對現(xiàn)有鋼筋混凝土拱肋極限承載能力的測試和分析-論

1、.畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯題 目對現(xiàn)有鋼筋混凝土拱肋極限承載能力的測試和分析專 業(yè) 工 程 力 學(xué) 班 級 1 班 學(xué) 生 任 杰 指導(dǎo)教師 黎 強 重慶交通大學(xué) 2009 年對現(xiàn)有鋼筋混凝土拱肋極限承載能力的測試和分析摘要：鋼筋混凝土橋梁的破壞通常是因為材料的老化和混凝土的開裂。據(jù)報道，有一座退役的拱橋的兩個拱肋即將被遷移，并重新安裝在實驗室，對它進行實驗研究和非線性有限元分析。這座舊橋已經(jīng)使用了28余年，所以會對兩個拱肋進行最大尺度的靜態(tài)測試。荷載位移，荷載應(yīng)變關(guān)系，殘余加載能力，以及破壞形式將在細(xì)節(jié)處進行研究。結(jié)構(gòu)分析軟件Marc在理論計算方面會被使用。幾何和材料的非線性都將被考慮。此外

2、，結(jié)構(gòu)老化和結(jié)構(gòu)破壞將被引用至有限元模型中。與此同時，作為對比，沒被破壞的和幾何方面完好的拱肋將被分析。將實驗和理論結(jié)果進行比較，可以得出結(jié)論，最初的裂縫，鋼筋腐蝕，拱軸向線形的改變，是結(jié)構(gòu)極限加載能力和破壞方式的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：橋梁；混凝土，鋼筋；承載能力；有限元方法；極限荷載。 導(dǎo)言作為一種保持到現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，殘余強度的估算和混凝土橋梁的使用壽命在近幾年吸引了許多關(guān)注。在中國，大量的混凝土拱橋建設(shè)于50年以前。但是，由于不斷增加的交通荷載、環(huán)境的變化、材料的老化、和不充分的維修，大部分混凝土拱橋已遭受到嚴(yán)重的破壞。越來越多的老鋼筋混凝土拱橋需要維修，整頓，甚至于更換或停止使用?，F(xiàn)在一個關(guān)鍵

3、問題是對它們殘余加載能力進行評估，這對橋梁工程師來說是一個挑戰(zhàn)。因為混凝土的開裂，破壞和鋼筋腐蝕在老鋼筋混凝土拱橋中存在著復(fù)雜性和任意性。因此，研究者對是否能合理利用沒有破壞過的拱肋的靜態(tài)和動態(tài)實驗整合理論分析得出的結(jié)論產(chǎn)生了興趣。Bakht和Jaeger(1990), Douglas et al.(1990),Law et al.(1995a,b),Enright 和Frangopol(2000),Farhey et al.(2000),(2003),Fu 和 Lu(2003)，都做出了有價值的研究。但是混凝土很難在實驗這塊領(lǐng)域獲得荷載曲線和振動模型，特別是在破壞時期附近的。就某些事例而言，

4、分析出的速度方面甚至是錯誤的。對在實驗室存在的拱橋的實驗研究將是最直接有效的方式去估算極限荷載加載能力。一方面，結(jié)構(gòu)方面的反應(yīng)參數(shù)很易被獲得。另一方面，根據(jù)這所舊的鋼筋混凝土拱橋性能所描述的變化參數(shù)卻不易獲得。其結(jié)果是，實驗結(jié)果為理論分析提供了一個比率參數(shù)，在這個工作中，兩個拱肋將從使用了28年的鋼筋混凝土橋上搬遷下來，送往實驗室。實驗步驟包括了在實驗室里從新安置兩個拱肋，執(zhí)行動態(tài)和靜態(tài)的實驗，運用結(jié)構(gòu)有限元軟件Marc對其進行幾何和材料的非線性理論分析，理論結(jié)果和靜態(tài)測試結(jié)果應(yīng)該一致。測試背景如圖1，北門大橋，一個三跨懸鏈線拱橋的標(biāo)準(zhǔn)剖面圖，建于1973年。這座橋坐落于湖南省長陰縣。主要的承

5、載對象是一個跨徑為20m的鋼筋混凝土拱肋。在2002年，這座橋被發(fā)現(xiàn)處于危險狀態(tài)中。拱肋的一些混凝土表面已經(jīng)成片脫落，混凝土強度不能滿足橋梁規(guī)范?？偟膩碚f，沒有必要對其進行重新修復(fù)，繼而決定將這座橋進行了拆除。在這座橋被毀壞之前，會先研究從橋上搬來的較好的拱肋的力學(xué)性能和其結(jié)構(gòu)單元的殘余應(yīng)力。將兩個形狀相同的鋼筋混凝土拱肋放置在實驗室，其目的是在所有的測站，用測量儀器對其拱軸線和拱背（如圖2）中線進行測量。為避免拱肋的其他損害，橋梁的上部結(jié)構(gòu)將首先被破壞。那時，兩個拱肋的起拱面將被在吊車的控制下弓鋸和鏨子給截斷。在被拆除后，將會用黃麻袋對每個拱肋進行包裹以作防護措施。也因如此，他們能用卡車進行

6、安全和方便地運送。 拱肋將分別安置在實驗室。首先，會用一些螺栓將它們的起拱面鏈接在固定于地面的鋼橋臺上，（如圖3）。一個吊車將用來控制拱肋。同時，將會在所有測站用測量儀器對拱背中線進行測量。當(dāng)拱背中線和所建模型中的拱背中線基本一致時，起拱面將被固定于橋臺上。如圖4，鋼筋的分布，保護層厚度如圖5所示。然而，重新安置在實驗室里的拱肋并不是完全令人滿意。它的精確度不是非常好，拱肋的形狀和所建模型有細(xì)微出入，兩個拱肋都有一點不對稱。此外，兩拱的拱軸線不是在同一垂直平面。實際上，北拱的水平投影是一個呈S型的曲線，而南拱是一個呈雙S的形狀。北拱有最大的橫向偏離4.59cm，南拱有最大的豎向偏離6.50cm

7、。靜態(tài)測試測試目標(biāo)和測量目的測試的目標(biāo)是研究其靜態(tài)響應(yīng)、極限加載能力、破壞模態(tài)和破壞條件的影響。一些測量項目如下：1 混凝土材料性能2 裂縫狀態(tài)（位置、寬度、長度）3 鋼筋腐蝕情況4 支撐物能產(chǎn)生的荷載值5 起拱線的水平位移6 垂直和水平位移7 典型橫截面的應(yīng)變分布測量點的安置為了比較兩種不同破壞方式下拱肋的測試結(jié)果，兩個拱肋位移和應(yīng)變的測量點被安排在了相同的位置。每個拱肋相應(yīng)的都有9個點測量豎直位移，7個點測量橫向位移。另外，在每個支護處都安置好了測量水平位移的點?？偟膩碚f，每個拱肋都將有18個位移測量點。荷載P（每個獨立荷載點處的荷載值），將同時作用在3個不同的位置。如：L/4，L/2和3

8、L/4處。通過一個具體的JACK反應(yīng)系統(tǒng)。荷載點和位移測量點如圖6所示。在測試前，可能在每個拱肋上發(fā)現(xiàn)有許多裂縫分布，這些裂縫會對局部應(yīng)變產(chǎn)生很大的影響。37個測量局部應(yīng)變的測點都會被安排在如圖7所示。測量程序當(dāng)前的測試環(huán)境對破壞的準(zhǔn)確測量對估算這座橋有重要意義。因此，這一步的目的是認(rèn)識破壞條件、材料性能和截面尺寸。保護層厚度和鋼筋的直徑將被儀器測量。底部的保護層厚度有3cm，邊上有35cm。橫截面尺寸是通過鋼尺進行測量的。圖2中可以看到結(jié)果。通過目測，即可發(fā)現(xiàn)兩個拱的裂紋是可見的。用放大鏡觀察到最初的裂縫大都分布在西邊的起拱面處，L/4和3L/4的位置。相對而言，L/8處的裂縫比其他地方裂縫

9、要多一些。位于北拱的垂直裂縫的最大長度有12cm,而位于南拱的有7.25cm。在北拱的最大寬度有0.12mm，而南拱有0.15mm。在北拱有一個位于拱軸線處的裂縫，長45cm，寬0。41mm。此外南拱有2個裂縫，最大長度有51cm，最大寬度為0.48mm。裂縫分布如圖8所示。精確計算混凝土的本構(gòu)關(guān)系是獲得可靠的有限元結(jié)果的關(guān)鍵步驟。故此，30個相同的混凝土樣本會從同一座橋上的其它拱肋處獲取。進而在計算受壓時的混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。鋼筋的腐蝕也會被測量，每隔20cm會有個測點。通過使用無破壞的檢測方法，展示出在大部分地方中被忽略的鋼筋腐蝕。但是，起拱面處的腐蝕比其它地方的腐蝕更嚴(yán)重。在北拱從1/4

10、到3/4跨度處上平均鋼筋腐蝕面積百分比為3.65%，在其它地方為6.10%。在南拱相應(yīng)的數(shù)據(jù)為3.70%和6.30%。預(yù)加載測試這步的目的是測試安裝的拱肋，避免應(yīng)變的殘留。在進行極限荷載加載能力測試之前，將會先進行4個等級的預(yù)先加載，分別是40，50，60和估算彈性荷載值的70%（7.1KN,新裂縫產(chǎn)生時的荷載，Pe）。每個荷載等級下的應(yīng)變、撓度、位移、混凝土裂縫都將被測試。極限荷載加載能力測試預(yù)加載顯示了被安裝的拱肋工作性能良好，極限加載能力即將進行?；诠浪愠龅暮奢d極限值（北拱69.7KN南拱68.9KN）將從第一到第十八個等級進行分級加載。但因為極限荷載不同的計算值和裝置的一些失誤。對兩

11、拱而言，每次加載的荷載值并不完全相同。北拱：4.6, 5.75, 6.9, 8.05, 9.2, 11.5, 19.03, 26.56, 32.58, 35.6, 37.1, 40.4, 44.0, 46.9, 49.7, 52.7, 61.8, 和68KN, 南拱:4.6, 5.75, 6.9, 8.05, 11.5, 19.03, 26.56, 32.58, 37.1, 40.9, 44.0, 47.0, 49.7, 52.7, 56.0, 62.0, 和65.0KN。測試會通過參數(shù)（位移應(yīng)變）的變化而進行控制。如果控制參數(shù)的變化和計算相似，即被認(rèn)為是正常的，下一級荷載的施加將按常規(guī)進行。

12、否則，測試將被停止。測試過程參考圖10。測試結(jié)果水平位移因為起拱面是位于固接于地面的橋臺上（見圖4），所以在支撐處水平位移非常小。最大值也僅為0.9mm，其他地方幾乎為零。豎直位移每次加載，在不同的地點的豎向位移都將被測試。豎向位移的精確值將表明其下降運動。北 拱測出的曲線如圖11，南拱如圖12。像先前討論所說的一樣，裂縫的分布和幾何形狀是不對稱的。豎向位移曲線也不是對稱的。但是，兩拱的拱形基本相似。在1/8和7/8跨度處有兩個負(fù)的峰值點。在1/2跨度處有一個正的峰值點。最大正向位移發(fā)生在拱的最高處，北拱在進行17級加載（61.8KN）時，為56.43mm；南拱在進行18級加載時（65KN）為

13、55.51mm。通過比較發(fā)現(xiàn)，在同樣的荷載水平下，南拱的豎向位移比北拱的稍微大一些。起拱面豎向位移的最大值在1mm左右。 圖13給了兩拱在1/8和7/8跨度處的豎值位移曲線。在極限荷載的70%即45KN以下，豎值方向上的荷載位移曲線幾乎是線性的。在較大荷載水平下，非線性關(guān)系是非常明顯的。垂直位移曲線下降非常迅速。這種特性可能是由混凝土本構(gòu)關(guān)系所決定的。見圖9。 橫向位移設(shè)橫向位移的方向朝北為正，朝南為負(fù)，參考圖1和圖5。圖14，15是橫向位移在水平方向的投影。該投影和未進行加載時的形狀很相似。北拱是一個呈S的形狀而南拱是一個呈雙S的形狀。對于最大的橫向位移值而言，北拱是在進行17步加載時，1/

14、4跨處有7.86mm的位移。南拱是在進行18級加載時。跨中處有13.69mm的位移。起拱面處的最大位移有1.5mm在南拱的西部。其他起拱面幾乎沒有橫向變形。應(yīng)變設(shè)壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)，拉應(yīng)變?yōu)檎?。如圖16，17兩拱的兩組應(yīng)變曲線在形狀上非常相似。曲線不是對稱的。這是因為初裂縫的分布，破壞，鋼筋的腐蝕等不是對稱的。對兩拱而言，西邊起拱面的壓應(yīng)變要比東邊起拱面的壓應(yīng)變稍大。此外，北拱的拱頂上部和3/8跨處的應(yīng)變南部該處的應(yīng)變大。北拱1/8跨處的應(yīng)變比南拱其他部分的要小。 拉應(yīng)變發(fā)生在L/8和7L/8跨處，它們本因非常小，但測出的值卻十分大，對南拱如圖17，在15級荷載，荷載值為56KN時的1/8跨處，應(yīng)變有

15、了突然的變化。同樣的情況，出現(xiàn)在進行18級加載，荷載值為65KN時的7/8跨處。在兩拱中部的截面，底部的拉應(yīng)變幾乎等同于頂部的壓應(yīng)變，如圖18，19。 兩拱不同位置處頂部的應(yīng)變曲線如圖20，西邊起拱面的壓應(yīng)變比東邊的要大。這意味著破壞將從西邊的起拱面處開始發(fā)生。非常明顯，在加載至45KN（極限荷載的70%）前，荷載應(yīng)變曲線幾乎是一條直線。隨著荷載的不斷增加，非線性現(xiàn)象開始出現(xiàn)。這和本構(gòu)曲線是一致的，如圖9。裂縫和破壞形式當(dāng)結(jié)構(gòu)加載至6.9KN時，可以觀察到新的裂縫開始產(chǎn)生，主要分布在L/8跨附近的范圍內(nèi)。隨著荷載的增加。裂縫逐步在長度和寬度方向上擴展。北拱裂縫寬度的最大值為0.58mm，南拱為

16、0.61mm。當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載時，這些裂縫快速增長，延伸至整個截面，1/8跨處形成塑性鉸。在兩個拱肋的的1/8跨處首先觀測破壞開始的信息。北拱的破壞荷載是68KN，南拱的破壞荷載是65KN。當(dāng)加載至破壞荷載時，可以觀察到1/8截面出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)動。隨后，一些大裂縫開始出現(xiàn)，擴展至整個截面。在一聲巨響后，兩個拱肋同時在西邊拱腳處破壞。在巨大的塑性變形產(chǎn)生的同時，西邊起拱面的鋼筋開始向上彎曲，如圖21。作為主要的加載對象，拱肋決定了橋梁的工作性能。因此，拱極限承載能力的實驗研究對于拱橋的評估是非常重要的。測試結(jié)果顯示了，一些新的裂縫在較小的荷載水平下也能形成。在真實的情況下，裂縫可能會隨著交通荷載

17、的增加，變差的周邊環(huán)境和不充分的維修而產(chǎn)生。這些裂縫會降低橋梁的工作性能和加劇鋼筋的腐蝕。最后，橋梁將被停止使用。非線性有線元分析結(jié)構(gòu)有限軟件Marc，是用于計算極限荷載和模擬拱的破壞過程的。用一種學(xué)習(xí)拱的破壞效應(yīng)和不規(guī)則幾何分析的態(tài)度，將會對計劃分析的模型和一個沒被破壞的，幾何性能良好的拱肋模型進行比較。模型的建立在理論分析時，幾何和材料的非線性，結(jié)構(gòu)的空間影響，鋼筋的腐蝕，存在的裂縫都會被考慮進有限元模型中。鋼筋被模擬成三維桿單元。鋼筋腐蝕等效于實驗觀察基礎(chǔ)之上的鋼筋有效面積的減少?；炷羻卧?節(jié)點固體單元。混凝土被測試出的本構(gòu)關(guān)系，如圖9，22，將被應(yīng)用模態(tài)分析中。最初的楊氏模量E=5

18、.58GPa，拉伸軟化模量Es=1.12Gpa。Es的值來自臨界破壞應(yīng)力cr。cr是極限壓應(yīng)力p=28.7MPa的10%。裂紋延伸的方向被認(rèn)為是與最大主應(yīng)力垂直的方向。當(dāng)最大主應(yīng)力超過臨界力破壞應(yīng)力時，裂縫將要擴展。當(dāng)裂縫在拱結(jié)構(gòu)上被初始化成一個材料點時，最大主應(yīng)力不會消失。材料軟化的影響會被考慮。最后，在裂縫表面將不會有應(yīng)力。對破壞單元，拉伸強度會消失。軟化情況將通過拉應(yīng)力應(yīng)變曲線（如圖22）下的分支來表示。軟化程度取決于單元尺寸。 因為初裂縫的寬度非常小。它可以被假定為在壓力作用下能夠合攏。所有垂直于破壞平面的壓應(yīng)力可以通過裂縫傳遞。但是，剪力的強度將會降低。一個削減系數(shù)將被引入計算，其值

19、為0.75。隨后的荷載將會在單元的裂縫表面引起變化。如圖23是結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格化。在橫截面處，混凝土單元的數(shù)量是4*5。鋼筋的數(shù)量是3*2。整個結(jié)構(gòu)被劃分成為了128個部分?；炷量偟膯卧獢?shù)為4*5*128=2560。鋼筋總的單元數(shù)是3*2*128=768。有限元模型是建立在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，而不是理論數(shù)據(jù)。每個單元的尺寸并不是相同的。由于對作為比較沒破壞和幾何完好的拱肋的理論分析感興趣。相應(yīng)的有限元模型也將被建立，更多的計算將會進行。有限元模型基本和先前的相同。不同之處在于，材料老化方面的影響，裂縫，和被忽視的拱軸線空間的影響。邊界條件因為結(jié)構(gòu)是固定于地面的，起拱面在3個軸線方向上的位移應(yīng)被

20、看作零。3個加載點分別是1/4跨處，1/2跨處，3/4跨處。在每個加載點，施加的荷載都均勻的分配到8個單元上。在加載區(qū)域，JACK和反應(yīng)系統(tǒng)將在水平位移方面產(chǎn)生較大的約束應(yīng)力。因此，在有限元模型中應(yīng)增加摩擦單元。數(shù)值結(jié)果與討論沒有破壞的結(jié)構(gòu)的極限荷載理論值為77.8KN?？紤]了老化和破壞方面因素的有限元模型。對北拱極限荷載能力的理論值為69.7KN，南拱為68.9KN?；乜撮_始，初裂縫的分布是不對稱的。1/8跨處的初裂縫比其他地方要多一些。從理論分析上，破壞處應(yīng)為西邊起拱面和1/8跨處。垂直位移的預(yù)計值在中間處應(yīng)是正的（向下），在1/8跨處和7/8跨處是負(fù)的（向上）。豎直位移的最大值發(fā)生在中間

21、。北拱的最大值為66.3mm，南拱的最大值為64.6mm。橫向位移對兩拱而言較小，預(yù)測的形狀和初始形狀相似。其結(jié)論是，理論分析和實驗觀察吻合較好。在極限荷載作用下，兩拱的破壞模型和變形形狀基本相似。因此，在這里僅對北拱的結(jié)果做一個報道。在有限元分析中，計算步長是自動調(diào)節(jié)的。當(dāng)有許多裂縫變形和荷載達(dá)到破壞荷載時，它變的非常小。這確定了非線性狀況開始出現(xiàn)的精確性。計算步驟和加載步驟是不同的。顯而易見的是，測試中的加載步驟不會那么小有限元預(yù)測的沒有破壞的結(jié)構(gòu)的極限荷載比有限元預(yù)測的考慮結(jié)構(gòu)破壞影響的極限荷載要大。當(dāng)然，相應(yīng)的應(yīng)變和垂直位移要比破壞的拱橋小。對有破壞的拱橋的位移和應(yīng)變的預(yù)測值要比測量值稍小。這是因為在真實拱肋的裂縫和破壞程度比在計算模型所考慮的要多一些。荷載豎直位移以及荷載應(yīng)變曲線在極限荷載的70%以下時，幾乎是線性。此后，非線性狀況開始出現(xiàn)?？梢詮囊?guī)劃的非線性有限元模型中看出，它有很好的精確度，細(xì)節(jié)參考圖2427。 計算出的沒有破壞，幾何性完好的拱肋的極限承載能力要大一些，相應(yīng)的它的應(yīng)變，垂直位移和其他有破壞