体外预应力混凝土桥梁的抗弯性能分析

论文摘要

体外预应力混凝土结构有着体内预应力结构无法比拟的优点。节段施工的体外预应力混凝土结构能够把悬臂施工和体外预应力技术很好地结合起来,并能实现工厂化预制和工业化施工。目前,无论是加固维修工程,还是新建工程,体外预应力均得到了越来越广泛的应用。本文在前人工作的基础上,编写了能够对整体施工和节段施工的体外预应力混凝土梁的抗弯承载力进行全过程分析的平面杆系有限元程序。该程序具有以下特点:1、建立了能够模拟节段施工体外预应力混凝土梁的接缝力学性能的单元模型,指出了接缝位置处的单元与普通梁段的单元并没有本质的不同,所不同的只是决定梁单元刚度亦即参与工作的材料有所不同,而节段施工的体外预应力梁所表现出来的与整体施工梁不同的力学行为皆缘于此。2、考虑了结构的几何非线性和材料非线性,考虑了体外预应力结构特有的二次效应的影响和节段施工体外预应力混凝土梁特有的接缝所带来的非线性。3、在考虑几何非线性时采用CR列式法和增量迭代混合法,在考虑材料非线性求单元截面刚度时采用条带法分层积分,截面的应变在正常情况下采用Craston方法求得,对于用Craston方法不受敛的情况,提出用加速搜索区间法和二分法相结合求得相应的截面应变。结合编程实践,本文讨论了编写考虑几何非线性和材料非线性的平面杆系有限元程序应该注意的一些问题,并应用所编的程序,对体外预应力混凝土梁的抗弯性能进行了普通钢筋配筋率、体外索的初始张拉力、体外索的配筋形式、转向块的布置和节段的数目等五个影响因素的分析,得出了一些有益的结论。最后,基于抗弯承载力极限状态下的简支梁可视为梁体绕跨中等曲率塑性铰发生刚性转动的假设,推导了在各种转向块布置情况下求体外预应力筋的变形和梁的跨中挠度,进而求得梁的极限弯矩的简化公式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.1.1 体外预应力的特点
• 1.1.2 体外预应力混凝土桥梁的发展概况
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 体外预应力桥梁试验研究现状
• 1.2.2 体外预应力桥梁抗弯计算研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及创新点
• 第二章 非线性有限元分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 结构离散
• 2.3 坐标转换
• 2.4 材料本构关系
• 2.4.1 混凝土的应力应变关系
• 2.4.2 预应力钢筋的应力-应变关系
• 2.4.3 普通钢筋的应力－应变关系
• 2.5 单元分析
• 2.5.1 一般性分析
• 2.5.2 平面钢筋混凝土梁单元
• 2.5.3 接缝处单元的处理
• 2.5.4 体外预应力索单元
• 2.6 几何非线性分析方法
• 2.6.1 CR 列式法
• 2.6.2 几何非线性的求解过程
• 2.6.3 非线性方程组的求解及收敛准则
• 2.7 材料非线性分析方法
• 2.7.1 Crason 方法求截面刚度
• 2.7.2 加速搜索区间法和二分法相结合求截面刚度
• 2.8 本章小结
• 第三章 非线性有限元程序的实现和验证
• 3.1 程序流程
• 3.2 非线性有限元程序编写的几个问题
• 3.2.1 单元局部坐标系下杆端抗力增量求解
• 3.2.2 内部铰结点的处理
• 3.2.3 内部铰结点上结点外荷载和结点抗力的处理
• 3.2.4 等效结点荷载的处理
• 3.2.5 平衡迭代
• 3.2.6 求解截面应变时参考位置的选取
• 3.2.7 线性方程组的求解
• 3.3 非线性有限元程序的试验验证
• 3.3.1 整体施工体外预应力梁试验验证
• 3.3.2 节段施工体外预应力梁试验验证
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 抗弯性能的影响参数分析
• 4.1 普通钢筋配筋率的影响
• 4.1.1 对整体施工体外预应力梁的影响
• 4.1.2 对节段施工体外预应力梁的影响
• 4.2 体外索初始张拉力的影响
• 4.2.1 对整体施工体外预应力梁的影响
• 4.2.2 对节段施工体外预应力梁的影响
• 4.3 体外索布筋形式的影响
• 4.3.1 对整体施工体外预应力梁的影响
• 4.3.2 对节段施工体外预应力梁的影响
• 4.4 转向块布置形式的影响
• 4.5 节段划分数目的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 抗弯承载力的简化计算
• 5.1 引言
• 5.2 基本假定
• 5.3 相关公式推导
• 5.3.1 塑性铰区的长度
• 5.3.2 塑性铰区段的曲率半径
• 5.3.3 极限状态下体外筋的长度
• 5.3.4 体外预应力梁极限弯矩的计算
• 5.4 计算迭代
• 5.5 试验结果检验
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A