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二次预应力组合梁受力性能与设计方法研究

周亚栋  
【摘要】:在传统预应力混凝土桥梁设计和施工过程中,提高梁的预应力度和减小梁的徐变上拱是一对不可调和的矛盾;高速铁路对桥梁结构安全性、线路平顺性提出了更高的要求,使得这一对矛盾在高速铁路桥梁中更加突出,如何控制预应力混凝土桥梁徐变上拱成为高速铁路桥梁的关键技术问题。本文提出把具有良好控制结构徐变上拱变形能力的二次预应力组合梁应用到高速铁路桥梁中,以结构设计为切入点,以更经济合理的方案解决高速铁路桥梁的关键技术问题,具有重要的学术意义和工程价值。 在总结铁路预应力混凝土桥梁徐变上拱控制方法和二次预应力组合梁技术发展的基础上,本文对高速铁路二次预应力组合梁受力性能和设计方法进行了深入研究,主要开展了如下研究工作: (1)把二次预应力组合梁应用到高速铁路桥梁中,对相同条件下(结构尺寸、预应力筋配置、非预应力筋配置、施工方法、各类荷载值均相同)常规预应力混凝土梁和二次预应力组合梁进行了对比分析,主要分析两种结构的受力性能、变形性能和技术经济性,论证了二次预应力组合梁应用到高速铁路桥梁中的可行性和技术经济优势; (2)以跨径32m的有碴轨道简支箱梁为例,按相同条件制作常规预应力混凝土梁和二次预应力组合梁1︰3大比例试验模型梁,进行了两根模型梁从施工到静载破坏各阶段受力性能、变形性能的对比试验研究,主要研究了施工阶段正截面应力与上拱变形、裂缝的开展与分布规律、极限承载力、荷载—挠度曲线、荷载—应变曲线、水平结合面混凝土应变等; (3)进行了为期26个月的常规预应力混凝土梁和二次预应力组合梁1︰3大比例模型梁的徐变效应对比试验,采用四次幂函数曲线按拟合的方法,并考虑先浇梁长度指标β的影响,推导了更具有普遍意义的二次预应力组合梁徐变上拱变形的计算公式; (4)模拟高速铁路二次预应力组合梁水平结合面的受力状态,考虑结合面抗剪钢筋配筋率、两期混凝土龄期差、结合面应力差三个因素,采用正交方法制作推出试件,进行了45个推出试件结合面静载抗剪性能试验和7个推出试件结合面疲劳抗剪性能试验,研究分析了结合面静载抗剪性能和疲劳抗剪性能,提出了结合面抗剪强度的计算方法; (5)研究分析二次预应力组合梁的结构特点,提出了二次预应力混凝土的两种新概念,第一种概念是:二次施加预应力的目的是把梁跨中段底部混凝土变为抗拉强度高的弹性材料,第二种概念是:二次施加预应力的目的是提高高强度钢筋和混凝土共同工作的效率; (6)提出了二次预应力组合梁先浇梁三个设计参数的概念,即先浇梁高度指标α、先浇梁长度指标β和先浇梁一期预应力筋指标γ;提出了一套二次预应力组合梁实用设计方法及相应的计算公式,主要包括:消压弯矩、开裂弯矩的计算;截面尺寸的估算;一期预应力筋面积、二期预应力筋面积的估算;先浇梁强度和稳定性验算;正截面强度、斜截面抗弯强度、斜截面抗剪强度、水平结合面静载与疲劳抗剪强度的计算;预应力损失的计算;正截面抗裂性的验算;先浇梁锚固区抗弯强度和抗裂性的验算;徐变上拱的计算;截面开裂后挠度的计算等。


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