拼宽混凝土桥梁结构的受力性能和可靠度之土木工程研究

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2019-12-03 论文字数:95899字
论文编号: sb2019110811111028458 论文语言:中文 论文类型:博士毕业论文
本文是一篇土木工程论文,本文将在收缩徐变效应确定性分析的基础上,利用考虑收缩徐变预测模型不确定性的拉丁超立方抽样模拟,对拼宽混凝土桥梁结构收缩徐变效应的随机性进行分析。

第 1 章  绪论

1.1  研究背景
公路具有造价低、运输灵活性强等优点,是人员和物资流动最主要的通道,在现代交通运输体系中占据举足轻重的地位。然而,近年来,随着国民经济和交通运输的持续快速发展,我国现有公路中已有相当部分因不能满足当前阶段的交通需求而成为整个交通运输网络的“瓶颈”,在一定程度上阻碍了经济的发展。以高速公路为例,由于受到建设时期社会经济条件、建造水平和建设思路等因素的限制,我国在早期特别是上世纪九十年代修建的高速公路以双向四车道为主,技术标准偏低,这些高速公路很快就因不能满足飞速增长的车流而经常出现严重拥堵,人员通行和物资运输的效率明显降低[1]。因此,如何在尽量少占用土地资源和项目资金的前提下对这些超负荷的公路进行有效地改扩建,提高它们的技术标准和通行能力,受到政府决策部门和交通技术部门的广泛关注。
在国外,对既有公路进行扩容改造的需求同样迫切。以美国为例,虽然该国早在上世纪九十年代初就基本完成了其最主要公路交通系统-州际公路系统的建设,且远期规划较为合理,但随着交通量的连年递增,交通拥堵现象也日趋严重。2017 年美国土木工程师协会(ASCE)发布的基础设施调查报告显示,超过占总里程2/5 的州际高速公路出现较严重拥堵,平均每位驾驶者每年因交通堵塞而浪费的时间达 42 小时,全国每年因交通堵塞造成的经济损失达 1600 亿美元[2]。从上世纪七十年代开始,美国开始逐渐进入既有公路改扩建阶段,目前已完成扩建的高速公路主要有 15 号、45 号、59 号等州际公路[3]。
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1.2  拼宽混凝土桥梁结构受力性能研究现状
1.2.1  拼接拓宽方法
混凝土桥梁拼接拓宽的方法多样,进行既有桥梁拼接拓宽时,首先需根据既有桥梁结构类型、结构现状、施工条件和技术等选择合适的拼接拓宽方法。从结构受力的角度来看,不同的拼接拓宽方法和工艺将导致不同的拼宽后受力体系,因此,拼接拓宽方法是决定拼宽桥梁结构受力性能的首要因素。
目前,既有混凝土桥梁的拼接拓宽方法主要包括以下几种。
1.2.1.1  增设边梁拓宽法
若拓宽宽度不大,如增加一个车道或者人行道时,可以考虑采用增设边梁的拓宽方法。具体做法为:拆除一侧或两侧的栏杆及人行道板后,增设边梁或者边拱肋,并与旧梁铰接。这种拓宽方式下,新梁主要承受自身活载和恒载,对旧梁的卸载作用较小。下部支撑结构也需要相应地加宽,具体加宽方式包括加大盖梁和增设斜撑体系[12]。图 1.1 为上海某高架桥采用增设边钢箱梁的方式进行拓宽的示意,其中用于加宽盖梁的两侧钢盖梁与原有盖梁间通过张拉体外预应力束实现有效连接[13]。

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第 2 章  混凝土自由收缩变形试验研究及预测模型修正

2.1  常用收缩预测模型及其构件几何特征影响项分析
在国内外众多混凝土收缩预测模型中,比较有代表性、应用较多的主要有 JTG D62-2004 规范模型[163]、ACI 209R-92 模型[164]、B3 模型[172]和 GL2000 模型[173]四种。下面对这几种预测模型的计算公式和几何特征影响项进行汇总和简要分析。

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2.2  混凝土收缩尺寸效应的理论分析
从产生机理来划分,混凝土收缩主要可分为自生收缩、碳化收缩和干燥收缩,其中,对于普通强度等级的混凝土来说,干燥收缩占绝大部分。干燥收缩是指混凝土因其内吸附水和层间水散失引起毛细管张力和表面张力增大进而导致的体积减小[146]。研究表明,
混凝土收缩量与其内水分的减少量近似呈线性关系,因此混凝土干燥收缩的发展历程主要取决于混凝土在内外湿度差推动下的水分扩散过程。
在混凝土水分扩散过程中,根据质量守恒定律,可得[176]:

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第 3 章  新旧混凝土约束收缩试验研究及理论分析 ............................... 53
3.1  不同尺寸和界面状态新旧混凝土组合试件收缩变形试验研究 ............... 53
3.1.1  试验目的 ............................... 53
3.1.2  试验方法的选取 ..................... 53
第 4 章  考虑拼接缝影响的拼宽混凝土桥梁收缩徐变效应解析分析 ..................... 93
4.1  理论分析模型与基本假定 .............................. 93
4.2  收缩徐变效应基本方程的推导 .................................. 95
第 5 章  拼宽混凝土桥梁收缩徐变效应随机性分析 .............................................. 116
5.1  分析算法流程 ................................ 116
5.2  收缩徐变效应确定性分析 ...................... 118

第 6 章  拼宽混凝土桥梁结构时变可靠度分析

6.1  分析算法框架
在每一计算时刻,拼宽混凝土桥梁体系可靠度分析的实现算法主要由三部分组成,分别为确定性结构分析、概率分析以及体系可靠度分析,如图 6.1 所示。
确定性结构分析的目的是在充分考虑混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀以及新、旧桥间汽车荷载重分布对结构受力影响的前提下,建立主梁控制截面抗弯承载力和相应最大汽车活载弯矩的计算方法。给定待分析桥梁相关参数的取值,本部分将给出确定性的抗弯承载力和活载效应。
概率分析包括两方面内容,其一是识别影响主梁抗力和荷载效应的主要变量并确定其概率分布模型,其中后者具体包括随机分布概型、期望值和标准差。另一方面则是选取合适的随机模拟方法对确定性结构分析过程进行随机模拟,现阶段比较常用随机模拟方法的有蒙特卡洛抽样法(Monte Carlo Sampling,MCS)[215]和拉丁超立方抽样法(Latin hypercube sampling, LHS)[216]。本部分的输出将是主梁抗力和荷载效应的概率分布模型。
体系可靠度分析的功能是根据结构体系各构件失效事件间的相互逻辑关系以及各单个构件失效事件与结构体系失效事件间的关系建立体系可靠度理论计算模型,即确定各单个构件失效事件间的串并联关系[90]。然后,在体系可靠度理论计算模型中代入已得到的各构件(主梁)抗力和荷载效应的概率分布模型,再利用基于一次二阶矩法或二次二阶矩矩法的可靠度算法即可计算得到各构件和结构体系的可靠度指标。
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结论与展望
1.  本文主要结论
本文结合试验研究和理论分析,围绕拼宽混凝土桥梁结构在长期收缩徐变性能和时变可靠度两方面的设计基础理论开展研究,得到了以下主要结论:
(1)试验研究了构件尺寸和截面形状(包括矩形和箱形截面)对混凝土自由收缩变形的影响。结果表明:试件尺寸同时影响混凝土的收缩终值和发展速度,尺寸越大,收缩终值越小,收缩发展越慢;对于箱室完全封闭的箱形截面试件,其收缩值和发展速度小于相应实心试件是由于封闭箱室的实际理论厚度较大所致,计算封闭箱室实际理论厚度时应对其内表面周长进行修正,修正系数可取 0.45;根据试验结果对我国现行公路桥规(JTG  D62-2004)的收缩预测模型进行了修正,本文和相关文献的试验结果验证了修正公式的适用性。
(2)对 18 个不同尺寸和界面状态(包括凿毛、凿毛加植筋两种)新旧混凝土组合试件的约束收缩应变进行了 300d 长期观测。结果表明:新混凝土在新-旧混凝土界面附近位置(测点 2-2’)和自由边附近位置(测点 1-1’)的约束收缩应变分别远小于和略大于对照组试件的自由收缩应变;各测点的约束收缩应变均随着试件尺寸的增大而减小;界面凿毛加植筋试件在测点 1-1’和测点 2-2’位置的约束收缩应变值分别大于和小于同尺寸界面凿毛试件的相应应变值;
(3)结合弹性力学平面应力问题的逆解法和徐变计算的按龄期调整有效模量法,提出了一种用于计算新旧混凝土组合体系约束收缩效应的解析方法。相较于已有基于初等梁理论的分析方法,该基于弹性力学理论方法的精度更高、适用性更强,且可以通过设置界面剪切刚度来计入界面位置新旧结构相对纵向滑移的影响。对于本文试验所采用的凿毛界面和凿毛加植筋界面,根据相应新旧混凝土组合试件约束收缩应变数据识别得到的剪切刚度分别为 4×1010N/m3和 9×1010N/m3。
参考文献(略)


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