钢筋混凝土箱梁复合受力特性的试验与理论研究

【摘要】在役钢筋混凝土箱梁桥一般都处于弯剪扭共同作用的复合受力状态。本文结合国家自然科学基金项目“在役混凝土箱梁桥时变承载力的分析理论及试验研究(51178416)”,以独柱式钢筋混凝土连续箱梁桥为背景,从理论、试验和数值分析的角度对钢筋混凝土箱梁的复合受力特性进行探索。主要研究内容及成果如下：(1)提出了基于桁架模型的复合受力钢筋混凝土箱梁构件迭代配筋设计方法,并给出了详细的计算流程。(2)设计制作并完成了4个不同设计参数的独柱式钢筋混凝土双跨连续箱梁复合受力模型试验研究工作。研究探讨了不同边界及加载方式下箱梁的纵应力沿横向的分布规律；对比给出了不同设计参数下箱梁的裂缝扩展特征及破坏模式；讨论了不同配筋和宽跨比对箱梁强度、刚度等力学特性的影响。试验结果验证了提出的配筋设计方法的合理性。(3)基于有限元软件MSC.Marc的弹塑性+断裂混凝土模型,同时考虑支座接触效应和Rots裂缝面剪切模型,建立了试验构件的有限元模型。与试验对比结果表明,该模型可以较好的模拟试验的加载过程,构件抗弯和抗扭刚度的变化规律及开裂模式均与试验结果吻合良好。(4)对独柱式钢筋混凝土连续箱梁的横向倾覆稳定性进行了探讨。分析认为,箱梁抗倾覆安全性验算时应综合考虑跨径、截面形式、配筋等因素；设置抗拉支座可以显著提高箱梁的抗倾覆能力,但墩梁固结对于改善箱梁横向稳定性的效果并不明显。(5)基于正截面抗弯承载能力计算方法,引入剪扭钢筋混凝土构件的桁架理论,导出了复合受力混凝土箱梁的弯剪扭强度关系表达式,并提出了简化计算公式。计算结果表明,对于弯扭构件,用所提出的简化计算公式得到的弯扭强度关系曲线与试验和数值结果均吻合较好；与本文4个弯剪扭箱梁构件的试验结果相比,其计算结果整体偏于保守。(6)提出了适用于钢筋混凝土箱梁复合受力全过程分析的改进板-桁模型。该模型考虑了等效剪切厚度沿腹板的变化情况,可以进行复杂截面箱梁的复合受力全过程分析。与试验对比结果表明,该模型可以较好地预测复合受力钢筋混凝土箱梁构件的荷载-变形曲线和荷载-钢筋应变曲线等力学响应；同时,还能进一步预测给出构件各箱壁的主应力(裂缝)倾角。(7)提出了基于改进板-桁模型的复合受力钢筋混凝土箱梁裂缝评估方法及流程。结合剪力墙等平面受力钢筋混凝土构件裂缝控制问题的研究成果,通过提取非线性全过程分析过程中的主压应变、主拉应变、等效剪切厚度等参数,计算得到裂缝宽度和平均裂缝间距等特征参数。结果表明,不同加载等级下箱梁构件加载侧腹板的平均裂缝间距计算结果与试验观测统计值吻合较好；在裂缝扩展阶段,荷载-裂缝宽度的变化曲线与试验观测值基本一致。(8)提出了综合考虑粘结滑移效应及正交配筋效应的钢筋修正本构模型；并进一步引入钢筋和混凝土材料劣化模型,研究给出了基于改进板-桁模型的复合受力钢筋混凝土箱梁时变承载力的计算流程。算例结果表明,对纯扭和弯剪扭混凝土构件,考虑粘结滑移的钢筋修正本构可以更好的模拟构件裂后抗扭刚度的退化情况。L1构件在寿命期内抗扭强度将经历“提高-稳定-下降”的过程,在给定的一般大气环境和扭弯比受力条件下,100年后该构件抗扭强度会出现约15%的损失。
【作者】程坤；
【导师】项贻强；
【作者基本信息】浙江大学，桥梁与隧道工程，2014，博士
【关键词】混凝土箱梁；弯剪扭；复合受力；承载力；设计；模型试验；强度关系；裂缝；时变；分析；

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