详情

原文传递体外预应力混凝土节段梁弯剪性能研究

论文题名：	体外预应力混凝土节段梁弯剪性能研究
关键词：	节段预制拼装;体外预应力;混凝土梁;抗弯性能;抗剪性能
摘要：	体外预应力混凝土节段拼装桥梁是桥梁工业化建设中一种代表性的桥梁结构形式。节段间接缝的不连续性和体外预应力束的滑移及二阶效应导致节段预制拼装桥梁的力学性能相较整体现浇桥梁变得更为复杂，二者之间受力行为表现出显著差异。论文针对体外预应力混凝土节段梁在弯、剪受力状态下的承载机理、数值模型和设计计算方法进行了系列研究，取得如下主要研究成果：　　（1）针对体外预应力混凝土节段梁的抗弯性能分析问题，构建了考虑箱梁剪力滞效应、体外束滑移和二阶效应以及接缝不连续行为三个力学特性的纤维梁-滑移索单元体系分析模型。在传统纤维梁单元的基础上，通过引入箱梁上下翼缘板翘曲变形自由度，推导建立了考虑剪力滞效应的箱梁结构纤维梁单元模型；根据体外预应力束的整体协调变形机制，推导建立了适用于任意布束形式的体外预应力束滑移索单元模型；针对接缝的不连续力学行为，提出了基于修正混凝土本构模型的接缝单元模拟方法。基于所建立的单元理论模型在OpenSees平台进行了集成开发，形成了用于体外预应力混凝土节段梁抗弯性能分析的体系模型。通过与缩尺试验梁及实桥试验结果的对比分析，验证了分析模型的有效性。　　（2）利用所建立的分析模型对节段梁结构抗弯性能的主要影响因素进行了参数分析，总结了接缝、体内外配束比例及体外束布束形式等关键因素对抗弯承载力、体外束应力增量和结构变形模式的影响规律。根据极限状态下节段梁结构的变形模式，推导了体外束应力增量与结构变形之间的关系方程，结合失效截面的平衡方程，建立了体外束极限应力增量和有效高度变化的计算方法，进而提出了体预应力混凝土节段梁抗弯承载力的简化计算方法。　　（3）在体外预应力混凝土节段梁的抗剪承载机理研究方面，开展了6片试验梁的弯剪加载试验，得到了体外预应力混凝土节段梁在弯剪复合作用下的典型失效模式、变形曲线、承载能力和不同加载阶段下各抗剪分量的变化规律。通过试验结果的对比分析，总结了剪跨比、接缝和体内外配束比对结构抗剪承载力的影响规律，初步分析了体预应力混凝土节段梁在弯剪作用下的承载机理。　　（4）建立了基于软化膜-体外滑移索单元的精细有限元分析模型对体外预应力混凝土节段梁的抗剪承载机理进行了深入分析。依托ABAQUS软件开发了适用于体外预应力混凝土节段梁弯剪性能分析的精细模型：考虑轴-剪复合作用的钢筋混凝土软化膜单元本构—转角软化桁架模型（RASTM-UMAT）；考虑体外预应力束滑移和几何非线性效应的多节点滑移索单元模型（UEL）；以及基于“粘结-库伦摩擦本构”的节段间接缝“等效平缝”模拟方法。利用建立的精细模型对试验梁的力学行为进行了预测对比，分析了各试验梁的失效模式及主应力分布规律。基于“桁架-拱”理论进一步揭示了节段梁结构的弯剪承载机理，进而提出了体外预应力混凝土节段梁抗剪承载力的简化计算方法。　　（5）在弯剪承载机理研究的基础上，基于铁木辛克梁理论在已建立的抗弯性能分析模型中引入剪切变形，推导了考虑弯剪复合作用的混凝土节段梁柔度法纤维梁单元列式，并提出了基于改进积分点截面的柔度法单元接缝模拟方法。基于推导的单元列式进行了单元开发，与已建立的体外束滑移索单元构成分析体系模型，用于体外预应力混凝土节段梁的弯剪性能分析。利用试验梁对分析模型的有效性进行了验证，结果表明：考虑弯剪复合作用的分析模型拓展了抗弯性能分析模型的适用范围，对于体外预应力混凝土节段梁的抗弯及抗剪性能均能较好地预测分析。
作者：	阎武通
专业：	土木工程
导师：	韩冰
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2020