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原文传递拉压杆模型及其在预应力混凝土梁桥D区设计中的应用

论文题名：	拉压杆模型及其在预应力混凝土梁桥D区设计中的应用
关键词：	拉压杆模型;D区设计;预应力混凝土梁桥;后张梁端部锚固区;三角形齿块锚固区;矩形齿块锚固区;钢筋混凝土深梁
摘要：	应用拉压杆模型进行混凝土结构的D区设计，是当前国际混凝土结构领域的研究热点之一。拉压杆模型的发展，弥补了局部区依赖截面分析无法真实反映D区承载机理的缺陷，使得混凝土结构D区的设计趋于理性和准确。　　本文首先研究了拉压杆模型的基本原理，提出了适用于我国混凝土强度指标的拉压杆模型强度验算方法。针对混凝土后张梁桥中几类常见的预应力锚固区（如矩形截面梁及T形截面梁的端部锚固区、三角形齿块锚固区、矩形齿块锚固区），研究了这些区域集中力的传递特征和拉压杆模型构形方法。最后，探讨了钢筋混凝土深梁的非线性拉压杆模型分析方法，从而为完善深梁两个极限状态的设计提供了简单实用的分析手段。具体的研究内容及成果概括如下: 　　 (1)给出了适用于我国混凝土强度指标的拉压杆模型强度验算方法。借鉴了美国AASHTO公路桥梁设计规范中拉压杆模型的有关规定，研究了中美两国材料参数指标的转换关系，推导了拉杆、压杆及节点强度的换算公式，从而提出了适用于我国公路桥梁设计规范的拉压杆模型强度验算条款。　　 (2)研究了后张梁矩形截面锚固区配筋设计的拉压杆模型方法。针对矩形截面梁端部承受一个水平或倾斜锚固力的情况，根据主应力迹线构建出端部锚固区的拉压杆模型，利用节点力平衡条件及模型几何关系，推导出端部锚固区劈裂力大小的计算公式，并通过有限元分析拟合出劈裂应力合力的重心位置计算公式。此外，研究不同锚固偏心距下，端部锚固区剥裂力的计算方法。　　 (3)研究了后张梁T形截面锚固区配筋设计的拉压杆模型方法。根据T形截面梁端部锚固区力流在腹板及顶板内传递扩散的特点，提出了相应的拉压杆模型构形方法，并通过对劈裂应力的数值积分，计算合力作用点位置，以确定拉杆位置，实现T梁端部锚固区拉压杆模型几何参数的定量化。最后，应用本文提出的拉压杆模型，对我国公路桥梁中跨度为20m、30m、40m和50m的系列T梁，进行了端部锚固区的抗裂配筋设计。　　 (4)揭示了引起三角形齿块锚固区拉应力集中的五种局部作用效应，并研究了三角形齿块锚固区拉压杆模型的构形方法。通过分析体内预应力梁三角形齿块锚固区的应力分布规律，归纳提出了引起该区域拉应力集中的五种典型局部作用效应，即:“锚下劈裂效应”、“悬臂效应”、“锚后牵拉效应”、“局部弯曲效应”和“径向力效应”。根据力流传递路径以及局部区域的力流平衡关系，提出了三角形齿块锚固区拉压杆模型的构形，在此基础上，进一步研究了模型参数定量化的确定方法和依据。最后，根据所提出的拉压杆模型，给出了三角形齿块锚固区的配筋设计建议。　　 (5)研究了矩形齿块锚固区配筋设计的拉压杆模型方法。针对体外预应力梁中常用的体外束矩形齿块锚固区，研究提出引起独立矩形齿块锚固区拉应力集中的局部作用效应有:“锚下劈裂效应”、“悬臂效应”和“锚后牵拉效应”;对于角隅矩形齿块，除了上述三种局部作用效应以外，还存在“深受弯效应”。根据拓扑优化找形结果以及水平剪力传力机理的推演分析，提出了锚固力在矩形齿块内的两种传递机制，即:“拱机制”和“桁架机制”。在此基础上，结合齿块内的典型局部作用效应，提出一种新的精细化拉压杆模型，该模型能够恰当反映矩形齿块各部位受拉、受压、受剪规律及配筋设计需求。同时，根据所提出的拉压杆模型，给出了矩形齿块锚固区的配筋设计建议。　　 (6)开展了5个三角形齿块锚固区的预应力加载试验，该试验在国内尚属首次。通过试验研究，探讨了三角形齿块的破坏模式，齿块内的裂缝分布形态以及关键受力部位钢筋应变发展规律等力学性能，在此基础上，根据试验结果验证了三角形齿块锚固区拉压杆模型及其配筋设计方法的合理性。　　 (7)探讨了钢筋混凝土深梁的非线性拉压杆模型分析方法。在钢筋混凝土深梁拉压杆模型节点静力平衡条件的基础之上，引入节点位移协调条件以及杆件材料的非线性特性，提出了钢筋混凝土深梁基于位移协调的非线性拉压杆模型分析方法。利用此方法可预测钢筋混凝土深梁在不同受荷阶段的力学行为，从而为进一步完善深梁两个极限状态的设计方法提供了简单实用的分析手段。
作者：	林波
专业：	结构工程
导师：	吕志涛;刘钊
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文