝土梁体以外的预应力,与之相对的即为传统的预应力筋布置在构件截面内的有粘结或无粘结预应力。目前体外预应力技术正广泛地应用于预应力混凝土桥梁结构、大跨度结构,同时对旧有混凝土桥梁等结构的加固也是其应用的重要方面。我国体外预应力技术的研究工作开展相对较少,对体外预应力结构的力学性能的研究还非常有限,工程实践不多,缺乏相应的设计、施工规范和规程,不能充分体现这种结构体系的优越性。在体外预应力结构在世界各国广泛运用和不断发展的今天,迫切需要在理论和实践方面的积极探索,简化出方便工程应用的实用设计方法,从而推动体外预应力结构的应用和发展。 结构设计的一个重要环节就是极限承载力计算,而计算体外预应力混凝土梁的极限承载力就必须求得梁在破坏时的体外筋应力增量。本文首先从梁极限状态下的变形入手,将塑性铰区看作纯弯段,将塑性铰以外的区域看作刚体,按照体外预应力筋的形状不同,分工程中最常见的三种体外结构形式,即无转向块的直线型体外筋混凝土梁、具有一个转向块的单折线型梁和具有两个转向块的双折线型梁,研究体外预应力筋变形和梁体的变形间的关系,推导出以极限状态下塑性铰区之半对应的转角为参数的计算体外预应力混凝土简支梁以及连续梁的体外筋应力增量计算公式,并进一步求得梁的极限承载力。将采用此方法的计算结果与按照《无粘结预应力混凝土结构技术规程》中的公式及其它文献建议的方法进行了对比,表明本文推导的方法具有简单适用且误差小的特点。 在公式推导的基础上,结合相关试验资料,研究了体外筋的形状、等弯矩区长度、梁跨高比、有效张拉预应力、体内受拉筋配筋率、混凝土强度、锚固点到梁上边缘在垂直方向上的距离、体外预应力筋水平段长度(双折线型体外筋的情况)以及荷载类型等对体外预应力混凝土简支梁受力性能的影响。结果表明,等弯矩区长度对于直线型梁和单折线型梁极限状态下的转角、体外筋应力增量及极限弯矩的影响较大,对于两个转向块的双折线型梁的应力增量和极限弯矩影响很小。锚固点到梁上边缘距离对于单折线型梁的影响很小,对另外两种型式的梁影响较大。对于梁的正截面承载力而言,等弯矩区长度、锚固点到梁上边缘在垂直方向上的距离、混凝土强度的影响较大。对于体外预应力筋的应力增量而言,除单折线型梁外,锚固点到梁上边缘距离的影响最大,其它因素影响程度相对较小。 此外,文中探讨了预应力加固梁自振频率的计算方法,分析了频率影响因素,采用有限元方法进行了梁的频率、振型研究,并与相关的试验研究结果进行了比较探讨。研究表明,通过改变体外索约束长度以改变加固梁的自振频率,是避免结构产生共振的经济有效的措施。采用体外预应力技术,可以明显改善结构受力状态,较大程度地提高结构的刚度、强度和承载力,是一种较好的加固方法。最后,本文分析了一座体外预应力加固的T型刚构桥的静动力性能。


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