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原文传递 PC简支变连续T型梁合理断面设计研究

论文题名：	PC简支变连续T型梁合理断面设计研究
关键词：	预应力钢筋混凝土桥;简支变连续T型梁;截面设计;变形控制;受力分析;可靠度
摘要：	通过对国内梁桥结构形式进行部分统计了解到，2014年以前建成的单孔跨径在30～60m范围内的简支变连续梁桥以T梁居多。但是预应力混凝土T梁在设计和施工方面仍存在不足，如:吊装就位后相邻的主梁存在较大的反向挠度差;薄腹板T梁在施工过程中经常出现侧弯变形现象;由于桥面宽度与车道规划不当，导致车轮频繁的作用在T梁横向连接处;相同跨度的桥梁结构尺寸不统一，施工单位的模板与设备无法得到充分的循环利用等等。本文针对上述不足，依托内蒙古宝贝河大桥工程，对PC简支变连续T型梁的合理断面设计进行了研究。根据PC简支变连续T梁的特点，结合相关学科中设计产品“合理设计”的概念，以及目前T梁在设计与施工中存在的主要问题，规划了合理断面设计的内容。讨论了各个设计内容之间的相关性，并研究了合理断面设计中具体内容的设计与计算方法。本文的主要研究成果如下: 　　(1)为使桥面板受力最不利位置避开车轮频繁作用线，对几种横断面布置方案进行对比，优选出相对合理的方案。利用曲线拟合的方法得到了桥面板弯矩与主梁间距的关系及计算公式，得到了在钢筋应力限制条件、抗弯承载力限制条件和裂缝限制条件下桥面板板厚的变化规律，分析了在特定的配筋下桥面板板厚与主梁间距的关系。通过对不同的配筋方案进行比较，得到了各种主梁间距下的钢筋布置方案与桥面板最优板厚。此板厚设计值可以满足设计车辆荷载作用下承载力要求，同时在主梁截面设计中作为已知的受压翼缘板，减少了主梁截面设计变量，简化了主梁截面优化设计问题。　　(2)通过对截面优化设计的一般问题的探讨，总结了截面设计的变量、目标函数、约束条件和优化算法等在桥梁结构优化设计问题中的特性。根据T型梁的构造特点确定了截面优化设计变量。根据现行桥规建立截面优化的约束条件，并提出将施工变形控制要求引入截面优化约束条件当中。建立了曲线配束时变截面的预应力混凝土T梁的目标函数。研究了内点算法、序列二次规划法和有效集算法这三种优化算法的各自特点与应用，讨论了算法的选择。应用MATLAB优化工具箱，对既有RC梁进行优化试算，对比了各个算法在解决桥梁截面优化问题时的特点和效率。通过算例验证和算法对比表明，内点算法在配筋混凝土截面的优化计算时体现了较好的效率和效果。利用内点算法对既有PC梁进行了优化试算，试算结果表明了内点算法在预应力混凝土梁截面优化设计问题中是可行的优化算法。对结构可靠度问题进行了探讨，分析了结构造价与可靠度之间的关系以及有关参数对结构造价的影响。得到了结构总投资最低时参数的确定方法，给出了基于可靠度的优化设计评价准则。　　(3)为了研究施工预加力时的梁体变形，讨论了T型梁施工变形计算与控制中存在的问题，实施了预应力混凝土T梁试验，建立了与试验梁对应的ABAQUS有限元模型。考虑梁体底面存在接触的实际情况，探讨了梁体张拉过程中的摩擦接触问题，通过有限元计算，揭示了梁体在张拉过程中的变形规律。提出了计算的基本假设，运用静力法对施工梁体进行受力分析，推导了确定反向挠度变形的边界约束条件方程和侧弯变形计算公式。结合截面优化设计，提出了施工变形控制的设计措施。　　(4)对宝贝河大桥进行了合理断面设计。利用试验桥的成果建立了成桥的MIDAS有限元模型，用该模型对设计结果进行了验证。将原设计和合理断面设计的结果进行了对比，并做了经济性和安全性等方面的评价与分析。分析结果表明:合理断面设计后，预应力钢筋用量降低，梁高不变，跨中腹板宽度不变，支点腹板宽度降低，单位梁长重力变化甚微，单位梁长造价降低;翼缘板平均厚度增大，每米板宽内钢筋用量降低;边梁和中梁的施工反向挠度变形差变小，施工侧弯变形较易控制。与原设计相比，混凝土工程量降低，主梁预应力钢筋和翼缘板普通钢筋用量降低，主要工程材料造价降低。一联三跨上部结构造价大于目标可靠指标设计造价。经验证与对比分析可知，设计结果不仅能够保证结构的功能要求，同时也达到了合理设计的预期和效果。
作者：	陈宇
专业：	林区交通工程
导师：	贾艳敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北林业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文