RPC預(yù)制拼裝橋墩受力性能研究

1、北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文rpc預(yù)制拼裝橋墩受力性能研究姓名：黃棟申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程指導(dǎo)教師：閻貴平20050301n o n 1 i n e a r ；neeg00e hn g11m np ter1prea11vactatresg ta hna1dgasa11ew(rpc)1sdpr0perdthehstren0rtanc1eernat0a1perf0sent1nchy ；andthean.cy1n1t1eve archana t1 r :y ps c11s s1uep1erinth1sp霜的娠穩(wěn)定便極蠱1 1 1 r p c 新自混凝土問社 系列優(yōu)點迅速成為 術(shù)及土建

2、工程自身并且這一材料還存在* 模生產(chǎn)及使用的原因。為了解決以上混 步減少缺陷和提咼混為 率先研制出一種新的遨 度和反應(yīng)活性，因此柱 cone re t e,簡 積穩(wěn)定性良好的水泥屋 mcont a i n i n g u 1 t r 混凝土。第一章緒論構(gòu)件工廠制造能不受風(fēng)南嚴(yán)寒等氣候條件限制，可以全年均衡牛 產(chǎn)，還可以解決沙石，水源不足等地區(qū)施工的困難，可緩和工期緊迫 的矛盾。rti于拼裝式橋墩具有上述優(yōu)點及近年來許多高強(qiáng)混凝土材料的 應(yīng)用，越來越多的拼裝式橋墩應(yīng)用在鐵路橋梁當(dāng)中。113問題的提出拼裝式橋墩對混凝土的抗壓強(qiáng)度耍求很高，而應(yīng)用r p c制造拼裝 式橋墩，可以充分發(fā)揮這種混凝土的高

3、抗壓特性，為鐵路橋梁中大范 麗使用拼裝式橋墩提供口j能。但是r p c運用于預(yù)制拼裝式橋墩時與普 通混凝土預(yù)制拼裝式橋墩或r p c整體預(yù)制拼裝式橋墩受力特點是不同 的。止常運營狀態(tài)荷載作用下橋墩的墩身強(qiáng)度、墩頂彈性水平位移、 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等是否滿足要求：橋墩的極限承載能力與整體墩是否和 同，極限荷載逐級加載作用下橋墩的抗裂性能、受力特點與整體墩有 何區(qū)別：拼裝式橋墩的施工工藝的探討等等。這些問題都是rpc運用 于預(yù)制拼裝式橋墩時需要解決的一些問題，也正是本文所要研究的內(nèi) 容。本文以墩高為4、6、8 m的r p c預(yù)制拼裝式橋墩為研究對象，參 照鐵路橋梁普通混凝土、鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊一一橋梁墩

4、臺、鋼筋 混凝土裝配式橋墩設(shè)計參考資料，擬訂橋墩類型和截血尺寸，同時不 配置普通鋼筋。運用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ansys建立有限元模型，分 析橋墩的受力特點。§1. 2 rpc材料的研究狀況1 . 2 . 1 rpc的配制原理和制備oowitrpc是一種超離強(qiáng)度、強(qiáng)耐久性、高抗沖擊韌性、低孔隙率的超北京交通大學(xué)碩上學(xué)位論文高強(qiáng)混凝土。它的基本配制原理是：通過提高組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的缺陷（孑l隙與微裂縫）減少到最小，就可以獲得由其組成 材料所決定的、最大的承載能力，并具有較高的耐久性和抗?jié)B性。原 材料中活性組分由優(yōu)質(zhì)水泥、硅粉、細(xì)石英砂（粒徑小于1 mm）等構(gòu) 成，活性組分的粒徑

5、在0. 1 ivm1 mm之間，另外原材料還包括高效減 水劑與短細(xì)鋼纖維等。減少材料內(nèi)部缺陷的措施包括：（1 ）去除粗（粒徑大于1 . 2 5 m）的骨料，以改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性：（2 ）優(yōu)化整體活性組分的顆粒級配，在成型過程中施加壓力，提 高物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度，對于抗壓強(qiáng)度2 0 omp a級的rpc, 可選用優(yōu)質(zhì)活性超細(xì)摻料部分替代硅灰；（3）凝固后通過熱養(yǎng)護(hù)來加速活性粉末的水化反應(yīng)和改善微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)骨科與活性粉末的反應(yīng)，改善界面的粘結(jié)力及其微結(jié)構(gòu)；（4）優(yōu)選與活性組分相容性良好的高效減水劑，以減低水膠比（一 般控制在02 1以下）；（5）摻入微細(xì)短鋼纖維，以提高韌性和體積穩(wěn)定性。應(yīng)

6、用前三條措適可以制備出的混凝土具有較高強(qiáng)度的抗壓強(qiáng)度，但是其韌性和體積穩(wěn)定性與普通的砂漿和比，并不具備明顯的優(yōu)勢。當(dāng)往英組分中摻入微細(xì)短鋼纖維后，其抗彎拉強(qiáng)度明顯提高，同時可以獲得所需要的高韌性和體積穩(wěn)定性。如果在加水z前摻入鋼纖維，更有利于粉碎加水時形成的顆粒，促進(jìn)微結(jié)構(gòu)的發(fā)展完善。rpc的制備與普通混凝土相同，采舟攪拌機(jī)對配合材料進(jìn)行攪拌。 攪拌的材料能流入成型即可。成型后的養(yǎng)護(hù)工藝與一般混凝土有所不 同，rp c 8 0 0級經(jīng)加壓成型和2 5 04 0 0。c高溫養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)4 9 0 6 8 0 n / nm 1 2。如將細(xì)骨料砂換為鋼粉末，由于骨料強(qiáng)度提高，據(jù)有關(guān)文 章介紹，

7、最高強(qiáng)度可高達(dá)8 0 on/mf f o rpc 2 0 0級未經(jīng)加壓成型，采用 高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)1002 3 0 n/m f fo笫-章緒論1 . 22 rpc的力學(xué)性能和環(huán)保性能勵婦1活性粉末混凝土根據(jù)其抗壓強(qiáng)度分為rpc 2 0 0和rpc 8 0 0 o 2 0 omp a 級的rp c材料己在工程中應(yīng)用，8 0 omp a級rp c材料則處在實驗室試配 階段。其力學(xué)性質(zhì)如表1. 1所示。表1. 1rpc的力學(xué)性質(zhì)性能 rpc200rpc800凝結(jié)期加壓/ h 1 p a無1 05 0加熱養(yǎng)護(hù)/。c29 0 2 5 0400抗壓強(qiáng)度棚p a 1 7 023050 08 0 0

8、抗折強(qiáng)度/mp a 3 06045140斷裂能 / (j / 1 1 1 - 2 ) 2 0 0 00 400 0 0120 0 02 0 0 0 0彈性模量/g p a 5 06065752 0 0級的r pc比高性能混凝土在強(qiáng)度、斷裂能和耐久性方而高出 很多，其強(qiáng)度可以與鋼相當(dāng)。表1. 2給出了rpc與hpc的力學(xué)性能指 標(biāo)。表1. 2 rp c和hpc的主要力學(xué)性能比較性能h pcrpc2 0 0抗壓強(qiáng)度/mp a 6 0160180200抗折強(qiáng)度/mp a 61 03050斷裂能 / (j/m4) 14010000 4 0 0 0 0彈性模量/g p a 3 04 05060從表2中可

9、以看出，rpc的抗壓強(qiáng)度是hpc的3倍，其抗折強(qiáng)度 和斷裂能大大提高。其抗折強(qiáng)度達(dá)5 0 mp a，是ii pc的1 0倍。摻加微細(xì) 的鋼纖維能顯著地提高r p c的韌性和能量的吸收能力，其斷裂能達(dá)3 0 0 0 0 j i m2,可與金屬鋁媲美。r p c屬于高斷裂能的材料，其斷裂能和 抗彎強(qiáng)度接近于鋁，比鋼低一個數(shù)量級；與水泥混凝十和比，抗彎強(qiáng)北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文度高一個數(shù)量級，斷裂能高2個數(shù)量級以上。表1. 3比較了各種材料的斷裂能。表1. 3不同材料的斷裂能i材料種類玻璃陶瓷及巖石普通混凝土金屬rpc鋼i斷裂能 5 < 1 0 0 1 2 0 ） 100003000010 0

10、 0 ihr p c具有極小的孔隙率，因此滲透率非常低，具有超高的耐 久性。表1 4中對普通混凝土（nc）、hpc、rpc的主要耐久性指標(biāo)進(jìn)行 了比較，可見rpc的耐久性指標(biāo)大大優(yōu)于n c和h p c。表1. 4nc,胛c、rpc的耐久性的比較性能 n c h p c r p c氯離子擴(kuò)散 / 1 0 “m 2 s 1 1 . 1 o. 6 0 . 0 2碳化程度/mm 10 2 0冰一融剝落 / g cm。2>1 0009007磨耗系數(shù)4 . 0 2. 8 1 . 3吸水性（i （g/m2） 0. 350. 0 5rpc還具有良好的環(huán)保性能。表1. 5給出了同等承載力條件下，普通型3

11、ompa混凝土、3 0 mp a的hpc及rpc材料的等效體積、水泥用 量、生產(chǎn)水泥過程co。排放量及骨料用量。由表可見，同等承載力條 件k,同等量rpc材料水泥生產(chǎn)過程c 0。排放量只有普通混凝土一半左 右。表1 . 5同等承載力條件下不同混凝土材料的生態(tài)性能比較品種 3 0 mp a混凝土 6 0 mp a級t t pc 2 0 0 mp a級rpc等效體積（m3） 1 2 6 10 0 3 3水泥用量（t ） 4 4 4 0 2 3c 0 z排放量（t ） 4 4 4 0 2 3骨料用量（t ） 2 3 0 1 7 0 6 0站二至於保1.2. 3 rpc在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀rpc由法國b

12、ouygue s公司率先于t 9 9 3年研制成功，隨厲，美國、 加拿人等國的眾多政府科研單位和企業(yè)也從事這方面的研究與開發(fā)工 作。綜合目前國際上活性粉末混凝土的研究與應(yīng)用情況如下：美國的“提高建筑生產(chǎn)力的研究”（簡稱cpar）計劃及法國與美國陸軍工程師團(tuán)合作生產(chǎn)的r pc制站包括：大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù) 制梁和桁架、壓力流體管道等混凝土制品的工業(yè)化生產(chǎn)。2 0 0 1年美國 伊利諾斯州用rp c建成了 1 8 m宜徑的圓形屋蓋，有2 4塊厚1 2. 7mm的 工廠預(yù)制的n形板組成。該屋蓋未使用任何鋼筋，設(shè)計中考慮了活性 粉末混凝士的延性，直接承受拉、壓應(yīng)力及初裂應(yīng)力?，F(xiàn)場拼裝用時1 1天，

13、比采用鋼結(jié)構(gòu)省2 0多天。該屋蓋結(jié)構(gòu)獲2 0 0 3年n ova獎提名。法國在預(yù)應(yīng)力混凝土梁中采用活性粉末泯凝土，由r p c材料承受剪切力，可完全取消附加的抗剪配筋，而且還可以減小梁的截面和配 筋量。另外，用活性粉末混凝土制造高抗?jié)B、高耐久的市政管道和放 射性固體廢料儲存容器。用rpc制備的固體廢料儲存容器，可長期儲 存中、低放放射性廢料，其使用壽命可高達(dá)5 0 0年。在韓國的漢城，座跨度為1 2 0 m的拱橋已經(jīng)建成。該橋由6段拼裝麗成，每段長2 0 m,高1. 3m,薄壁箱梁截面，壁厚只有3 0 mm,不使用普通鋼筋。這種尺寸采用普通混凝土是實現(xiàn)不了的。該橋不僅只 用了其材料強(qiáng)度的一半（

14、抗壓強(qiáng)度：2 3 （ 1 ap a ,抗彎強(qiáng)度：5 0 j i 1 p a ）,而 且其高耐久性使其在運營中可節(jié)省大量的維修費用。在歐洲，一座跨越克羅地亞的e aka海峽的跨度為4 3 2 m的rpc 活性粉末混凝土拱橋正在進(jìn)行設(shè)計中。而在澳人利亞，正在修建一座rpc建造的公路橋梁。加拿大在以往rpc配合比研究的基礎(chǔ)上，1 9 9 4年開始進(jìn)行工業(yè)化 試驗，并研究了無纖維rpc鋼管混凝土。目前可在常規(guī)的混凝十生產(chǎn) 工藝條件下生產(chǎn)r p c ,無纖維rpc鋼管混凝十不僅強(qiáng)度高，而且韌性也 優(yōu)于纖維rpco根據(jù)此研究成果，在處于惡劣壞境條件下的加拿大魁北京交通大學(xué)碩上學(xué)位論文北克省一條河上用rpc

15、預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場組裝了一座跨長6 om步行/白行 車混凝土桁架橋"（見圖卜1 ）。該橋采用rp c后不僅大大減輕了 口重， 而口大幅度提高了在高濕度環(huán)境、頻繁受除冰鹽腐蝕與抗凍融循環(huán)作 用下的耐久性能。通過這些工程應(yīng)用，初步顯示出活性粉末混凝土良 好的使用性能、簡便的生產(chǎn)和施工工藝。圖1 1加拿大舍布洛克p o e步行/ 口行車專用路橋在國內(nèi)，清華大學(xué)、長沙鐵道學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)、北京交通大學(xué)等單 位在rpc研究方曲做了有益的嘗試。湖南大學(xué)的何峰、黃政宇等人試 驗研究了原材料胡種、性質(zhì)及配合比對rpc強(qiáng)度的影響；同濟(jì)大學(xué)的 龍廣成等人研究了養(yǎng)護(hù)溫度和齡期對水泥、粉煤灰以及硅灰等粉末材 料為

16、主要原料的rpc強(qiáng)度的影響，以期確定最佳養(yǎng)護(hù)條件；清華大學(xué)的 曹峰、覃維祖在水泥基體中復(fù)合使用粉煤灰，在減少硅灰用量、降低 r p c成本等方團(tuán)做了嘗試；北京交通大學(xué)在橋梁廠研制開發(fā)出了鐵路 橋梁道面板所用構(gòu)件，面板厚度為5 c r a空心板（無配筋），支撐的厚度 為4 0 r nm,擬在青藏鐵路多年凍土的橋梁上進(jìn)行試驗應(yīng)用。并做了矩形（t形）配筋與無配筋梁實驗、鐵路2 4 m簡支t形梁、3 2 m簡支槽形梁 的模型設(shè)計與實驗，從應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)性分析方面進(jìn)行了探討“。冃前，rp! c已成為國際工程材料領(lǐng)域一個新的研究熱點。1 9 9 8年 8月在加拿大召開的高性能混凝土與活性粉末混凝土國際研討

17、會上， 就rpc的原理、性能和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的討論，與會專家一致認(rèn)為，7作為一種新型混鴻 問題，主要有（: 驗收標(biāo)準(zhǔn)。法國才 無國家級通用的3 范，且對rpc纟 在我國工程建設(shè)令 要的意義。§鑒于上述拼z（3 ）支承條件：固:第二章拼裝工rp c作為一種菊 的材料性能可以達(dá)到荷究分析表明，與普通沾 之一至三分之一。合:if§2 1；根據(jù)文獻(xiàn)就名 明顯優(yōu)于工字墩和雙左 十（2 0x6 0x3 cf (4 )r載:列車活載為鋼絞線長度5 2 0(7 )墩帽梁及 絞線7由5 ,基不 數(shù)如下：(a ) r p c 2 0抗壓極限引抗拉極限弓 tit性電 (b9)預(yù)應(yīng)才鋼絞線7沖sf

18、efe 強(qiáng) ef ：1i對哪財u凰力宦n2 . 12荷載計;(1 )恒載梁部恒載 :n沖擊梁帽及墩柱自重覓表表部位墩柱1墩i帽梁自重5 7 . 2 6 9f塑三蘭絲薑芒塑燮芒塑翌壅墮螯宇力另 柱頂以上風(fēng)力 基頂以上風(fēng)才 對柱頂力矩m 對基頂力矩m(4 )荷載組合根據(jù)鐵路橋規(guī)選員a 上部纟樹牆叢點按謙j堿無收縮;加載工況：工況1:預(yù)應(yīng):工況2：預(yù)應(yīng):工況3：預(yù)應(yīng)7§2 ,2 . 2 . 1墩柱的戈ia）由預(yù)制卩 需要時間，工期電b）就地灌 地澆注的填縫部3 式比較可以縮短二c ）由于沒: 度尺寸受到運輸: 綜合比較、研究:2. 2 . 1墩啪 / o ?臂施工法進(jìn)行架設(shè)。越 體，配備齒

19、形接臺鍵孩 3種方式的評價：1就地灌注部3 和墩帽梁的連接較容易 較長。2 .懸臂長度的滅 梁的連接方法較復(fù)雜；3有必要重新馬 特點，可以縮短工期并因為墩柱的戈lj1二瑙其特性和評價仲結(jié)構(gòu)比較：1在組拼承 承臺混凝土。預(yù)先鋼筋。在承臺中要彳鍵養(yǎng)衙前披翦鍵狗趣?承受軸向力的結(jié)構(gòu)。岀 備鋼制齒形鍵作為定彳 到組拼時的穩(wěn)定，在出 導(dǎo)入一定的壓應(yīng)力。彳 接器接頭來做連接。2 . 3 . 1 . 3墩柱予墩柱最上部的預(yù): 敷樹脂類粘接劑，通i 對作用于連接部分的e橋墩受力和工作彳置方式有關(guān)，體p2 . 3 . 2選員2 . 3 . 2 .1 二混凝土拼裝; 氧樹脂接縫三種? 的施工中，它省: 成本和縮短

20、工期e配合比（重量）23 . 2 . 2環(huán)氧祝1環(huán)氧樹脂膠總的歹 有環(huán)氧樹脂及改性環(huán)皐 等；b ）無機(jī)類結(jié)構(gòu)慮 加固的無機(jī)膠不太多，目前較為常用的: 的是yz j一1粘鋼纟j 改性胺為固化劑，由買 高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠。此種膠也(1 )制造最合理的施工21 要求。筆者通過店 拼裝墩的施工流走堂堡）堡蠱2取7 124. 2拼坯2 . 4 . 2 . 1 戈墩柱預(yù)制塊e 半徑的要求要使戶 垂直預(yù)應(yīng)力鋼筋。 制塊疊置后，依次(1)承臺施工在承臺中e勺戈注汩熔一在逐 用連接器連接垂雀 在連接面上涂敷步 由汽車吊將預(yù)制吉 張拉垂直預(yù)應(yīng)力42 . 4 . 2 . 2墩帽梁方墩帽梁預(yù)制塊的運 設(shè)與連接作業(yè)要設(shè)置專 囂

21、勵辣的有限元方法是將連 分原理”。有限單元洱 求總能量表達(dá)式，然后 元上以選定的全部節(jié)點 的插值函數(shù)（即形函數(shù) 待定位移來表示。近似 移帶入能量表達(dá)式，運 的有限元方程，求解有 后在每個單元上使用節(jié)£ 審 3 a s>x i ) tw14乙【飛°x紐無字庫甲衛(wèi)寅iwm»www材料僅有單軸剛度。s o 1 i d 6 5 用 用。該單元也可用于混 石）的模擬。開裂、壓; 材料表中的單軸抗拉、; 來實現(xiàn)的。單元類型為l i n玉8一第三章有限元模些的建立§ 32 ansys中預(yù)應(yīng)力與混凝土的處理方法選擇在ansys軟件中，預(yù)應(yīng)力混凝土分析（有粘結(jié)1可采

22、用等效荷載 法和實體力筋法2 3】。所謂等效荷載法，就是將力筋的作用以荷載的形 式作用于混凝土結(jié)構(gòu)；所謂實體力筋法就是川s o 1 i d單元模擬混凝土， 而用1 i nk單元模擬力筋，將混凝土和力筋劃分為不同的單元，通過耦 合達(dá)到共同作用的效果。本文研究采用實體力筋法，其優(yōu)點是：可以 模擬預(yù)應(yīng)力的實際狀況。一般有兩種方法：降溫法和初應(yīng)變法，其屮 降溫方法町以模擬力筋的損失，但是工作量大；初應(yīng)變法通常不能考 慮預(yù)應(yīng)力損失?？傮w看實體力筋法可以克服等效荷載法的上述缺點， 計算結(jié)果較為口j靠。缺點是：建模工作量比等效荷載法大。實體力筋法法在本文建模中的基本思想有兩種：a 1混凝土實體和 力筋獨立建

23、立幾何模型，分別劃分單元，然后采用耦合方程將力筋單 元和實體單元聯(lián)系起來，這種方法是基于有限元模型的處理。佛先建 立混凝土實體兒何模型，在由模型中的節(jié)點生成鋼筋單元，不需要耦 合。由于拼裝墩簡化后模型相對比較規(guī)則，第二在文中用的較多。§3o 3拼裝式橋墩建模3. 3. 1橋墩整休受力性能研究建模本文運用ansys建模不考慮基礎(chǔ)對橋墩的影響，除墩帽梁以外,所有模型均底部施加i古i定約束。3. 3. 1 . 1墩帽梁驗算建模（1）屬性定義單元類型s ou d 4 5 u_n k 8彈性模量45gpal95gpa 泊松比0 2 5 0 _ 3實常數(shù) a r e a = 4 2 8 . 9

24、7 (mm2) oy/e = 0. 0 0 4 6 1 5比重2 6 0 0（2）實體建模墩帽梁尺寸比較小并且形狀規(guī)則，因此可以通過g u i方式建模。墩帽梁是先生成面，付與所生成的血平面單元屬性（如p 1 a n e 4 2）然后劃分平面網(wǎng)格。轉(zhuǎn)換單元類型為s o 1 i d 4 5,通過a ns y s中由面生成體操作生成墩帽梁體單元（實體單元邊長均為0. lm）。刪除平面網(wǎng)格。在梁底接縫處施加約束，然后施加荷載，計算分析。因為模型的網(wǎng)格劃分比較規(guī)則，鋼筋單元節(jié)點正好與s 0 1 i d 4 5單元節(jié)點重合（鋼筋單元長也是0. im），鋼筋與混凝土的耦合相對比較容易，所以通過耦合建立鋼筋與

25、混凝土的相互作用。墩帽梁模型如圖3. 4。圖3_4墩帽梁模型3. 3. 1 . 2墩身強(qiáng)度和墩頂彈性位移分析建模（1）屬性定義3 . 2 ansys模型的材料屬性rpc鋼筋環(huán)氧樹脂膠單元類型 solid45link8solid45彈性模量 45gpal95gpa6. o e 3泊松比 0 , 2 5 0. 3 0 . 3 5area = l 143. 9 2 （xll實常數(shù)02）y/e=o.0046 1 5比重 2 6 0 0 （ k g / m 6 ） 2 6 0 0 （ k g / m 3 ）（2 ）實體建模建立墩柱模型時，為了方便建模，去掉梁帽兩端懸僭部分，以等 效荷載加至墩柱。經(jīng)過上述

26、簡化模型后模型顯得比較形狀規(guī)則，因此 也是通過gu i方式建模。墩柱的建模過程與墩帽梁相同。先生成面， 付與所生成的面平面單元屬性然后劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換單元類型和材料特 性為環(huán)氧樹脂膠單元，面生成體接縫，轉(zhuǎn)換單元類型和材料特性為混 凝土單元，再由血生成體混凝十預(yù)制塊，如此循環(huán)，直到生成拼裝墩 幾何整體，刪除平ui網(wǎng)格。在墩柱底接縫處施加約束，然后施加荷載， 計算分析。（3）網(wǎng)格劃分預(yù)制塊網(wǎng)格劃分的粗一些，接縫處網(wǎng)格細(xì)些，平而網(wǎng)格的劃分為邊長1 0 cm-單元，預(yù)制塊網(wǎng)格沿墩柱軸向以2 0 cm長度為一單元， 接縫處網(wǎng)格劃分以0. 1 cm為一單元（接縫總寬度為02cm）。橋墩中預(yù) 應(yīng)力鋼筋的分布很

27、規(guī)則，但考慮到為了使接縫處鋼筋單元與環(huán)氧樹脂 膠能更好的共同受力，鋼筋單元采用由節(jié)點生成的單元的方法建立，以長2 0 cm為一單元，接縫處鋼筋單元以長0. i cm為一單元。整體橋 墩簡化模型如圖3 . 5。一an圖3-5整體橋墩簡化模型3. 3. 1 . 2橋墩穩(wěn)定性分析建模（1）屬性定義表3. 3 ans y s模型的材料屬性表種類拼裝墩單元類型b e am 3彈性模量 e 1 = 4 . 53e1 0e2 = 4. 528e1 0e3 = 4. 5 2 3 e1 0泊松比不需耍慣性矩；ii=0. 082512 = 0. 1 4 9 1 3 =0 . 2 4 7實常數(shù)截面面積：h 1 =0

28、. 6 4 a 2 =0. 8 h 3 =0. 9 6邊長：b 1 = i . 0 h 2 = 1 . 2 b 3 =14（2 ）實體建模及生成單元橋墩穩(wěn)定性分析是將橋墩模型簡化為梁單元（e e am 3）進(jìn)行的，預(yù)制塊以長4 0 a m為一單元，接縫處為0 i c m。單元的生成是通過節(jié)點來建立的，輸入常數(shù)中的彈性模量是預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土的綜合彈性第二章竹限元模世的建芷模量。3. 3. 1. 3橋墩非線性分析建模實體模型與網(wǎng)格劃分與墩柱墩身強(qiáng)度和頓頂彈性位移分析建模相同，屬性定義屮除了混凝土單元選擇s ol i d 6 5外其他參數(shù)相同。模 型見圖3 6。an圖3 6橋墩非線性模型圖橋墩抗裂

29、和極限荷載非線性分析需要注意的一些問題現(xiàn)敘述如卜®'：（1）關(guān)于本構(gòu)關(guān)系非線性分析需要輸入各單元材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，下面分別給 出各種材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線1）環(huán)氧樹脂膠的應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖37所示：圖3 9鋼筋應(yīng)力一應(yīng)變曲零（2） ansys屮的塑性分析選項的選擇第仃限兀模型的建立ansys提供了多種塑性材料選項。在此主要介紹四種典型材料選項?？梢约せ钜粋€數(shù)據(jù)表來選擇這些選項。（1 ）經(jīng)典雙線性隨動強(qiáng)化（b k i n）經(jīng)典雙線性隨動強(qiáng)化（bk i n）使用一個雙線性來表示應(yīng)力一應(yīng)變 曲線，所以有兩個斜率：彈性斜率和犁性斜率。由于隨動強(qiáng)化的von m i s e s屈服準(zhǔn)則

30、被使用，所以包含有鮑辛格效應(yīng)，此選項使用于遵守v o n m i s e s屈服準(zhǔn)則。初始為各向同性材料的小應(yīng)變問題。這包含大 多熟金屬。需要輸入的常數(shù)是屈服應(yīng)力和切向斜率，可以定義高達(dá)六 條不同溫度下的曲線。（2）雙線性等向強(qiáng)化（e i s 0）雙線性等向強(qiáng)化（b i so）也是用雙線性來表示應(yīng)力一應(yīng)變曲線， 在此選項中，等向強(qiáng)化的vo nm i s e s屈服準(zhǔn)則被使用，這個選項一般 用于初始為各向同性材料的大應(yīng)變問題。需要輸入的常數(shù)與ek i n選 項相同。（3）多線性隨動強(qiáng)化（ml kn）多線性隨動強(qiáng)化（m i kn）使用一個多線性來表示應(yīng)力應(yīng)變隨線, 模擬隨動強(qiáng)化效應(yīng)，這個選項使用y

31、o nm i s e s屈服準(zhǔn)則，對雙線性選 項（bk i n）不能足夠表示應(yīng)力一應(yīng)變曲線的效應(yīng)變分析是有用的。需 要輸入包括最多五個應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)點（用數(shù)據(jù)表輸入），可以定義 五條不同溫度下的曲線。在使用多線性隨動強(qiáng)化時，可以使用與bk i n 相同的步驟來定義材料特性，所不同的是數(shù)據(jù)表屮輸入的常數(shù)不同。（4）多線性等向強(qiáng)化（m i so）多線性等向強(qiáng)化（miso）使用多線性來表示v o n m i s e s屈服準(zhǔn)則 的等向強(qiáng)化應(yīng)力一應(yīng)變曲線，他適川于比例加載的情況和大應(yīng)變分 析。需要輸入最多1 0 0個應(yīng)力應(yīng)變曲線，最多可以定義2 0條不同 溫度下的曲線。本文采用雙線性等向強(qiáng)化（b i s

32、 0）輸入鋼筋的材料非線性特性，采用多線性等向強(qiáng)化（miso）輸入混凝土材料非線性特性（3）菲線性求解的組織級別非線性求解被分為三個操作級別：荷載步、子步、平衡迭代。項層級別由在一定“時間”范圍內(nèi)明確定義的荷載步組成，假定荷載在荷載步內(nèi)是線性變化的，則在每一個門步內(nèi)，為了逐漸加載可以控制程序來多次求解（予步或時間步）。在每一個子步內(nèi)，程序?qū)⑦M(jìn)行一系列的平衡迭代以獲得收斂解。為了提高精度，在計算中取足夠的子 步是有必要的。（4 ）采用足夠的網(wǎng)格密度考慮到經(jīng)受塑性變形的區(qū)域要求一個合理的積分點密度。每個低階單元將提供和高階單元所能提供的一樣多積分電數(shù)，因此經(jīng)常優(yōu)先丁塑性分析。在巫耍塑性區(qū)域網(wǎng)格網(wǎng)格

33、密度變得特別重要，因為大撓度要求對于一個精確的解，每個單元的變形不能超過3 0。在接觸表面上提供足夠的網(wǎng)格密度以允許接觸應(yīng)力以一種平滑方式分布。在考 慮網(wǎng)格密度的同時也應(yīng)該考慮到計算時間問題。（5）混凝十壓碎的設(shè)置不考慮壓碎時，計算相對容易收斂；而考慮壓碎時即便是沒有達(dá)到圧碎應(yīng)力，也比較難收斂。如果是止常使用情況下的計算，建議關(guān)掉壓碎選項；如果是極限計算，建議使用c o n c r +t i s 0且關(guān)閉壓碎檢 查；如果必設(shè)壓碎檢查，則要通過大量的試算（設(shè)置不同的網(wǎng)格密度、 n s ub s,）以達(dá)到目的，但也很困難。（6 ）合理使舟平衡迭代務(wù)必允許程序使用足夠的平衡迭代。在緩慢收斂，路徑無關(guān)

34、的分析中這會是特別重要的。相反，在與路徑嚴(yán)重相關(guān)的情況k,可能不應(yīng)該增加平衡迭代的最人次數(shù)超過程序的默認(rèn)值（25）。如果路徑相關(guān)問題在一個給定的子步內(nèi)不能快速收斂，那么，該解可能偏離理論 荷載響應(yīng)路徑太多。通過強(qiáng)迫分析一個較小的迭代次數(shù)后終止，可以 從最后成功的收斂時間步重啟動（anty p e）。建立一個較小的時間步 長，然后繼續(xù)求解。3. 3. 1 . 3整體墩與拼裝墩比較分析建模由于不用考慮接縫單元，整體墩的建模相對拼裝墩要容易，除去環(huán)氧樹脂膠單元，整體墩屬性定義與拼裝墩相同。整體墩混凝土單元的劃分為長1 o c r n個單元，鋼筋的單元長度也為10cm,通過而生成體來生成混凝土實體模型

35、，在兩者均劃分e元完畢后，將其耦合。模型圖見圖31 0圖3- 1 0整體墩模型圖§34小結(jié)在本章中，作者深入了解有限元基本原理，運用ansys有限元人型結(jié)構(gòu)分析軟件建立拼裝墩各種模型，初步掌握了一些基本的建模技巧。特別是在非線性分析當(dāng)中，通過對非線性分析時一些應(yīng)該注意的問題的研究，對ans y s有限元分析軟件在做非線性分析時的運行及操 作機(jī)理有了更深一步的理解。在這里有一點遺憾的是本文的有限元模型相對來說是比較簡單的，在建模過程當(dāng)中幾乎沒有涉及命令流建模。這對于將來涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模是非常不利的。第四章拼裝墩j墩帽梁在本文不 帽梁為受彎構(gòu)件，因. 件進(jìn)行設(shè)計。如果墩i 那么墩帽梁基準(zhǔn)

36、預(yù)制: 帽梁按全預(yù)應(yīng)力條件 切的分析，因與跨度;由表4. 1可 載作用下不出現(xiàn)拉衛(wèi)8. o412剪切禺設(shè)計抗剪力計算公丁式中：, c 北京交通_人學(xué)碩士學(xué)位論文通過計算得出各橋墩墩帽梁b-b截面的設(shè)計抗剪力為：礦1扛=4788knv2 斥=5746knv3 肛=6 7 1 2 k n對比表4. 2的數(shù)據(jù)，各橋墩墩帽粱的抗剪安全系數(shù)為：v 1 fe/v=l. 25v2 rc/v=l. 57v3 fc/v = l. 8 3三個橋墩的抗剪安全系數(shù)均大于1，墩帽梁滿足抗剪要求，綜上，墩帽粱的各項性能均滿足設(shè)計要求，并口有較人的女全儲 備，可以考慮將其設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)。§4 o 2墩柱分析墩柱是

37、軸向力起支配作用的構(gòu)件，作為pc結(jié)構(gòu)設(shè)計，墩柱的結(jié)構(gòu)為橫向劃分方式，垂直預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力是把每一預(yù)制塊的臨時 張拉和墩帽梁的基準(zhǔn)預(yù)制塊架設(shè)以后進(jìn)行的止式張拉合在一起考慮 的。由于承臺混凝士的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度要比墩柱小，在連接部分的承臺 一側(cè)如果強(qiáng)度顯的不夠，則口j以在最下段預(yù)制塊的空心部分就地淋注 一段rpc混凝十，確保應(yīng)力分布的寬度。42. 1墩身強(qiáng)度4. 2. 1. 1墩身軸向應(yīng)力分析各橋墩在工況一、二作用下，墩柱木身不承受彎矩，屬于軸心受壓 構(gòu)件，同截面上的各點承受相同的壓應(yīng)力。橋墩1、2、3在工況一、 工況二的作用卜橋墩軸向應(yīng)力沿橋墩從下到上分布如圖4 2一4 . 7。 橋墩1 :巨司（

38、為ntr n nw) i r 右月f琳巾恰斛*目圖4 2:r ； * ：管 0 凜。，圖4 5橋墩3m： n署：滋囂一女*y 刖4. 7北京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文可以看出，橋墩1、2、3在工況一、一r況一一作用下橋墩軸向應(yīng)力 沿軸向方向均呈線性分布，應(yīng)力曲墩頂至墩底逐漸增大，最大受壓截 面均出現(xiàn)在墩柱底部。其壓應(yīng)力最大值分別為3. 9 6 3、3. 2 18、 2 . 7 1 4mp a o遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)度耍求。運營荷載作用下各墩柱軸向正應(yīng)力云圖見圖48、 49、 410。i圖4. 8橋墩1軸向正應(yīng)力云圖圖帥9橋墩2軸向止應(yīng)力云圖第剛章拼裝墩正常運營狀態(tài)整體受力性能分析w.f irrifivrcr-

39、h.v4itf vmat 黑刃 wn . v4v >r «r< m圖4. 1 0橋墩3軸向正應(yīng)力云圖在運營衙載即工況三作用下各墩柱截面軸向正應(yīng)力見表4 _3、4.4、5橋墩3工況3截面正應(yīng)力表單位：mp a截而應(yīng)力點abcdefgh10. 8 7 2 0 8 9 9. 9. 433. 9. 0 0 43.5.20 2660。 2 6 8 - 8.0 9 7 5.1 -22.7.7 8 47 .2-5 93.6-47. 4.7-45 6 81576.67 .6641.1.398 .146 .29 8 .6 .292 2 . 3102 . 313 .592 7.6126812

40、684 一-5.54 55o0 5305 451 83 ,51817 861 69 2 453.3. 3,79北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文表4. 4橋墩2工況3截面正應(yīng)力表單位：mp a截面應(yīng)力點abcdef6h1. 10. 6660 68 7 1 0 7 5 8 .564 一1 578 . 8. 4 2 1 8 . 4022-2 02 6 5 . 0. 2 4 2. 9. 72.9. 5 1 . 2.8 2 . 1 2 4 7 . 8 3 2 7 . 8 1 97-888282 2. 691 一 7, 2 4 3 - 7 2 4 1096-7. 964-75 5 7 . 3. 2 2 6 3.

41、2 4 6 . 6. 6 5 1 7 . 6 4 05_5 - 30 2 4 . 7. 016 . 6 9 0 1 - 3 . 78. 3. 7 9 2 . 6. 062 6 066 64 063 一 4. 10】-6j0 88 . 5. 932一4一3344 八 339o 4 8 3 - 5 . 4757. 7.4. 6 7 6 4. 6 9 1 _4 892。 4 880 一 4 5 7 9 4 5 9 0 - 4 8 8 7-4 903表4. 3橋墩1工況3截面止應(yīng)力表單位：mp a截面應(yīng)力點abcdefgh10. 954 0. 976 125 9 3121彳9一1542 10 2一10

42、 1370. 8 3 7 1 0. 6 2 9 . 2. 3”八2 3 4 2 一9 2 1 9 . 0132 319207 一 4. 107 4. 176 一 7, 98. 7. 9 4 34 44. 423 一 4. 442 7 . d 7 2 - 7 6 4 5 ; 5. 089 一 5 . 196 一 7 . 01 一 6 . 9 9 35-5 . 5. 9. 5. 914 一 6. 1 1 2 . 6 . 1 1 1 - 5 . 8 3 0. 5. 809 一6 10 一 6 . 100從上血表格的數(shù)據(jù)可以看出，在運營荷載作用下，各個輯墩的整體受力性能良好。橋墩1、2、3的最大拉圧應(yīng)

43、力均出現(xiàn)在接縫卜1截血，最大拉應(yīng)力分別為0. 976mpa、0 . 687mpa、0. 8 9 9 mp a ,最大壓 労分別為一 1 2. 593mpa、一1 0. 758mpa、一 9. 4 3 3 mp a o 滿足強(qiáng) 叉x駕柱a-b截血軸向應(yīng)力沿軸向口墩頂?shù)蕉盏字饾u遞減，而c-d截血則是逐漸增加，到墩底截團(tuán)，應(yīng)力達(dá)到最大值。如果墩底截面出現(xiàn)局部應(yīng)力過人而不滿足基礎(chǔ)強(qiáng)度要求，應(yīng)在墩底預(yù)制塊的空心部分就地灌注一段rpc混凝土，確保應(yīng)力分布的寬度。本文各橋墩從驗算數(shù)據(jù)看沒有灌注混凝土的必要。對比橋墩1、2、3。雖然橋墩2和橋墩3的墩高要比橋墩1大，但是由于橋墩結(jié)構(gòu)幾乎接近偏心受壓并且橋第pq

44、章拼裝墩止常運背狀態(tài)整體受力性能分析墩2和橋墩3的截面面積和慣性矩要比橋墩1大，所以運營荷載作川 下橋墩3整體受力性能最好，依次是橋墩2,最后才到橋墩1。4. 2. 1. 2接縫受力性能分析工況三作用下墩底接縫截血1 1止應(yīng)力分布如圖4 . 1 14 . 19。b一一 c方向正應(yīng)力圖:回圃橋墩1：v t frm. !)!)1 m 1 r“iinr i iv m獅！嘲裡磐器32斛柏¥冃圖 4 .12圖 4 . 11橋墩2圃o :警;:>?:§戴。二。°圖41 3圖414圈x，m囂祭器mvffl廿圖4 15北京交通人學(xué)碩丄學(xué)位論文橋墩3：e三間0 2 0 勺聰哉

45、風(fēng)fj -ih) j6m 1 y4“ 0，j 1圖417f説噌緲翔卅首月一倦鞭m)扁囂警:比m蚩轉(zhuǎn)1甘由上面圖形看岀，接縫處于彈性范圍內(nèi)，bc方向各橋墩軸向丿升分布基本晉合平截面假定。從截面1 1至截面7. 7 ,各截 面軸向韻7分布幅線的t g ( n )值逐漸減小。b一一a方向(只繪出最不利接縫截而1-1 )：橋墩1 :f習(xí)圃22 旳a4 而 o m-o0 7:掣，t moo接縫1 ie一a方向的正應(yīng)力由兩端口中間遞減，數(shù)值很小，說 明接縫處有非常微小的剪滯效應(yīng)并口隨墩柱截血寬度的增加而遞增。 由于墩寬非常小，剪滯效應(yīng)的應(yīng)力分布在b一a方向幾乎沒有什么 不正常波動。對比其他接縫b一a方向的

46、正應(yīng)力，山1一1截面到9一9 截面，剪滯效應(yīng)逐漸減小。最人剪滯效應(yīng)，發(fā)生在橋墩三墩柱底部接 縫處，其剪滯系數(shù)x = l. 0 2 0 2,數(shù)值很小，在設(shè)計中可以忽略不計。 c一一d方向（只繪出最不利接縫截而1-1 ）：*% 1 r-z'iiitk 壤川 1 1 # 自冃*】扛a! n 月 t#o1 1 r # 自自女 hm 冃圖 4 一 23圖 4 .24北京交通人學(xué)碩士學(xué)位論文接縫c 一一d方向的應(yīng)力分稚具有aib一 a方向應(yīng)力分布相同的特征。最大剪滯系數(shù)九=1. 0 2 8 9。對比c 一一 d方向與b一 a方向 應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，剪滯效應(yīng)隨截面應(yīng)力絕對值的增大而增大。4. 2. 2墩

47、頂彈性水平位移空心墩頂彈性水平位移包括荷載作用下的彈性水平位移、h照溫 差作用下的彈性水平位移以及基礎(chǔ)和基底土壤的彈性變形。橋墩墩項處的彈性水平位移應(yīng)符合卜列規(guī)定i j :順橋向或橫橋向(ao ) s s , g式中l(wèi)廣.橋梁跨度，當(dāng)l (2 4m時按2 4m計算 ,(.)一墩頂帽處順橋或橫橋方向的水平位移。墩頂彈性水平位移組合：由于不考慮離心力的彫響，因此順橋或橫橋方向組合一樣：a ,蘭iv + 厶，或 a。； a ii + 0 . 4 , +0. 5 a rao 制動力和支座反力產(chǎn)生的位移式中：,風(fēng)荷載產(chǎn)生的位移。一一h照溫差產(chǎn)生的位移(1)荷載作用下的彈性水平位移由橋上活載制動力、作用于

48、墩身的 風(fēng)荷載或離心力引起，計算時按下結(jié)固的懸痔梁計算。a：式中:第陰冷拼裝墩疋常運營狀態(tài)整體受力性能分析（2 ）同照溫差作用卜的彈性水平位移在橋梁中，溫度變化能產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力。某種情況下，可 與恒、活載產(chǎn)生的應(yīng)力屬同一量級?？招臉蚨沼捎诙諆?nèi)通風(fēng)條件差， 而混凝土本身的餓導(dǎo)熱性能又低，在氣溫或日照作用時，墩壁內(nèi)外將 產(chǎn)生較人的溫差而導(dǎo)致溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。溫度分布沿墩壁厚度是非線 性的，而截面變形服從平截面假定，于是截面溫度變形受到約束而產(chǎn) 生內(nèi)約朿分布應(yīng)力?？招臉蚨盏倪呴L或直徑比其壁厚大不少，故可以 近似的認(rèn)為沿壁厚方向（徑向）的應(yīng)力為零，只有豎向和水平方向（切 向）的應(yīng)力。矩形空心墩口照

49、溫差作用下的彈性水平位移計算公式：傘盟等絲式中：m.空心墩向陽面伸長量，a i :空心墩背陽面伸長量iv一空心墩高度，h一橋墩寬度溫差取值：用2 5。一 c,計算降溫溫差取值1 0 ec。在工況三作用基礎(chǔ)上 對模型施加溫度應(yīng)力。計算得出的應(yīng)力云圖如圖4 2 64. 2 8o圖4 2 6橋墩1工況3 +溫度作用下的正應(yīng)力云圖北京交通人學(xué)碩十學(xué)位論文iri rr irv*-.ku19*dmdc m3-mqm . mb wanju f aal圖4-2 7橋墩2工況3 +溫度作用下的止應(yīng)力云圖;創(chuàng) 雹匸繪黒圖4一2 8橋墩3工況3+溫度作用卜的正應(yīng)力云圖各個橋墩在工況三+日照溫差作川下的墩頂最人彈性水平位移如 表 4 6 o式、制作構(gòu)件的材#表4. 6工瀝 荷載類劃橋墩荷載組合& +工況日照溫差0 .合計00 位移增長率（）: 各個橋墩在士都滿足規(guī)范要求=.華施移的增長率最 個橋墩的位移增長:橋墩墩高的增大而:解上式須杲ii得超越酋i1 / n一中=04 . 2 . 3 . 1壓桿無7 1如圖4 2 9所7 是彈簧支承。設(shè)壓桿親 角中。以下端為座標(biāo)原 以桿件右側(cè)受拉為正,式農(nóng)繼尿慾滋盼常鶴臨界荷載第二階第a x s歐拉公式在這里不適丿 承載力o0 3 8 e( 右