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原文传递自然环境条件下大跨度劲性骨架混凝土拱桥长期变形行为研究

论文题名：	自然环境条件下大跨度劲性骨架混凝土拱桥长期变形行为研究
关键词：	混凝土拱桥;长期变形行为;温度场;湿度场;收缩徐变;自然环境
摘要：	劲性骨架混凝土拱桥以其跨度大、承载力高、成桥后稳定性高和适合于复杂深山峡谷地形等特征为大跨度高速铁路桥梁设计者所钟爱。为保证高速铁路行驶的安全性和舒适性，需严格控制拱圈的长期变形，但目前国内外相关学者对此类拱桥的温度场效应及长期变形研究还较为欠缺。本文以主跨为445 m的沪昆客运专线北盘江钢管混凝土劲性骨架混凝土拱桥为工程背景，进行了钢管混凝土轴压构件收缩徐变试验，并对拱圈温度场和长期变形行为进行了试验及理论研究。主要研究内容、方法和研究成果如下: 　　1、探讨了用气象参数方法分析混凝土箱梁温度场时的太阳辐射作用、对流换热和辐射换热系数计算公式之间的差异;基于计算实例，选取了太阳辐射作用时的合理计算公式，并简化了对流换热和辐射换热公式;对比了湿度场和温度场微分方程及边界条件的差别，探讨了用ANSYS温度场有限元方法分析混凝土湿度场的可行性，并给出了相关系数取值公式及范围。研究表明在合理参数取值情况下，采用ANSYS的温度场模块能较为准确地预测混凝土内部湿度场分布。（第2章）　　2、收集了既有国内混凝土收缩徐变试验结果，探讨了通用收缩徐变预测模型在我国的适用性;在分析既有温度和相对湿度作用下的混凝土收缩徐变预测模型的优缺点后，基于大量试验结果及CEB10模型，提出了可计算自然环境条件下的混凝土收缩徐变预测模型公式并进行了验证;该模型可考虑自然环境下的温度和相对湿度变化情况，在一定条件下具有较高精度;通过ANSYS二次开发中的蠕变算法和膨胀算法，探讨了用ANSYS有限元程序计算复杂结构和边界条件下的混凝土桥梁长期变形方法;以预应力混凝土T型截面梁和两跨混凝土箱梁长期变形试验为算例，验证了本文算法的正确性。（第3章）　　3、对温度影响下的振弦式应变传感器特性进行试验研究，探讨了自然环境条件下自由传感器、埋置于混凝土收缩徐变试块和钢管混凝土收缩徐变试块传感器的温度特性修正公式;在桥址现场附近进行了自然环境条件下钢管混凝土轴压构件收缩徐变试验;试验表明高强度钢管混凝土的收缩徐变结果比普通混凝土小，钢管和混凝土之间完全粘结假设成立;基于力平衡条件、变形协调条件、按照龄期调整的有效模量法和逐步积分法推导了钢管混凝土受压构件在考虑紧箍力和不考虑紧箍力状态下的长期变形计算公式，并进行了参数分析;计算表明本文推导的公式简单，具有较高精度，考虑自然环境条件下的混凝土收缩徐变预测模型能进一步提高预测精度。（第4章）　　4、在劲性骨架混凝土拱桥模型试验的基础上，对成拱阶段拱圈温度效应进行了测试。另外，还实测了施工和成拱阶段拱圈的长期变形、钢管和混凝土应力情况。试验结果表明，拱圈沿拱轴线方向上温度呈现非均匀分布;随时间变化，拱圈关键截面位移和应力呈周期性变化，非均匀温度效应对混凝土拱箱变形和应力有较大影响;受混凝土收缩徐变效应的影响，施工过程和成拱阶段拱圈位移逐渐增加，混凝土应变和钢管应力随时间逐渐增加，由混凝土收缩徐变引起的拱圈长期变形效应不容忽视。（第5章）　　5、基于温度场试验结果和气象参数的混凝土箱梁有限元分析方法，综合分析拱箱特点，建立了沿拱圈方向不同边界条件的二维平面温度场模型;将二维模型计算的沿梁高度方向上的非线性温度梯度转化为便于ANSYS中梁单元使用的线性温度梯度，并用于拱圈三维梁单元温度效应分析;最后用三维实体有限元模型和试验结果对上述模型进行了验证。研究发现，沿拱轴线方向温度分布不同的二维平面温度场模型可用于分析拱箱的温度场和竖向温度梯度，三维梁单元温度效应模型计算的拱圈关键截面温度应力和变形与实测结果吻合良好。（第6章）　　6、基于收集的桥址处温度、相对湿度和降雨量等参数，用ANSYS有限元程序建立了考虑施工过程的拱桥温度场和湿度场有限元模型，分析了该桥的温度场和湿度场的空间和时间分布特征;为便于长期变形计算分析，对其温度场和湿度场进行了简化;基于变温度和变相对湿度下的混凝土收缩徐变预测模型及ANSYS二次开发技术，建立了拱圈在施工及成拱阶段的长期变形分析有限元模型，分析结果与实测结果进行了对比，计算结果与试验测试结果吻合较好。本文方法可以较为准确地预测拱圈钢管应力、混凝土应变及拱圈变形。
作者：	王永宝
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	赵人达
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文