支承布置對混凝土曲線箱梁橋溫度效應影響分析

來源: www.9494203.live 發布時間:2017-08-23 論文字數:38945字
論文編號: sb2017081621502016867 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是土木工程論文,通過對比分析曲線梁橋在不同的支承體系下的溫度效應的計算結果,總結位移、支反力以及控制截面應力的變化趨勢及規律,為實際工程提供相應的理論基礎。
1 緒論 
 
1.1  曲線梁橋的概述 
曲線梁橋可以按照曲線平面形狀、曲線形狀、建造材料、橫截面、結構體系以及施工方法等進行分類[1-4]。 (1)  就曲線梁橋的平面形狀來說,曲線梁橋可分為如圖 1.2a 所示的扇形以及如圖 1.2b、1.2c 所示的斜交曲線梁橋; (2)  按照曲線形狀,曲線梁橋可分為:圓曲線、緩和曲線等,其中,圓曲線是采用最多的形式,其次就是緩和曲線,有時還會采用兩種不同曲線組成的曲線形式; (3)  按照建造材料,曲線梁橋可分為:鋼、鋼筋混凝土以及預應力混凝土曲線梁橋。美國和日本等國采用鋼梁和鋼-混凝土組合梁較多,鋼筋混凝土曲線梁橋和預應力混凝土曲線梁橋在我國應用較廣泛; (4)  按照橫截面,曲線梁橋可分為:板梁橋、T 梁橋、I 梁橋和箱梁橋等; (5)  按照結構體系,曲線梁橋中采用最多的就是連續梁體系,在中小跨徑時,也會采用簡支梁。在特定的情況下,也可采用預應力混凝土曲線 T 構或其他體系,但目前在國內比較少見; (6)  按照施工方法,曲線梁橋可分為:整體現澆施工、預制拼裝施工和頂推法施工等。圖 1.3 所示的香港大浦干線橋便是采用頂推法施工而成的。 
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1.2  曲線梁橋常見病害及原因分析 
由于橋梁設計、施工、養護等原因造成的橋梁病害和缺陷類型很多[5-9],舉
例如下。 (1)橋梁的設計荷載等級低,滿足不了現行的公路橋梁的運輸能力,導致超載,從而引起橋梁的破壞;(2)自然因素的影響。隨著社會的進步,各種大型工廠企業的建設,日益加重的環境污染,造成橋梁自身的老化破壞,工業垃圾不經處理排入河流,導致沿線橋梁下部結構的腐蝕破壞,引起橋梁支承結構的損壞; (3)橋梁設計的不合理,設計規范標準也存在相對滯后的問題,許多橋梁在結構、材料上的研究還不夠,導致橋梁在成橋后的長期使用中出現缺陷問題。 由于我國社會城市的快速發展,城市高架及立交橋越來越多,但是集高墩、大跨徑、曲線于一身的曲線梁橋,其橋梁結構受力和變形更加復雜。并且由于受到溫度變化、預應力、混凝土的收縮徐變等作用,曲線梁橋的病害也越來越多,導致惡性安全事故的發生,給社會帶來很大的負面影響。曲線梁橋常見的病害如下[10-17]: (1)在施工過程中或者后期使用過程中易發生內側支座的脫空破壞,如圖1.5 所示。其原因分析如下:①當曲線梁橋的圓心角大于 30°時,仍按直線梁橋進行曲線梁橋的設計。②支座抵抗剪切破壞的能力較差,當曲線梁橋的上部結構發生過大的側向位移時,支座就會發生剪切破壞,且受到彎扭耦合作用、偏心荷載以及溫度作用的作用時,支座發生脫空破壞。③在施工過程中,由于預應力張拉次序的不同,導致外側支座內力發生變化,使內側支座受到的拉力增大,引起支座脫空。 (2)梁體的爬移,如圖 1.6 所示。分析其成因:①由于曲線梁橋自身的特點,在溫度作用、豎向荷載等的作用下,使曲線梁橋結構產生溫度作用力等,使得曲線梁橋產生爬移。②車流量較大的曲線梁橋,由于超載重載車輛較多,橋梁的實際承受荷載超出設計荷載,導致曲線梁橋的離心力過大,引起爬移。③實際安裝的支座未按照設計支座進行安裝,引起支座橫向限位不足,導致爬移。 
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2  混凝土曲線梁橋支承布置形式及溫度作用效應 
 
對于混凝土曲線箱梁橋來說,結構的抗扭穩定性較差,由于受到溫度場及溫度效應的影響,導致曲線梁橋受力復雜,易發生爬移、傾覆、支座脫空、側翻等破壞性的病害,這與橋梁的支座布置形式也有密切的關系。因此,支座的布置形式也直接影響到橋梁的整體穩定性和受力性能,合理的支座布置形式將是保證橋梁施工及運行安全的重要因素之一,如何選取合理的支承形式,溫度作用的分類及對結構的影響特點,將是本章重點研究的內容。
 
2.1  曲線梁橋支座布置形式及特點 
由于曲線梁橋的受力復雜,比如自重、溫度作用、車輛偏載及車輛超載等,其支承布置形式往往比較麻煩,應根據橋梁的受力曲線以及橋梁的結構特點進行支承方式的布置。目前,曲線梁橋上由于支座設計的不合理,導致曲線梁橋爬移、傾覆、失穩、側翻等病害事故,數不勝數。因此支承的布置直接關系到橋梁的整體性,安全性及承載能力等[47-52]。引起發生這些事故的原因總結如下: (1)由于支座反力和扭矩在設計計算中出現錯誤,導致支座間距減小,從而使支座不具備抗扭功能,在曲線梁橋運營過程中,便會出現支座脫空破壞、支座發生較大的剪切變形、橋梁設置的伸縮縫遭到破壞等。 (2)曲線橋梁的中間橋墩采用單點活動支座,不約束支座的徑向位移,但是橋梁的橋臺處,采用約束徑向及切向位移的抗扭支承。若在酷暑夏天,遭遇持續的高溫日曬,則混凝土曲線梁橋必定會發生縱向伸長變形,由于兩端采用的是約束徑向及切向位移的支座形式,勢必會引起曲線梁橋在溫度作用下的徑向起拱現象,從而造成橋梁的中心線向外側移,如此日積月累,偏心的扭矩荷載增大,造成橋梁的失穩破壞。 
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2.2  溫度作用分類及特點 
由于混凝土曲線連續梁橋暴露在環境溫度中,經過自然環境溫度的變化,橋梁結構的內部與表面的溫度隨著自然環境條件以及時間的變化而變化。當曲線梁橋位于平原、峽谷、高原等不同地理位置、地形條件時,氣溫的變化對橋梁結構的影響也是不同的。另外,在結構物的表面同時還存在著輻射、對流以及傳導等熱交換的方式[60-65,70, 83]。 引起橋梁溫度變化的因素可分為:內在因素和外在因素。外在因素包括太陽輻射、夜晚降溫、冷空氣寒流、風、霜、雨、雪等。內在因素包括橋梁采用的混凝土材料的物理性質、構件的幾何尺寸等[80-84]。表 2.2 給出了溫度作用按自然環境條件分類的特點。 影響日照溫度作用主要因素:太陽及天空的輻射、日常氣溫變化、風速、地面反射、橋梁所處的地理位置、地理條件及地貌特征等。這些因素的影響,使得日照溫度作用的變化更加復雜,但是日照溫度作用變化符合諧波曲線的特征,也就是說,日照溫度作用的變化是一個隨機函數,這其中也包括由表 2.2 中顯示的太陽輻射的局部性和所采用的混凝土材料本身的熱傳導引起的不均性,由此分析,此隨機函數只能求得較為近似數值解[11,59]。 
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3 溫度梯度作用下支承方式對曲線梁橋性能的影響分析 .......... 15 
3.1 工程概況及支承布置.... 15 
3.2 在溫度梯度作用下支承方式對曲線梁橋性能的影響分析....... 16 
3.3 本章小結...... 42
4 在均勻溫度作用下支承方式對曲線梁橋性能的影響分析 ...... 44 
4.1  均勻溫度對混凝土曲線梁橋的作用...... 44 
4.2  工程概況及支承布置............ 44 
4.3  支承方式對曲線梁橋在均勻溫度作用下性能的影響及分析........... 44 
4.3.1  支承方式對曲線梁橋位移的影響及分析 ..... 44 
4.3.2  支承方式對曲線梁橋支反力的影響及分析 .......... 56 
4.3.3  支承方式對曲線梁橋應力的影響及分析 ..... 57 
4.4  本章小結..... 68
5 結論與展望 .......... 70 
5.1   結論........... 70 
5.2  展望 ......... 70 
 
4 在均勻溫度作用下支承方式對曲線梁橋性能的影響分析 
 
4.1  均勻溫度對混凝土曲線梁橋的作用 
曲線梁橋的均勻溫度主要是由于季節的溫差變化引起的,即季節溫差對曲線梁橋產生的影響,由于該過程的溫差變化是一種長期且緩慢的作用,所以在考慮到均勻溫度對混凝土曲線梁橋的影響時,均作為均勻溫度進行分析,因此可以取結構物的平均溫度作為均勻溫度進行研究。在均勻溫度的作用下,混凝土曲線梁橋的下部結構也參與工作,曲線梁橋的變形比較復雜,這與曲線梁橋的曲率半徑、支承布置方式、橋墩的抗推剛度等都有直接關系。本章將要討論不同支承體系在均勻溫度作用下對混凝土曲線梁橋性能的影響分析。本章利用有限元實體單元進行建模。某混凝土曲線箱梁橋,上部結構(3×30)m,共一聯,橋平面位于 R=75m 的圓曲線上,橋梁截面為單箱單室,箱梁頂板寬 8.5m,底板寬 3.82m,支座間橫向間距為 1.6m,箱梁高為 2.1m,腹板寬為 40cm,頂板厚與底板厚均為 25cm,分別考察不同支承體系下梁體端支點處、1/4 跨、1/2跨以及 3/4 跨處位移、支反力以及應力的變化。曲線梁橋的支承布置形式、箱梁截面測點布置與第三章一致,在這里就不再贅述。在三維實體模型分析中,采用四邊形單元劃分有限元,總共劃分節點數為 23387,單元數為 16020。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG/D60-2004)以及相關文獻[17, 23, 24, 47, 59, 61],本節取橋梁整體升溫 30℃,研究不同支承方式在均勻溫度的作用下對混凝土曲線梁橋性能的影響分析。 
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結論 
 
本文首先介紹了曲線箱梁橋的受力特點及一些病害和產生這些病害的原因,并針對現存問題,闡述了本文的研究目的及內容,介紹了曲線橋梁支承布置的一般原則和溫度作用對曲線橋梁的影響及研究現狀。通過建立有限元模型分析研究了在五種支承方式下曲線橋梁在溫度梯度作用和均勻溫度作用下的位移、支反力、應力,得出如下主要結論: 
(1)在溫度梯度作用下,豎向位移主要受是否采用抗扭支座影響。 
(2)在溫度梯度作用下,限制內側徑向位移會增加橋梁端部切向位移。 
(3)在溫度梯度作用下,固定支座的位置,會影響橋梁切向位移兩邊位移量的均衡。  
(4)在溫度梯度作用下,在梁端設置限制徑向約束的抗扭支承,同時中間內側設置限制徑向位移的支座,端部徑向支反力顯著增大。 
(5)在溫度梯度作用下,在橋梁中間墩處不限制內側徑向位移,在橋梁端部不限制外側徑向位移,將有效減少頂板處的應力。 
(6)在均勻溫度作用下,支承方式對曲線梁橋豎向位移影響不大,而測點處的位移由于截面變形受到的影響較大。 
(7)在均勻溫度作用下,固定支座的設置會影響梁兩端切向位移量的均衡。位移量的大小與梁體距離固定支座的距離成正比例關系。 
(8)在均勻溫度作用下,支座處產生的徑向支座反力主要與內外側支座類型有關;支承方式對豎向支反力的影響較小。
(9)在均勻溫度作用下,曲線橋梁腹板處所產生的應力均較小,支承體系對曲線橋梁頂板處的應力分布影響不大。 
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參考文獻(略)

原文地址:http://www.9494203.live/civil/16867.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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