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                      支承布置对混凝土曲线箱梁桥温度效应影响分析

                      来源: www.koshiobi.com 作者:lgg 发布时间:2017-08-23 论文字数:38945字
                      论文编号: sb2017081621502016867 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
                      本文是土木工程论文,通过对比分析曲线梁桥在不同的支承体系下的温度效应的计算结果,总结位移、支反力以及控制截面应力的变化趋势及规律,为实际工程提供相应的理论基础。
                      1 绪论 
                       
                      1.1  曲线梁桥的概述 
                      曲线梁桥可以按照曲线平面形状、曲线形状、建造材料、横截面、结构体系以及施工方法等进行分类[1-4]。 (1)  就曲线梁桥的平面形状来说,曲线梁桥可分为如图 1.2a 所示的扇形以及如图 1.2b、1.2c 所示的斜交曲线梁桥; (2)  按照曲线形状,曲线梁桥可分为:圆曲线、缓和曲线等,其中,圆曲线是采用最多的形式,其次就是缓和曲线,有时还会采用两种不同曲线组成的曲线形式; (3)  按照建造材料,曲线梁桥可分为:钢、钢筋混凝土以及预应力混凝土曲线梁桥。美国和日本等国采用钢梁和钢-混凝土组合梁较多,钢筋混凝土曲线梁桥和预应力混凝土曲线梁桥在我国应用较广泛; (4)  按照横截面,曲线梁桥可分为:板梁桥、T 梁桥、I 梁桥和箱梁桥等; (5)  按照结构体系,曲线梁桥中采用最多的就是连续梁体系,在中小跨径时,也会采用简支梁。在特定的情况下,也可采用预应力混凝土曲线 T 构或其他体系,但目前在国内比较少见; (6)  按照施工方法,曲线梁桥可分为:整体现浇施工、预制拼装施工和顶推法施工等。图 1.3 所示的香港大浦干线桥便是采用顶推法施工而成的。 
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                      1.2  曲线梁桥常见病害及原因分析 
                      由于桥梁设计、施工、养护等原因造成的桥梁病害和缺陷类型很多[5-9],举
                      例如下。 (1)桥梁的设计荷载等级低,满足不了现行的公路桥梁的运输能力,导致超载,从而引起桥梁的破坏;(2)自然因素的影响。随着社会的进步,各种大型工厂企业的建设,日益加重的环境污染,造成桥梁自身的老化破坏,工业垃圾不经处理排入河流,导致沿线桥梁下部结构的腐蚀破坏,引起桥梁支承结构的损坏; (3)桥梁设计的不合理,设计规范标准也存在相对滞后的问题,许多桥梁在结构、材料上的研究还不够,导致桥梁在成桥后的长期使用中出现缺陷问题。 由于我国社会城市的快速发展,城市高架及立交桥越来越多,但是集高墩、大跨径、曲线于一身的曲线梁桥,其桥梁结构受力和变形更加复杂。并且由于受到温度变化、预应力、混凝土的收缩徐变等作用,曲线梁桥的病害也越来越多,导致恶性安全事故的发生,给社会带来很大的负面影响。曲线梁桥常见的病害如下[10-17]: (1)在施工过程中或者后期使用过程中易发生内侧支座的脱空破坏,如图1.5 所示。其原因分析如下:①当曲线梁桥的圆心角大于 30°时,仍按直线梁桥进行曲线梁桥的设计。②支座抵抗剪切破坏的能力较差,当曲线梁桥的上部结构发生过大的侧向位移时,支座就会发生剪切破坏,且受到弯扭耦合作用、偏心荷载以及温度作用的作用时,支座发生脱空破坏。③在施工过程中,由于预应力张拉次序的不同,导致外侧支座内力发生变化,使内侧支座受到的拉力增大,引起支座脱空。 (2)梁体的爬移,如图 1.6 所示。分析其成因:①由于曲线梁桥自身的特点,在温度作用、竖向荷载等的作用下,使曲线梁桥结构产生温度作用力等,使得曲线梁桥产生爬移。②车流量较大的曲线梁桥,由于超载重载车辆较多,桥梁的实际承受荷载超出设计荷载,导致曲线梁桥的离心力过大,引起爬移。③实际安装的支座未按照设计支座进行安装,引起支座横向限位不足,导致爬移。 
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                      2  混凝土曲线梁桥支承布置形式及温度作用效应 
                       
                      对于混凝土曲线箱梁桥来说,结构的抗扭稳定性较差,由于受到温度场及温度效应的影响,导致曲线梁桥受力复杂,易发生爬移、倾覆、支座脱空、侧翻等破坏性的病害,这与桥梁的支座布置形式也有密切的关系。因此,支座的布置形式也直接影响到桥梁的整体稳定性和受力性能,合理的支座布置形式将是保证桥梁施工及运行安全的重要因素之一,如何选取合理的支承形式,温度作用的分类及对结构的影响特点,将是本章重点研究的内容。
                       
                      2.1  曲线梁桥支座布置形式及特点 
                      由于曲线梁桥的受力复杂,比如自重、温度作用、车辆偏载及车辆超载等,其支承布置形式往往比较麻烦,应根据桥梁的受力曲线以及桥梁的结构特点进行支承方式的布置。目前,曲线梁桥上由于支座设计的不合理,导致曲线梁桥爬移、倾覆、失稳、侧翻等病害事故,数不胜数。因此支承的布置直接关系到桥梁的整体性,安全性及承载能力等[47-52]。引起发生这些事故的原因总结如下: (1)由于支座反力和扭矩在设计计算中出现错误,导致支座间距减小,从而使支座不具备抗扭功能,在曲线梁桥运营过程中,便会出现支座脱空破坏、支座发生较大的剪切变形、桥梁设置的伸缩缝遭到破坏等。 (2)曲线桥梁的中间桥墩采用单点活动支座,不约束支座的径向位移,但是桥梁的桥台处,采用约束径向及切向位移的抗扭支承。若在酷暑夏天,遭遇持续的高温日晒,则混凝土曲线梁桥必定会发生纵向伸长变形,由于两端采用的是约束径向及切向位移的支座形式,势必会引起曲线梁桥在温度作用下的径向起拱现象,从而造成桥梁的中心线向外侧移,如此日积月累,偏心的扭矩荷载增大,造成桥梁的失稳破坏。 
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                      2.2  温度作用分类及特点 
                      由于混凝土曲线连续梁桥暴露在环境温度中,经过自然环境温度的变化,桥梁结构的内部与表面的温度随着自然环境条件以及时间的变化而变化。当曲线梁桥位于平原、峡谷、高原等不同地理位置、地形条件时,气温的变化对桥梁结构的影响也是不同的。另外,在结构物的表面同时还存在着辐射、对流以及传导等热交换的方式[60-65,70, 83]。 引起桥梁温度变化的因素可分为:内在因素和外在因素。外在因素包括太阳辐射、夜晚降温、冷空气寒流、风、霜、雨、雪等。内在因素包括桥梁采用的混凝土材料的物理性质、构件的几何尺寸等[80-84]。表 2.2 给出了温度作用按自然环境条件分类的特点。 影响日照温度作用主要因素:太阳及天空的辐射、日常气温变化、风速、地面反射、桥梁所处的地理位置、地理条件及地貌特征等。这些因素的影响,使得日照温度作用的变化更加复杂,但是日照温度作用变化符合谐波曲线的特征,也就是说,日照温度作用的变化是一个随机函数,这其中也包括由表 2.2 中显示的太阳辐射的局部性和所采用的混凝土材料本身的热传导引起的不均性,由此分析,此随机函数只能求得较为近似数值解[11,59]。 
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                      3 温度梯度作用下支承方式对曲线梁桥性能的影响分析 .......... 15 
                      3.1 工程概况及支承布置.... 15 
                      3.2 在温度梯度作用下支承方式对曲线梁桥性能的影响分析....... 16 
                      3.3 本章小结...... 42
                      4 在均匀温度作用下支承方式对曲线梁桥性能的影响分析 ...... 44 
                      4.1  均匀温度对混凝土曲线梁桥的作用...... 44 
                      4.2  工程概况及支承布置............ 44 
                      4.3  支承方式对曲线梁桥在均匀温度作用下性能的影响及分析........... 44 
                      4.3.1  支承方式对曲线梁桥位移的影响及分析 ..... 44 
                      4.3.2  支承方式对曲线梁桥支反力的影响及分析 .......... 56 
                      4.3.3  支承方式对曲线梁桥应力的影响及分析 ..... 57 
                      4.4  本章小结..... 68
                      5 结论与展望 .......... 70 
                      5.1   结论........... 70 
                      5.2  展望 ......... 70 
                       
                      4 在均匀温度作用下支承方式对曲线梁桥性能的影响分析 
                       
                      4.1  均匀温度对混凝土曲线梁桥的作用 
                      曲线梁桥的均匀温度主要是由于季节的温差变化引起的,即季节温差对曲线梁桥产生的影响,由于该过程的温差变化是一种长期且缓慢的作用,所以在考虑到均匀温度对混凝土曲线梁桥的影响时,均作为均匀温度进行分析,因此可以取结构物的平均温度作为均匀温度进行研究。在均匀温度的作用下,混凝土曲线梁桥的下部结构也参与工作,曲线梁桥的变形比较复杂,这与曲线梁桥的曲率半径、支承布置方式、桥墩的抗推刚度等都有直接关系。本章将要讨论不同支承体系在均匀温度作用下对混凝土曲线梁桥性能的影响分析。本章利用有限元实体单元进行建模。某混凝土曲线箱梁桥,上部结构(3×30)m,共一联,桥平面位于 R=75m 的圆曲线上,桥梁截面为单箱单室,箱梁顶板宽 8.5m,底板宽 3.82m,支座间横向间距为 1.6m,箱梁高为 2.1m,腹板宽为 40cm,顶板厚与底板厚均为 25cm,分别考察不同支承体系下梁体端支点处、1/4 跨、1/2跨以及 3/4 跨处位移、支反力以及应力的变化。曲线梁桥的支承布置形式、箱梁截面测点布置与第三章一致,在这里就不再赘述。在三维实体模型分析中,采用四边形单元划分有限元,总共划分节点数为 23387,单元数为 16020。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG/D60-2004)以及相关文献[17, 23, 24, 47, 59, 61],本节取桥梁整体升温 30℃,研究不同支承方式在均匀温度的作用下对混凝土曲线梁桥性能的影响分析。 
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                      结论 
                       
                      本文首先介绍了曲线箱梁桥的受力特点及一些病害和产生这些病害的原因,并针对现存问题,阐述了本文的研究目的及内容,介绍了曲线桥梁支承布置的一般原则和温度作用对曲线桥梁的影响及研究现状。通过建立有限元模型分析研究了在五种支承方式下曲线桥梁在温度梯度作用和均匀温度作用下的位移、支反力、应力,得出如下主要结论: 
                      (1)在温度梯度作用下,竖向位移主要受是否采用抗扭支座影响。 
                      (2)在温度梯度作用下,限制内侧径向位移会增加桥梁端部切向位移。 
                      (3)在温度梯度作用下,固定支座的位置,会影响桥梁切向位移两边位移量的均衡。  
                      (4)在温度梯度作用下,在梁端设置限制径向约束的抗扭支承,同时中间内侧设置限制径向位移的支座,端部径向支反力显著增大。 
                      (5)在温度梯度作用下,在桥梁中间墩处不限制内侧径向位移,在桥梁端部不限制外侧径向位移,将有效减少顶板处的应力。 
                      (6)在均匀温度作用下,支承方式对曲线梁桥竖向位移影响不大,而测点处的位移由于截面变形受到的影响较大。 
                      (7)在均匀温度作用下,固定支座的设置会影响梁两端切向位移量的均衡。位移量的大小与梁体距离固定支座的距离成正比例关系。 
                      (8)在均匀温度作用下,支座处产生的径向支座反力主要与内外侧支座类型有关;支承方式对竖向支反力的影响较小。
                      (9)在均匀温度作用下,曲线桥梁腹板处所产生的应力均较小,支承体系对曲线桥梁顶板处的应力分布影响不大。 
                      .........
                      参考文献(略)

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