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原文传递钢筋混凝土独柱桥墩的设计理论及试验研究

论文题名：	钢筋混凝土独柱桥墩的设计理论及试验研究
关键词：	独柱式桥墩;钢筋混凝土;模型试验;非线性有限元;曲线梁桥
摘要：	独柱墩曲线梁桥因其结构形式、造价等方面的优势，广泛应用于公路和城市立交枢纽。但是独柱墩下部结构受力复杂，加之可能的超载现象，独柱墩梁桥上下部结构出现的裂缝病害越来越多。本文以独柱墩曲线梁桥为研究对象，重点研究了独柱墩下部结构的设计方法，从承载力分析、配筋设计和裂缝宽度计算等角度，通过理论分析和试验研究，得出主要研究成果如下：　　 1)对于独柱墩曲线梁桥上部结构的受力行为，即使是在对称荷载的作用下，横截面纵向应力沿横截面的分布也不对称，表现出的剪力滞效应沿横截面的分布也不对称。通过合理地设计曲线箱梁中支点独柱墩支座的偏心距，能在一定范围内有效平衡由桥梁偏载所引起的附加扭矩的作用；端横隔加宽及增设抗拉支座能使支座反力的分布更加均匀，增加桥梁的抗倾覆安全系数，但是对曲线梁本身的应力分布影响并不大。　　 2)针对独柱式墩帽梁的抗剪问题，在对比不同计算方法的基础上，本文认为撑杆。系杆模型较符合该类结构的受力特征，并在此基础上进一步提出了适用于计算独柱墩帽梁的基于节点破坏的改进撑杆-系杆模型，该模型考虑了弯起钢筋、水平分布钢筋和箍筋等对墩帽斜裂缝开展的限制作用，以及撑杆混凝土抗拉强度对其承载能力的贡献，该计算模型能更好的反映独柱墩帽梁在开裂后的受力特征，并与有限元计算结果吻合。参数分析结果表明，该计算方法适用于剪跨比0.2至2的钢筋混凝土独柱式桥墩帽梁和短悬臂的墩帽。　　 3)基于拓扑优化原理，本文采用传统SIMP方法和基于节点变量的SIMP方法，对不同剪跨比和不同偏载系数下独柱式桥墩帽梁的合理撑杆-系杆体系模型优化进行了研究。得到当剪跨比λ<2的独柱式桥墩，拓扑优化结果类似三角桁架体系结构，故认为对于剪跨比在2以内的独柱式桥墩，采用撑杆，系杆组成的三角桁架体系是合理的。同时，提出基于最小余能原理的撑杆-系杆体系优化配筋方法，实现了钢筋的优化配置，并与数值分析结果相吻合。　　 4)以一座典型的开裂桥墩为背景，考虑实际试验条件，设计了7个几何缩尺比为1：4.5的缩尺模型。依据正交试验设计方法，重点研究了剪跨比、配筋率和配筋方式的影响。研究发现构件的主要破坏形态为斜截面剪切裂缝开展至悬臂根部形成贯穿的破裂面而破坏。剪跨比是影响构件承载力的关键因素，而提高配筋率能在一定范围内提升构件抗剪承载力，但当配筋率达到一定程度时，继续增加配筋率对提高承载力效果甚微。弯起钢筋对限制斜裂缝的开展具有显著作用，但过度配置弯起钢筋容易造成弯起点处系杆提供的拉力不足，在弯起点处产生竖向裂缝引起最终的破坏。　　 5)采用ANSYS基于弥散裂缝模型的非线性分析和ABAQUS基于损伤塑性模型的非线性分析方法，对试验桥墩进行了数值模拟和试验对比分析，结果显示两种模型均能基本反映实际试验的加载过程，对于小剪跨比构件和不配置弯起钢筋的构件，ANSYS和ABAQUS的计算结果表现出对刚度的过高估计，ANSYS计算显示其悬臂根部处塑性应变过大是导致结构最终破坏的主要原因。相比之下，ABAQUS的等效塑性应变计算结果与试验值吻合的更好，等效塑性应变基本能反映实际主要的开裂区域。　　 6)本文对比分析了各规范裂缝宽度的计算式计算独柱墩裂缝的适用性，并建议采用按撑杆-系杆模型计算名义钢筋应力，并考虑拉杆等效高度修正系数，用港工规范(JTJ267-98)推荐的裂缝宽度计算公式。采用该公式得到的计算结果与实验值吻合较好。在此基础上，进一步基于受弯裂缝宽度计算方法的基本理论，结合独柱式桥墩的受力特点，推导了剪切斜裂缝的裂缝宽度计算公式，并利用试验结果对有关参数进行拟合校准，得到了该类结构斜裂缝宽度的计算式。　　 7)结合本文的研究成果，在有关研究和规范的基础上初步编制了独柱墩梁桥设计及裂缝控制建议指南，供有关部门参考。
作者：	刘成熹
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	项贻强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文