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大跨径PC桥梁弯曲孔道有效预应力理论分析与试验研究

成琛  
【摘要】:预应力混凝土桥梁是我国已建桥梁中数量较多的一类桥梁。虽然预应力混凝土桥梁结构的形式和跨径在不断地创新,数量在不断地增加,但是很多运营中的大跨径预应力混凝土桥梁跨中下挠、箱梁开裂现象十分普通,使得部分桥梁过早地失效或破坏,对桥梁结构的造成较大威胁。预应力混凝土连续梁桥在运营过程中的混凝土梁体伸长,说明很多桥梁结构中存在的下挠,开裂等病害均与《公路规范》中结构有效预应力估计不足有关;而施工中预应力混凝土连续梁桥预应力长索在设计张拉力下伸长量不够,反映出现行预应力计算公式不能很好的描述预应力束的张拉变化规律。 本文从《公路规范》中预应力摩阻损失公式出发,基于弹性力学中赫兹(Hertz)接触理论,对预应力混凝土连续梁桥中弯曲孔道的有效预应力进行理论分析与试验研究。具体内容如下: 1、预应力结构弯曲孔道预应力损失研究。首先指出《公路规范》在预应力摩阻损失公式的推导过程中的问题,并基于力学平衡条件,推导了任意应力分布模式下弯曲孔道摩阻损失公式。通过连续圆弧孔道与非连续圆弧孔道预应力损失理论分析计算,证明了弯曲孔道内预应力摩阻损失不可加,应以相对独立的弧段为单元进行摩阻损失计算。讨论了管道摩阻系数对摩阻损失计算的影响,利用弯曲孔道摩擦阻力试验及实桥的测试数据证明了目前通用损失计算公式的不合理性。最后给出了预应力钢束与与管道壁之间的摩阻损失公式。 2、预应力钢束与混凝土接触的有限元分析。借助通用有限元分析软件ANSYS对弯曲孔道预应力钢束和混凝土的受力性能进行分析,得到弯曲孔道预应力摩阻损失的分布规律,以及预应力钢束和混凝土的界面接触应力分布模式。通过规范公式、本文简化公式和有限元计算结果比较,发现当弯曲孔道圆心角度小于120°时,可利用简化公式计算弯曲孔道的预应力摩阻损失;当弯曲孔道圆心角度大于120°时,必须考虑B值项对摩阻损失的的影响。假定界面接触应力沿圆弧长度呈三段直线分布,在此基础上推导本文公式中B值项的表达式。从理论上为预应力钢束的摩阻损失计算提供了参考,且证明了只要接触应力分布模式假设正确,本文推导公式将给出准确的摩阻损失值,进而验证本文推导摩阻损失公式的适用性。 3、预应力摩阻损失公式的参数识别。在前述推导的孔道预应力摩阻损失简化公式的基础上,基于实际桥梁结构施工过程中管道摩擦系数μ和管道偏差系数k的不易确定性,结合桥梁现场实测数据,利用BP神经网络的非线性拟合功能,对参数μ和k进行识别;计算结果表明,采用BP神经网络算法用于摩阻参数的识别是可行的,利用识别参数计算的摩阻损失与试验值吻合较好,证明了本文推导公式用于预应力摩阻损失计算的有效性。对于计算平曲线预应力钢束摩阻损失和空间曲线预应力钢束摩阻损失计算也是可行的,并且精度比规范公式要高。根据环向预应力钢束的应变测试结果,给出了弧段内指定点的摩阻损失计算的简化方法。 4、预应力损失的实桥设计应用与比较。结合某大跨径连续刚构桥梁,对预应力钢束的损失值进行了分析研究。计算了摩阻损失、弹性压缩损失、收缩徐变损失、钢束松弛损失等损失在总预应力损失中所占的比例,得出了预应力钢束与与管道壁之间的摩阻损失和混凝土收缩徐变引起的损失是对预应力钢束影响较大损失的结论。针对管道中摩阻损失,考察了结构挠度和应力随摩擦系数μ和管道偏差系数k变化的敏感性,同时比较了本文摩阻损失公式与规范损失公式的差别对结构的影响程度。


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