大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁長期力學(xué)性能研究

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁長期力學(xué)性能研究

長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第一章緒論第二章含有任意多種不同初應(yīng)變特性材料廣義組合截面應(yīng)力

重分布問題的通用算法第三章含有任意多種不同初應(yīng)變特性材料廣義組合截面應(yīng)力重分布問題的非應(yīng)力應(yīng)變計算第四章橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力分布對橋梁運(yùn)營過程中時效彈性下?lián)系挠绊懙谖逭陆Y(jié)論與展望目錄目錄發(fā)展歷程第一章緒論發(fā)展趨勢存在的問題本文主要研究內(nèi)容第一章緒論長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

連續(xù)剛構(gòu)橋是在集合連續(xù)梁橋、T型剛構(gòu)橋這兩種橋型優(yōu)點的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，具有結(jié)構(gòu)整體性能好、主墩無支座；伸縮縫少，行車舒適性好；順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度大，能滿足特大跨徑橋梁的受力要求；順橋向抗推剛度小，故能有效地減小溫度、混凝土收縮徐變和地震影響等。我國于1988年從國外引進(jìn)連續(xù)剛構(gòu)橋，1990年建成了第一座跨徑為180m的廣州洛溪大橋。至今已修建了大量該類型橋梁。第一章緒論1.1發(fā)展歷程第一章緒論序號橋名最大跨徑(m)特點建成年份1洛溪大橋180國內(nèi)首次采用大噸位預(yù)應(yīng)力的橋梁19882沅陵大橋140橫向無粘結(jié)力筋，引橋采用滑動與永久合二為一的支座體系19913虎門大橋輔航道橋270當(dāng)時世界之最，取消了彎起束和連續(xù)束19974重慶黃花園大橋250連續(xù)長度最長

19995廈門海滄大橋西航道橋140雙輻位于曲線上，是目前國內(nèi)最大的彎連續(xù)剛構(gòu)橋

1999我國部分典型連續(xù)剛構(gòu)橋長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論1.2發(fā)展趨勢1.跨徑可進(jìn)一步加大；2.上部結(jié)構(gòu)不斷輕型化；3.簡化預(yù)應(yīng)力束類型；4.隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展，連續(xù)剛構(gòu)的墩高將越來越高。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論

在研究大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的長期力學(xué)性能及其效應(yīng)時，普遍存在以下一些問題：如何精確確定預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋對收縮徐變的定量影響。選用何種方法對二維橫截面區(qū)域進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分。在大跨橋梁的施工監(jiān)控工作中，應(yīng)力測試一直是一個重點，但同時也一直是一個難點。究其主要原因，主要是在儀器測試到的應(yīng)變里，不但包含

1.3存在的問題長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第一章緒論

了應(yīng)力應(yīng)變，也包含非應(yīng)力應(yīng)變。如何將混凝土的非應(yīng)力應(yīng)變剝離開來，準(zhǔn)確計算初混凝土的應(yīng)力，一直是施工監(jiān)控沒有解決的問題。在以往的橋梁設(shè)計中，設(shè)計人員一直忽視了橋梁上部結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力分布對橋梁運(yùn)營過程中時效彈性下?lián)系挠绊?，而切目前尚未見到關(guān)于這方面的研究。

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第一章緒論1.4本文主要研究內(nèi)容提出了一種基于空間梁單元的含有任意多種不同初應(yīng)變特性材料廣義組合截面應(yīng)力重分布問題的通用算法。運(yùn)用此算法，首次實現(xiàn)了同時定量考慮普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋對收縮徐變的影響及其引起的應(yīng)力重分布。結(jié)合AFM（AdvancingFrontMethod）三角化方法，本文提出了一種簡單、實用的內(nèi)點生成算法，使得自動剖分后的三角形質(zhì)量優(yōu)良。首次實現(xiàn)了截面非應(yīng)力收縮徐變應(yīng)變的計算，并運(yùn)用此方法解決了大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工監(jiān)控中非應(yīng)力收縮徐變應(yīng)變干擾應(yīng)力測試的難題。以布柳河大橋為工程背景，就橋梁上部結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力分布對橋梁運(yùn)營過程中時效彈性下?lián)系挠绊懻归_了詳細(xì)研究。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第一章緒論引言第二章含有任意多種不同初應(yīng)變特性材料廣義組合截面應(yīng)力重分布問題的通用算法

通用算法基本原理

算例分析

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第二章通用算法長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法2.1引言

材料的收縮、徐變、溫差梯度分布等都屬于初應(yīng)變問題。廣義組合截面是指由兩種或兩種以上具有不同初應(yīng)變（收縮應(yīng)變、徐變應(yīng)變、溫度應(yīng)變等）性能的材料所構(gòu)成的截面。這些截面由于材料特性不同，或者由于分層澆注而導(dǎo)致材料的時效特性不同，在截面內(nèi)部約束和（或）結(jié)構(gòu)邊界約束的作用下，會引起橫截面上具有不同初應(yīng)變性能的材料之間的應(yīng)力重分布，這種應(yīng)力重分布會顯著影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)表現(xiàn)。一般的算法僅能考慮兩種具有不同時效特性的材料形成的組合截面，關(guān)于預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋對于收縮徐變的影響，現(xiàn)有的算法都無法同時定量算出二長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法

者的影響。鑒于此，本課題提出了基于初應(yīng)變法的任意多種不同特性材料廣義組合截面初應(yīng)變問題的通用算法，較好地解決了這一問題。組合截面中材料的數(shù)量不受限制，這些材料可以具有不同的收縮徐變規(guī)律，收縮徐變規(guī)律是任意的，而且無須擬合成為指數(shù)形式，具有很強(qiáng)的通用性。運(yùn)用此算法，首次實現(xiàn)了同時定量考慮普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋對收縮徐變的影響及其引起的應(yīng)力重分布。此外，此算法還可實現(xiàn)截面真正意義上的二維溫差梯度分布的溫度應(yīng)力計算。

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第二章通用算法2.2通用算法基本原理

2.2.1縱向纖維內(nèi)部約束產(chǎn)生的約束自應(yīng)力ZReferenceYReference形心（YO，ZO）

自由初應(yīng)變與實際發(fā)生應(yīng)變之差：

任意一點的實際發(fā)生應(yīng)變：

由于縱向纖維的內(nèi)部約束產(chǎn)生的內(nèi)部約束自應(yīng)力：2.2.2縱向纖維經(jīng)過內(nèi)部約束后的應(yīng)變的參數(shù)

由上述方程組可以求得在任意時間段內(nèi)，反映橫截面上各縱向纖維經(jīng)過內(nèi)部約束后的應(yīng)變參數(shù)，根據(jù)單元起點、終點兩端的參數(shù)，，可以求得初應(yīng)變問題的等效結(jié)點荷載，進(jìn)而可求得考慮結(jié)構(gòu)邊界約束后的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法2.2.3單元任意形狀橫截面二維網(wǎng)格劃分長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法

對梁單元橫截面的二維網(wǎng)格剖分是含有任意多種不同初應(yīng)變特性材料廣義組合截面應(yīng)力重分布問題的通用算法的基礎(chǔ)。

2.2.3.1邊界節(jié)點生成2.2.3.2內(nèi)部節(jié)點生成2.2.3.3AFM三角化算法2.2.3.4算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.3.5三角形形狀因子及形狀評估設(shè)△ABC面積為S，為形狀因子，則有：（0≤≤1）下面為上述算法的一些常用截面剖分實例：

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第二章通用算法

圖2.2箱形截面梁圖2.3薄壁圓形柱

圖2.4薄壁空心墩圖2.5T形梁圖2.6空心板2.2.4單元任意形狀組合橫截面幾何特性計算長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法（1）某一種材料所占區(qū)域相關(guān)幾何參數(shù)的計算（2）任意多種材料組合截面相關(guān)幾何參數(shù)的計算2.2.5初應(yīng)變問題等效結(jié)點荷載的計算

單元初應(yīng)變問題的等效結(jié)點荷載按下式計算:長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法2.2.6初應(yīng)變問題應(yīng)力計算

（1）第i種材料任意位置（y,z）的自應(yīng)力：（2）結(jié)構(gòu)邊界約束產(chǎn)生的內(nèi)力重分布引起的參考材料任意位置（y,z）的應(yīng)力：對于第i種非參考材料：（3）第i種材料初應(yīng)變問題的總應(yīng)力：長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法2.3算例分析

2.3.1廣西布柳河大橋預(yù)拱度設(shè)置圖2.7在不同收縮、徐變模式下的預(yù)拱度設(shè)置圖長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法表2.2不同模式下的預(yù)拱度比較（單位：m）節(jié)點位置JTJ023-85JTG2004RILEMB3CEBMC90邊跨13#（117#）0.1817980.2273830.2231550.382207中跨60#（70#）0.3541620.4338560.3516210.546271跨中64#（66#）0.2331370.2967260.2361630.373298墩頂36#（94#）0.061540.0615390.0614980.063592

從圖2.7、表2.2中可以看出改進(jìn)的CEB-FIPMC90（99）計算模式，與JTJ023-85、JTG2004、RILEMB3計算模式差別較大，整體上高估了徐變系數(shù)。在整個中跨范圍JTJ023-85與RILEMB3的徐變計算較為吻和，而在邊跨JTG2004與RILEMB3收縮徐變計算效應(yīng)較為接近。JTJ023-85整體上呈現(xiàn)出對徐變的低估，需要引起注意。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第二章通用算法2.3.2普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋對收縮徐變的約束效應(yīng)

大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)，其截面上布置著大量的普通受力鋼筋，這些鋼筋的分布對混凝土的變形起著相當(dāng)大的約束作用，同時引起了截面上的應(yīng)力重分布。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁截面中普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)烈地影響著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但迄今為止，大多數(shù)的收縮徐變試驗都沒有考慮配筋的影響，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析時為簡化計算，一般也忽略普通鋼筋的影響，這勢必會帶來誤差。利用BRanalysis程序，可以將縱向普通鋼筋在截面中的具體位置精確的描述出來，定量的計算出普通鋼筋對混凝土收縮徐變約束效應(yīng)的大小。

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第二章通用算法

本文對布柳河大橋在考慮普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋共同效應(yīng)及只考慮預(yù)應(yīng)力筋作用兩種情況下控制截面的應(yīng)力進(jìn)行了比較，計算結(jié)果見表2.3～表2.7。主要得出如下結(jié)論：

普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋收縮徐變約束效應(yīng)很明顯。

在同一截面中，普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的約束效應(yīng)還與普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的分布位置有關(guān)。

對于懸臂施工的梁段來說，布置了預(yù)應(yīng)力鋼筋的頂板預(yù)壓應(yīng)力損失最大，形心次之，底板最小。

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第二章通用算法2.3.3普通鋼筋配筋率對混凝土收縮、徐變的影響

本文采用BRanalysis程序，在其他條件都相同的條件下，只改變根部截面、1/8截面和1/4截面的配筋率，計算三個截面的配筋率分別為3.6%、3.9%、4.7%和配筋率分別為7.2%、7.8%、9.4%兩種情況下截面應(yīng)力值，以了解配筋率對混凝土收縮徐變影響程度的大小。

由表2.9～表2.17可以看出：配筋率對混凝土收縮徐變的影響十分明顯，在其他條件都相同的條件下，三個控制截面配筋率變?yōu)樵瓉淼膬杀?，同一截面上的?yīng)力值發(fā)生了明顯的變化。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第三章非應(yīng)力應(yīng)變計算初應(yīng)變非應(yīng)力應(yīng)變的計算

第三章含有任意多種不同初應(yīng)變特性材料廣義組合截面應(yīng)力重分布問題的非應(yīng)力應(yīng)變計算

布柳河大橋截面應(yīng)力測試數(shù)據(jù)分析

小結(jié)

在任意時間段內(nèi)，由于某種原因產(chǎn)生的初應(yīng)變?yōu)?由于內(nèi)部約束和（或）結(jié)構(gòu)邊界約束的影響，應(yīng)變中有一部分會被約束住，從而在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力，這一部分是初應(yīng)變中的應(yīng)力應(yīng)變，用符號表示；還有一部分是自由的，不會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力，屬于非應(yīng)力應(yīng)變，用符號。根據(jù)前面講述的初應(yīng)變問題應(yīng)力方法，對于任意第i種材料

任意位置（y,z）應(yīng)力應(yīng)變?yōu)椋?/p>

任意位置（y,z）非應(yīng)力應(yīng)變?yōu)椋?/p>

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3.1初應(yīng)變非應(yīng)力應(yīng)變的計算

第三章非應(yīng)力應(yīng)變計算

本課題采用上述方法，同時考慮普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋對收縮徐變的約束作用后，首次實現(xiàn)了截面非應(yīng)力收縮徐變應(yīng)變的計算，將混凝土的非應(yīng)力應(yīng)變剝離開來，解決了施工監(jiān)控中應(yīng)力測試的難題。

眾所周知，在應(yīng)力監(jiān)控過程中，實測應(yīng)力是根據(jù)混凝土的實測應(yīng)變按彈性理論關(guān)系推算出來的，而混凝土的實測應(yīng)變中，既包括了應(yīng)力應(yīng)變，也包括了收縮、徐變等非應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)該將上述非應(yīng)力應(yīng)變扣除后，按彈性關(guān)系求得的應(yīng)力才是比較準(zhǔn)確的。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

3.2布柳河大橋截面應(yīng)力測試數(shù)據(jù)分析

第三章非應(yīng)力應(yīng)變計算長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

本文利用BRanalysis程序，對只考慮預(yù)應(yīng)力筋的約束效應(yīng)和同時考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋的約束效應(yīng)兩種情況下的截面非應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了對比。

結(jié)果表明：普通鋼筋對混凝土收縮徐變產(chǎn)生的非應(yīng)力應(yīng)變有明顯的抑制作用。

布柳河大橋由于其高墩、大跨徑、橋面狹窄的特點，在懸臂掛藍(lán)分階段施工過程中，穩(wěn)定及時變問題特別突出，比較準(zhǔn)確地計算混凝土收縮徐變，保證橋梁結(jié)構(gòu)在施工期的穩(wěn)定及順利合攏，運(yùn)營階段的安全平順，提高其使用壽命，是施工監(jiān)控面臨的主要任務(wù)。本文利用BRanalysis程序，求出了不同施工階段的非應(yīng)力應(yīng)變。實測應(yīng)變值減去非應(yīng)力應(yīng)變后，再按照彈性關(guān)系求得的應(yīng)力和理論應(yīng)力計算值就比較接近。第三章非應(yīng)力應(yīng)變計算長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

3.3小結(jié)

綜上所述，在大跨度橋梁應(yīng)力監(jiān)控過程中，應(yīng)注意以下幾點：

在應(yīng)力監(jiān)控過程中，混凝土的實測應(yīng)變中既包括了彈性應(yīng)變，也包括了收縮、徐變等非應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)該將非應(yīng)力應(yīng)變扣除后，按彈性關(guān)系求得的應(yīng)力才是比較準(zhǔn)確的。由于混凝土收縮徐變本身目前尚沒有公認(rèn)的成熟計算方法，因此收縮徐變等非應(yīng)力應(yīng)變值的計算很難獲得精確值，只能稱估算。但本文的算法在理論上是精確的。應(yīng)進(jìn)一步提高應(yīng)變測試的精度，包括應(yīng)變計的安裝、應(yīng)變初始讀數(shù)及時準(zhǔn)確的獲得、測試時間的同一性等，這些因素對應(yīng)變測試的準(zhǔn)確性具有很大的影響。第三章非應(yīng)力應(yīng)變計算長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第四章時效彈性下?lián)弦?/p>

第四章橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力分布對橋梁運(yùn)營過程中時效彈性下?lián)系挠绊?/p>

上部結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力分布對收縮徐變持續(xù)下?lián)系挠绊?/p>

小結(jié)長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

4.1引言

對于連續(xù)剛構(gòu)橋，影響橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載彈性內(nèi)力因素有二個：結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力。橋梁結(jié)構(gòu)的在一定的施工方法下，可以改變上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的只有預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的不同量值可以導(dǎo)致不同的內(nèi)力分布。在橋梁設(shè)計中，設(shè)計人員只關(guān)心上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及應(yīng)力是否滿足橋梁的正常使用狀態(tài)和極限承載能力狀態(tài)，但一直忽視了橋梁上部結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力分布對橋梁運(yùn)營過程中時效彈性下?lián)系挠绊?。為解決大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋跨中持續(xù)下?lián)蠁栴}，本章以布柳河大橋為工程背景，通過改變上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，研究了上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布對收縮徐變引起的持續(xù)下?lián)系挠绊?。第四章時效彈性下?lián)祥L沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第四章時效彈性下?lián)?/p>

許多已建成的梁橋在建成通車三年后，跨中仍然出現(xiàn)持續(xù)下?lián)系默F(xiàn)象。例如：1995年建成的主跨245m的黃石長江大橋，跨中下?lián)弦堰_(dá)32m，廣東虎門大橋輔航道橋跨中下?lián)?0cm。據(jù)不完全統(tǒng)計，徐變下?lián)系哪昶骄縡與跨度L有關(guān)：

L=100～160m，f＝0.5～1(cm/年)L=100～220m，f=1～2(cm/年)L=220～270m，f=2～3(cm/年)長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第四章時效彈性下?lián)?.2上部結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力分布對收縮徐變持續(xù)下?lián)系挠绊?/p>

4.2.1通過改變預(yù)應(yīng)力實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的不同內(nèi)力分布

為了分析不同內(nèi)力分布對收縮徐變持續(xù)下?lián)系挠绊?，本章以廣西布柳河大橋為例，通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力得到了5組不同的上部結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力分布。

從文中表4.1可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力的減小，上部結(jié)構(gòu)中的彎矩逐漸由向上彎變?yōu)橄蛳聫潯Ｒ簿褪钦f，內(nèi)力分布1是預(yù)應(yīng)力引起的彎矩超過結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彎矩，此時箱梁頂板的壓應(yīng)力超過底板的壓應(yīng)力。隨著預(yù)應(yīng)力的減小，這種超過量逐漸減小，最終變到結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彎矩超過預(yù)應(yīng)力引起的彎矩，此時箱梁底板的壓應(yīng)力超過頂板的壓應(yīng)力。4.2.2橋梁上部結(jié)構(gòu)不同恒載內(nèi)力分布對收縮徐變下?lián)现档挠绊?/p>

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第四章時效彈性下?lián)蠄D4.1廣西布柳河大橋不同恒載內(nèi)力分布時的收縮徐變下?lián)现甸L沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第四章時效彈性下?lián)?/p>

從表4.2和圖4.1可以明顯看出：對應(yīng)于五種不同的內(nèi)力分布，橋梁的收縮徐變下?lián)现挡顒e很明顯，以跨中附近為例：內(nèi)力分布1的最大撓度為正的2.42cm，即長期收縮徐變值引起的變形是向上撓，而不是向下?lián)?；?nèi)力分布2的最大撓度為-5.43cm；內(nèi)力分布3的最大撓度為-13.29cm；內(nèi)力分布4的最大撓度為-21.15cm；內(nèi)力分布5的最大撓度為-29.01cm。從這些數(shù)據(jù)可以看出，橋梁上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布對橋梁收縮徐變下?lián)现档挠绊懯呛苊黠@的。長沙理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文

第四章時效彈性下?lián)?.3小結(jié)

采用前兩種內(nèi)力分布預(yù)應(yīng)力鋼筋的用量會稍多一點（縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋增加10～20%），但工程造價的稍許增加比橋梁在運(yùn)營過程中不斷下?lián)希ù罅康娜肆ξ锪σ矡o濟(jì)于事要好