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预应力高强混凝土箱型连续梁结构行为的非线性分析

向天宇  
【摘要】: 现代高速、重载运输的发展,给铁路、公路桥梁提出了新的挑战。高强混凝土、钢纤维混凝土作为新型混凝土材料,以其优异的物理力学性能,越来越受到工程界的关注。将高强混凝土、钢纤维混凝土应用于铁路、公路桥梁有着广泛的应用前景。受“教育部资助优秀年轻教师基金”资助,西南交通大学桥梁及结构工程系进行了“部分预应力高强混凝土变截面箱型连续梁结构行为”的研究。本课题主要突出以下特点:(1)结构模型为两跨变截面箱型连续梁;(2)部分预应力体系作为研究重点;(3)梁体采用C80高强混凝土;(4)为了增加结构在中支座开裂后的延性,在连续梁的中支座区段采用与梁体其它部分同标号的钢纤维混凝土。 作为整个课题的组成部分,笔者的博士论文中进行了以下几个方面的研究:(1)基于微平面理论的混凝土本构模型的研究和基于该理论的高强混凝土与钢纤维混凝土本构行为的描述;(2)混凝土板、壳及箱型结构非线性有限元分析的研究;(3)预应力高强混凝土变截面箱型连续梁结构行为的数值模拟。 作为整个课题的基础性研究,在论文的第一部分笔者进行了混凝土本构模型的研究。混凝土本构模型是混凝土结构非线性有限元分析的关键性课题,自上世纪六十年代兴起以来,各国学者在这一领域开展了许多卓有成效的研究工作。最近十几年,国外一些学者开始应用微观力学手段来研究这一问题。著名学者Z.P.Bazant教授近十年一直致力于微平面理论的研究,该理论对于描述混凝土在非比例加载下的本构行为和混凝土在多轴应力作用下的损伤行为具有优势。本文在已有研究的基础上,对微平面理论进行了进一步研究,并根据自己的研究结果,提出了相应的修正意见。同时,笔者根据国内外的研究,综合了关于高强混凝土与钢纤维混凝土材料基本力学性能试验的资料,并应用微平面理论建立了高强混凝土与钢纤维混凝土的本构模型。 在论文的第二部分,笔者进行了混凝土板、壳及箱型结构非线性有限元分析的研究。这一部分的主要工作有:(1)选择合适的单元类型;(2)将弧长法应用于混凝土结构材料非线性分析;(3)建立适合预应力箱型结构的计算模型和计算方法。在编制程序时,笔者选择四节点退化壳单元来模拟箱梁的结构行为。退化壳单元能方便地处理由于混凝土开裂、压曲等因素引起的单元沿板厚方向的材料性质的变化。在本文的研究中,为了分析试验梁的全过程非 第D页 西南交通大学槽士研究生学位论文 线性行为,采用弧长法求解非线性有限元方程。目前,国内外对于将弧长法 用于结构的几何非线性有限元分析开展了深人广泛的研究,并取得了满意的 成果。而将弧长法用于混凝土结构的材料非线性分析时,由于馄凝土开裂等 因素引起的应变局部化,使得求解存在一定的困难,尤其是当混凝土本构模 型中包含应变软化段时,求解困难更为明显。笔者在已有的研究成果基础上, 对由混凝土结构鳖体刚度矩阵变负引起的求解困难提出了相应的解决方案。 最后,笔者建立了适合于预应力箱型结构的计算模型与计算方法。 在论文的第三部分,笔者用编制的程序对6片预应力高强混凝土变截面 箱型连续梁的结构行为进行了数值模拟。数值结果与试验结果吻合良好。并 根据数值结果和试验结果对试验梁的结构行为进行了分析,得出的结论将有 助于椎广高强混凝土在桥梁工程中的应用。


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