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原文传递预应力混凝土箱梁桥开裂的数值分析方法

论文题名：	预应力混凝土箱梁桥开裂的数值分析方法
关键词：	预应力混凝土连续箱梁;桥梁开裂;嵌入式组合单元;空间应力;防裂设计;有限元数值
摘要：	预应力混凝土连续箱梁桥以其结构的诸多优点，在我国桥梁建设中获得广泛应用，但在施工和使用阶段，箱梁的不同部位出现了不同程度的损伤开裂问题，且具有一定的普遍性，直接影响到桥梁的安全性、耐久性及使用寿命，对此，工程界迫切需要对箱梁开裂问题给出确定性的解答。本文针对既有预应力混凝土连续箱梁桥的开裂问题，在分析比较现有混凝土开裂研究方法的基础上，采用有限元数值分析技术，对箱梁开裂原因及影响因素进行了较全面的研究，对现有桥梁设计方法存在的问题提出改进建议。本文的研究内容体现在以下几个方面： (1)在查阅大量国内外文献的基础上，对既有预应力混凝土连续箱梁开裂情况、裂缝成因及研究方法进行了系统的回顾与总结。提出了基于应力状态防裂的设计思想，采用有限元数值分析方法研究预应力混凝土连续箱梁的开裂问题。 (2)现有有限元数值分析方法在单元划分时，要求预应力钢筋单元与混凝土单元节点必须重合，这对曲线布束的箱梁很难满足这一要求。为解决此问题，本文提出嵌入式预应力混凝土组合单元模型的概念，其中，混凝土采用20节点实体等参元模型，预应力钢筋采用空间杆单元模型，在不考虑钢筋滑移的前提下，建立了两种单元的位移转换矩阵，进而导出包含预应力钢筋贡献的预应力混凝土组合单元刚度矩阵。利用嵌入式组合刚度的概念，在单元划分时不必考虑预应力钢筋的布束方式，预应力钢筋单元可随意穿过混凝土单元。同时，为解决预应力钢筋单元节点预加力向实体单元节点荷载转换和考虑混凝土收缩徐变效应对预加应力的影响提供了一种行之有效的技术手段。 (3)采用空间预应力杆单元与混凝土实体等参元的组合刚度模拟预应力混凝土箱梁的力学特性，从本质上区别于传统算法。基于以上算法研制的有限元程序，可考虑混凝土收缩徐变效应，可体现箱梁剪滞效应和翘曲畸变效应，在箱梁结构分析时，其分析结果可更真实地反映箱梁空间应力状态，并通过算例分析验证了本程序算法的可靠性。 (4)由于《桥规》(JTJ021.89)采用的温度荷载模式与箱梁实际温度分布存在较大差异，本文在讨论箱梁非线性温度荷载的分布及确定方法的基础上，采用《桥规》(JTGD60—2004)中规定的非线性温度梯度荷载分析了温度应力沿箱梁各部位的分布规律，研究了箱梁桥设计参数、《桥规》(JTJ021.89)的温度荷载模式及《桥规》(JTGD60-2004)中两种不同温度梯度的规定对温度应力的影响，结果显示，温度梯度荷载引起的温度应力沿箱梁各部位的分布非常不均匀，由此所产生的箱梁局部应力较大处与既有预应力混凝土连续箱梁桥的开裂部位基本吻合。因此，非线性温度应力的分析对研究箱梁开裂问题十分重要。 (5)针对东莞市石龙镇二桥的开裂问题，通过对箱梁空间应力的精细化分析，较为全面的分析研究了箱梁的裂缝成因及影响因素。结果表明，箱梁出现严重开裂的部位与出现最大拉应力的部位基本一致，其中，温度应力的影响及预应力钢束设计方法存在的问题是引起箱梁开裂的主要原因。进而证明了采用本文提出的数值分析方法研究箱梁开裂问题的必要性和可行性。 (6)根据本文的研究结论，现阶段桥梁设计在两个方面有待改进：首先，由于平面杆系程序不能真实地反映箱梁局部的实际应力状态，因此，必须注重箱梁空间应力状态的分析，为此，建议可采用本文提出的基于应力状态的设计方法或其它有效的数值分析方法。其次，应根据箱梁空间应力状态及施工方法的可行性，进行较为科学和合理的桥梁构造及预应力钢筋设计。
作者：	龙佩恒
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈惟珍
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文