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摘 要 本
论文对体外预应力钢筋混凝土简支梁桥的挠度进行了研究,目前对桥梁挠度计算时考虑的因素不够全面,对体外预应力结构的桥梁的挠度研究更是有待进一步加强,本
论文针对这一问题,比较全面的分析了挠度产生的原因,研究了各影响因素与挠度之间的关系,推导出了考虑外力、体外预应力、体外预应力筋应力增量,体外预应力二次效应、混凝土收缩、混凝土徐变影响的挠度计算方法,通过对影响因素全面综合的考虑,提高了桥梁挠度理论计算结果的准确性,本
论文还编写了相应的计算程序,实现了计算过程的程序化、自动化,给出了一种更快速、更准确计算体外预应力钢筋混凝土简支梁桥挠度的方法。
关键词:体外预应力、挠度、计算方法、程序化 In the thesis,the deflection of externally prestressed concretesimple-supported beam is researched.At the present time,the influencingfactors are not all considered when the deflection of beam is calculated.Atpresent,the deflection research of externally prestressed concrete beam need bedeveloped.In the thesis,the influencing factors are considered wholly.Therelation between the influencing factors and the deflection is researched.In thethesis,the calculated method about deflection is obtained when external force,externally prestressing force,the quadratic effect of externally prestressing force,concrete shrinkage and concrete creep are considered.The outcome ofdeflection calculmion is more accurate through applying method which isobtained in the thesis.In the thesis,the program for calculating deflection iscompleted.A kind of method which Carl quickly and accurately get thedeflection of extemaUy prestressed concrete simple-supported beam is obtainedin the thesis.Key words:externally prestressing force,deflection,calculated method, program辽宁工程技术大学硕士学位
论文1 绪论 。
体外预应力技术是一种广泛应用于桥梁结构中的
先进技术,体外预应力技术是指预应力筋布置在结构构件截面之外,与预应力筋布置在结构构件截面内相对而言的预应力技术,是后张法无粘结预应力混凝土结构的分支.钢筋混凝土简支梁桥是一种广泛应用的桥梁体系,利用体外预应力对钢筋混凝士简支梁桥进行加固是目前广泛采用的,也是一种
效果很好的桥梁加固技术。
体外预应力简支梁桥是一种很有发展潜力的桥梁结构,目前在
国外已广泛应用。
本
论文将对体外预应力钢筋混凝土简支粱桥的挠度问题进行详细的研究。
,1.1 体外预应力技术的发展历史及现状 体外预应力结构的
概念及方法产生于法国,由Eugene Freyssinet完成了体外预应力的首次应用。
在桥梁建设领域,体外预应力技术的运用要先于体内预应力技术。
二十世纪三十年代,体外预应力技术就已经开始应用于桥梁建设领域。
1934年,德国工程师Franz Dischinger获取了向结构施加体外预应力的专利,并在1936至1937年设计了世界上第一座体外预应力钢筋混凝土悬臂梁桥一一奥厄桥,这座桥主跨69米,经过1962年和1983年的两次维修和预应力筋的重新张拉使用至今,它比1938年在德国Westphalia州Oelde附近建成的第一座有粘结预应力混凝土桥还早了一年。
但由于当时的技术水平、材料性能等条件的限制,体外预应力结构存在着转向块构造设计困难,耐腐蚀性差,使早期建造的体外预应力桥梁维
修养护费用很高,未能体现出其
在工程应用上的优越性,.因而在20世纪60年代前未能得到
推广.随着技术的进步,60年代后期体外预应力筋耐久性及构造设计的部分
问题得到
解决,为体外预应力技术的进一步发展奠定了基础,尤其70
年代美国和法国大量的桥梁加固为体外预应力技
术的快速发展提供了契机。
通过桥梁加固中应用体外预应力技术,积累了大量
的实践
经验并获得了重要的参考数据,从而进一步完善了设计理论,为在建设新桥梁时重新考虑使用体外预应力技术提供了有利
条件。
这段期间体外预应力技术成功
运用的
典型实例是1979年E.C.figg和J.Muller设计并建造的佛罗里达的LongKey桥,它充分体现了体外预应力技术应用于桥梁建设的优越性。
20
世纪80年代后,防腐技术得到进一步提高,在J.Muller、法国公路技术设计部(SETRA)及M.P.Virlogeux的影响下,
美国和法国都大量采用辽宁工程技术大学硕士学位
论文 2体外预应力技术建造和加固桥梁。
1992年9月,英国运输部经过对1985年 12月4日英国西格林摩根的英斯瓦斯桥因体内预应力钢束发生严重腐蚀导致桥梁突然破坏、倒塌的事件进行调查分析后,颁布法令规定:在新标准颁布之前,后张有粘结预应力混凝土结构不再允许
用于新建桥梁。
体内预应力钢束的无法及时发现隐患的缺点在这次
事件中被充分暴露,同时这一事件也
促进了体外预应力技术的飞速发展。
目前,法国的多数大跨度桥梁建设均采用体外预应力
技术,此外在英国、美国等许多国家也开始在桥梁工程等结构工程
领域广泛使用体外预应力技术。
上个世纪70年代末和80年代初,随着我国公路桥梁荷载吨位的增加,
开始将体外预应力技术用于公路桥梁的加固工程中,受到了
很好的经济效益和社会效益。
这些工程
实践也为体外预应力加固设计理论的
建立和
完善奠定了基础,同时也对体外预应力加固设计理
论的发展提出了迫切的要求。
近年来,我国的结构工
作者正日益认识到体外预应力结构的重要价值,已从多方面
开展研究
工作,对体外预应力在新建桥梁及桥梁加固工程中的应用进行了
探索。
目
前我国体外预应力技术大多应用于桥梁
加固工程中,在新建桥梁结构中体外预应力的应用还是
比较少的。
我国首次采用体外预应力技术的预应力
钢筋混凝土连续梁桥是1990年通车的福州洪塘大桥的引桥部分,它采用了与佛罗里达的LongKey桥相类似的体外预应力
体系。
1995年,我国采用体外预应力技术
成功地修建了汕头海湾大桥,该桥是一座三跨简支预应力混凝土加筋箱梁悬索桥。
目前,我国对体外预应力桥梁结构的研究主要集中在正截面极限承载能力的研究上,对于体外预应力梁桥的动力学特性及结构变形问题的研究则亟待加强。
现今
世界上许多
国家开始在桥梁工程领域广泛使用体外预应力技术.采用该技术的结构可以在不影响正常使用的情况下调整体外预应力钢束的应力,甚至更换体外预应力钢束,从而延长结构使用寿命;同时,体外预应力技术能够较大幅度的提高旧桥承载能力,其所需设备简单,人力投入少,施工工期较短,对交通影响小,
经济效益和社会效益明显;另外,体外预应力筋布置灵活。
可以应用于多种形式的桥梁结构,并可与
传统桥梁施工方法
结合形成新的高效安全的施工方法,因此可以预见体外预应力技术在桥梁工程加固及新建桥梁的
设计方面具有广阔的应用前景。
1.2 体外预应力桥梁挠度研究的必要性 从体外预应力技术在
桥梁工程中应用的
历史发展和应用现状来看,体外辽宁工程技术大学硕士学位
论文 3预应力技术无论在新建桥梁工程中
还是在加固工程中都将会得到更加广泛的应用. 在新建桥梁工程中应用体外预应力技术有以下优点;1.能够减小梁体施工难度,与目前的体内预应力混凝土梁体施工相比,避免了在梁体内铺设波纹管以及灌浆等工序。
2.与目前的体内混凝土梁相比,梁体的受力状态便于
调整,预应力索便于更换调整,从而能保证梁体处于更好的受力
状态。
3.便于
维护、减少安全隐患,能相对容易的
发现成桥
后的预应力索的腐蚀等情况,对
存在问题的预应力钢束可及时地更换或维修,从而减少安全事故的
发生.4.与体内预应力混凝土结构相比,体外预应力混凝土结构的梁体因无需考虑铺设钢束所要满足的梁体尺寸要求,所以在很多情况下可减小梁体的截面尺寸。
在桥梁加固工程中应用体外预应力技术有以下优点:1.能够较大幅度地提高旧桥承载
能力。
加固后所能达到的承载能力与原桥设计标准及安全储备
有关,一般情况下可将原桥承载力提高30%一40%。
2.体外索加固技术所需设备
简单,
人力投入少,施工工期短,经济效益明显。
3.在加固过程中,可以实现不中断交通或短时限制交通。
4.对原桥结构损伤较小,
可以做到不影响桥下净空。
综上所述,体外预应力结构混凝土桥梁是一种很有
发展空间
和发展
前景的桥梁结构体系,对其进行结构理论研究是非常
必要的,同时也是我国目前桥梁理论发展中亟待
加强的。
众所周知,在对某种结构进行理论研究时,结构的应力、应变都是
必须研究的力学指标.目前对体外预应力结构的理论研究多集中在对结构的应力的研究上,被广泛研
究的主要有正截面抗弯承载能力,预应力钢束的二次效应对结构内力的影响等,而对结
构的另
一种力学
指标一一应变的研究却很少,可以说仅仅处于刚起步的阶段。
挠度是结构应变宏观反映的一个重要参数,对体外预应力结构的挠度进行研究是体外预应力结构理论发展中不可或缺的
有机组成部分。
对桥梁结构来说,挠度是控制结构设计的重要参数,是桥梁结构
的安全性与舒适性的综合反映指标。
同时,体外预应力筋与混凝土是无粘结的,预应力仅通过转向块和锚固点作用在梁体上.所以在体外预应力梁挠度计算中,一方面力筋和混凝土之间不再存在简单的变形协调关系,对锚固点
间的某
一个截面而言,力筋与混凝土梁的应变不再相等,因而不能再沿用有粘结预应力混凝土的方辽宁工程技术大学硕士学位
论文 4法进行挠度计算;另一
方面,由于在除了锚固点和转向块处以外的截面上,力筋与
混凝土梁的竖向变位不再相等,因而也
不能照搬无粘结预应力混凝土结构中
相关方法进行挠度计算。
由体外预应力结构自身特点决定,计算梁体的挠度
需要确定荷载作用下的预应力筋应力增量;由于梁体受弯变形后产生的挠度会使体外预应力筋的
有效偏心距减小,降低体外钢筋的作用,即产生二次影响,这是体外预应力
区别于体内无粘结预应力的主要方面。
因此,对体外预应力混凝土桥梁的挠度进行理论研究是非常必要的,也是急需加强提高的。
1.3 本
论文的研究内容、研究方
法及研究目标 本
论文的主要研究
内容是体外预应力简支梁桥挠度的计算方法.在本
论文中将分以下
几个部分对体外预应力简支梁桥挠度进行研究:1.结构自重对挠度影响的研究;2.车道荷载对挠度影响的研究;3.人群荷载对桥梁挠度影响的研究;4体外预应力对挠度影响的研究;5.体外预应力篾应力增量对挠度影响的
研究;6.体外预应力二次效应对挠度影响的研究;7.混凝土收缩对挠度影响的研究;8.混凝土徐变对挠度影响的研究;9.影响因素
综合作用下桥梁挠度计算的研究;10.桥梁挠度计算过程的程序化。
体外预应力混凝土简支梁桥挠度与各影响因素
之间的关系,本
论文将针对不同的影响因素采用不同的研究方法。
按照叠加原理,梁在凡项荷载(可以是集中力、集中力偶或分布力)同时作用下某一横截面的挠度等于每一项荷载单独作用下截面的挠度的叠加。
对于体外预应力使钢筋混凝土梁体产生的挠度的研究,我们把体外预应力看作是一种外荷载施加在钢筋混凝土粱体,借鉴以往的
理论和研究成果推断粱体的挠度变化.体外预应力对梁体来说是一种外荷载,但同时它又与普通的外荷载不尽相同,体外预应力筋应力增量、二次效应就是体外预应力
不同于
普通荷载的一个
特性,本
论文将从体外预应力钢束与梁体变形不完全
协调一致这一结构
特点出发,利用
力学知识和结构自身特征,推导出体外预应力筋应力增量和二次效应对梁体挠度的影响。
对于车道荷载、人群荷载对梁体挠度的
影响,本
论文将介绍
最新规范
中的理论计算方法,并对车道荷载、人群荷载对粱体挠度的影响的关系
进行总结研究.针对混凝土的收缩和徐变两种特性,将分别从
宏观和微观
角度分析梁体在收缩和徐变作用下的应力应变情况,运用力学
知识推断出它们对梁体变形的影响。
对于徐变引起的应力应变的变化将导致徐变的
变化,因此是个
循环的
过程,本
论文采用时间分段的方法进行推导。
各影响因素对梁体挠度辽宁工程技术
大学硕士
学位论文 5产生的影响分析完成后,本
论文将综合考虑在这些因素影响下梁体的变形情况,得到体外预应力简支梁桥在各影响
因素综
合作用
下的挠度计算公式,并将其计算过程编写成VB程序,实现体外预应力混凝土简支粱桥挠度计算的程序化。
利用
程序对哈尔滨
建筑工程学院所做的体外预应力粱的
试验分析,验证程序的
正确性.对于加固桥梁的程序
验证采用实际工程数据对比
分析。
同时应用
有限元
软件进行
计算机模拟仿真,实现梁体受力全过程,分析模拟结果,与所
编程序计算长期挠度结果进行对比。
本
论文的研究
目标是分析研究体外预应力结构简支梁桥挠度产生的
原因,通过理论研究推导出计算体外预应力结构的简支梁桥挠度的理论公式,并实现计算过程的程序化.1.4 研究成果在实际工程中的应用
价值 体外预应力技术无论是在桥梁加固工程中还是在新建桥梁工程中,目前都有着较多的应用,同时又都有着广闼的发展前景。
本
论文对体外预应力结构简支梁桥挠度的研究将增加技术人员对这种结构的了解,对体外预应力桥梁结构理论
的发展起到
推进作用。
本
论文对体外预应力桥梁结构挠度的研究主要起到以下几方面的作用: 1、本
论文分析了影响体外预应力简支梁桥挠度的主要因素,同时对各影响因素与结构挠度的关系进行了理论分折,使技术
人员对体外预应力简支梁桥挠度产生
的原因有了更加清晰的
认识。
2、本
论文通过理论研究给出了在各影响因素综合作用下推断体外预应力简支梁桥挠
度的理论公式,这一理论公式对体外预应力简支梁桥的设计施工
具有理论
指导价值,减少了桥梁建设的盲目性,为体外预应力简支梁桥挠度的控制起到了
积极的作用。
3、本
论文给出了计算体外预应力简支梁桥挠度的计算程序,实现了体外预应力简支梁桥挠度计算的程序化,这将有利于提高体外预应力简支粱桥设计的设计
效率,节省设计
时间,从而降低工程费用。
辽宁工程技术大学硕士学位
论文 62 外荷载和体外预应力对钢筋混凝土简支梁桥挠度影响研究2.1 概述 体外预应力和外荷载是影响钢筋混凝土简支梁桥挠度
的重要因素,本章将对这两个影响体外预应力混凝土简支梁桥挠度的因素进行研究,对它们与 。
体外预应力混凝土简支梁桥挠度的关系进行分析。
我们修建桥梁的主要目的就是使其承受外部车辆、人群等荷载的作用,外荷载在桥梁结构的各种结构计算中都起着
非常重要
的作用.同样,对于桥梁的挠度,外荷载同样是非常重要的影响因素,在本章中,将对结构自重、’车辆和人群等常见的桥梁荷载与桥梁挠度之间的关系进行研究,最终得到在结构自重、车辆荷载和人群荷载作用下的挠度计算方法,为后面编写自动计算体外预应力混凝土简支梁桥挠度的程序做好铺垫。
体外预应力也是影响体外预应力混凝土简支梁桥挠度的重要因素,体外预应使梁体结构产生相反
方向的挠度,从而达到减小梁体
整体挠度的
目的.
一般来说,体外预应力的
作用对梁体的挠度变形起到的是减小的作用,是一种人为施加的结构有利荷载。
本章中将对体外预应力以及由其引起的应力增量、二次效应进行分析研究,对体外预应力、应力增量及二次效应与梁体挠度的关系进行研究,最终得到
常见体外预应力钢束布置方式下。
计算体外预应力、应力增量及二次效应引起的梁体挠度的方法。
为后面编写自动计算体外预应力混凝土简支梁桥挠度的程序在理论上
做好准备。
2.2结构变形的计算 在结构的使用期限内,各种荷载的作用都将
产生相应的变形,当变形很大,特别是在混凝土开裂后,
以及荷载长期作用下混凝土发生徐变后可能影响结构的使用
性能,甚至安全性。
因此对混凝土结构的变形的研究非常重要,现将其
原理总结如下. 根据变形体虚功原理,变形体在力系作用下处于
平衡状态,则外力在位移上所作外虚功w恒等于各个微段的应力合力在变形上所作的内虚功形· 简写为: 外虚功矿=内虚功形 。
则荷载作用下结构位移的一般公式为: △=∑警以+∑謦以+∑学‖………。
(2--) 式中 M,Ⅳ,g为虚设单位荷载引起的内力。
辽宁工程技术大学硕士学位
论文 7 坼,Ne,绋为实际荷载P引起的内力; E一材料的弹性模量; G一材料的剪切弹性模量; 一一构件的截面面积; ,一构件的惯性矩; 鬈一剪应力在截面上
分布不均匀而加的修正系数: r弓J:和‘ 梁的位移主要是弯矩引起的,剪力和轴力的影响较小,因此计算公式可简化为: A=∑,警t………………………………(2—2) 当简支梁体受到均布荷载作用时见图(2-1),梁体的挠度计算公式可简化为: q 厂:笪………(2.3) 384正l l 式中 ,一简支梁产生的挠度; 0-——————————————————————————————————————+ g一梁体所受均布荷载的集度; 三一粱体的计算跨径。
篇■——量1 当简支梁体受到跨中截面上的集中荷 图2—1均布荷载作用下粱体弯矩图载作用时见图(2-2),梁体的挠度计算公式可简化为: ’ 厂:丝………(2-4) 48E, F 丝 + 丝 I 式中 ,一简支梁产
生的挠度; 图2-2集中荷载作用下粱体弯矩图 尸一梁体所受集中荷载。
2.3结构自重对挠度影响的研究 结构自重是任何结构都不可避免的受到的一种荷载,对于体外预应力混凝土简支梁桥梁体,它受到的自重荷载主要有梁体本身的重力产生的荷载,梁体上铺装层对结构产生的荷载,桥梁上栏杆等附属设施对梁体产生的荷载。
此部分计算在规范中
没有变化,不
详细介绍。
利用结构力学知识求结构自重在梁体跨中截面产生的弯矩。
梁体结构受辽宁工程技术大学硕士学位
论文 S g力示意图如图2-3所示。
Q 由简支梁载均布荷载作用下的受力特点可知,跨中弯矩M的计算式如下: l>M 以=譬……(2-5) 式中 g一结构自重作用下,梁体均布荷载集度。
一 根据前面对简支梁挠度的研究得到的简化公式(2-3),可以得到结构自重产生的挠度五计算公式为: .疋:熊…………………………………………(2.6) 72 384B …7 式中B分三种情况,包括全截面抗弯刚度岛=0.95E。
厶,其中,o为换算截面惯性矩;开裂构件等效截面的抗弯刚度,E= ,其中开裂截面的抗弯刚度乃=0.95E,‘,‘为
裂缝截面的换算惯性矩为,虬为钢筋混凝土截面
的开裂弯矩;Ms为按荷载效应标准组合计算的弯矩值;使用 -,”M阶段构件的长期刚度为马2面万一1s)+M。
B,,^“为按荷载效应的准永久
组合计算的弯矩, F一考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数。
2.4车道荷载对挠度影响的研究 车道荷载是大多数桥梁承受的主要荷载,其对桥梁挠度的影响也是十分显著的,梁体所受车道荷载的大小主要受桥梁上所过车辆的
类型以及这些
车辆产生的荷载由梁体承担的部分大小决定。
众所周知,每一种车辆都有许多不同的型号和载重等级,而且随着
交通运输事业的发展,车辆的载重量仍然在不断增加.我国在对现有车型、行车
规律等进行大量实地观测和
调查研究
的基础上,得出了与实际车辆通行
基本等效的桥梁设计荷载考虑方式,本
论文将
借鉴这一成果对车道荷载进行研究。
按照所建桥梁上通过车辆和桥梁所在
道路等级
的不同,根据现行的‘公路桥涵设计
通用规范》,各级公路桥涵设计时汽车荷载
等级按下表2·l采用.兰主三垦i坠查兰堡主茎堡坚 !. 表2-l各级公路桥涵汽车荷载等级
汽车荷载 公路一
公路一 公路一 公路一 公路一 堇丝 !丝 !堡 坚堡 !!堑 坚堡 下面对车道荷载的布载方式进行介绍。
汽车荷载分为公路一I级和公路一Ⅱ级,其车道荷载布置方式是由均布荷载和集中荷载组成.车道荷载布置图如图2-4所示. 当计算车道荷载产生的弯矩时,公路一I级车道荷载的均布荷载标准值为q。
=10.5kN/m;集 .