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SWFC连续刚构桥建筑应用技术研究

时间:2018-02-27 19:37来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是建筑工程论文,本文利用钢筋混凝土统一本构的已有研究基础,将 SWFC 复合混凝土截面划分为钢板、钢纤维混凝土和复合混凝土三种材料,复合混凝土根据配筋率的不同又细分为
第一章 绪论
 
随着我国国民经济步入新常态发展阶段,路、桥、隧运输事业发展迅猛。为了满足社会对交通运输的总需求,公路桥梁数量大幅增加,通车总里程也随之激增。伴随着运输交通量的不断加大,以及运输车辆载重量倍增,这将给公路特别是桥梁等公路构造物造成不同程度损害,同时对桥梁的通行能力和承载能力也提出了更高要求。进入二十世纪以来,随着国家西部大开发战略的实施,全国基础设施建设重心逐渐向西部广袤山区倾斜,桥梁建设成为西部山岭地区基础设施建设的重中之重,因此对西部山区桥梁的受力行为以及承载能力进行分析研究是很有必要的[1]。
 
1.1 连续梁桥、连续刚构桥的发展
德国人在 60 年代中叶,在莱茵河上建起一座具有深远意义的 Bendorf 桥,该桥施工方法命名为悬臂浇筑法。自此以后,人们对该类施工方法不断进行改进和完善,从而开创了混凝土连续梁桥的新时代。自 50 年代中期,我国才开始修建混凝土连续梁桥。虽起步较晚,但随着社会需求,连续梁桥发展进入了 20 年的黄金时期。从桥梁的设计、结构分析、试验研究、工艺设备、施工工艺都有了迅猛的发展,技术水平已跻身世界前列。混凝土连续梁桥优势很多,除了良好的整体性,强大的刚度,优越的抗震性之外,该桥行车平顺,伸缩缝少,加上现在连续梁桥从施工到设计都很成熟,不但可以很好的保证生产质量,而且也能使得后期的养护成本得到减少[2]。通常在150 米跨径内采用连续梁形式。综上优点,混凝土连续梁桥在各个基建领域被广泛采用。我国已建成的大跨径连续梁桥见下表 1.1 所示。能否将不设支座与连续梁桥的优点结合起来,因此连续刚构桥应运而生。连续刚构桥在墩顶是墩梁固结的,上部是连续梁形式的超静定结构。下部刚度越大,温度和收缩徐变产生的次内力会比较明显。已建成的世界上具有代表性的连续刚构桥有,挪威的 Ruftsundet 桥,全长 86+202+298+125 米。以及我国的虎门大桥辅航道桥,全长 150+270+150 米。
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1.2 组合结构的发展现状及前景
组合结构是指将钢结构及钢筋混凝土结构通过某种方式组合在一起共同工作的结构形式。钢结构和钢筋混凝土相得益彰,优势互补,前者不但具有强度高,质量轻,材质均匀等优点,而且还便于高精度的工厂化大规模生产。后者材料可就地取材,并且在刚度和抵抗腐蚀方面具有得天独厚的优势。因此,把两种材料组合起来,发挥两种材料的优势,是组合结构的特点。组合结构不仅相比钢筋混凝土结构,拥有更小的截面尺寸,更轻的结构自重,还能对空间进行有效利用,从而达到有效利用资源的目的。对于桐钢结构相比来说,组合结构刚度明显高于钢结构,在强度和稳定性方面也优势明显。最经济的是能减少用钢量,并且具有很好的抗震性能。上世纪 30 年代,世界桥梁设计和研究发展迎来了一段蜜月期,我们都知道大多数组合结构,其混凝土板和钢梁都需要通过焊接的方式形成整体。恰好这一时期焊接技术有了很好的发展,这就对组合结构发展提供了有力帮助。钢板最初因为其简单的构造和便于施工,在组合桥梁中广受欢迎。欧洲最先由德国开始发展钢板梁桥,并于 1937 年进行了组合梁桥加载试验,再后来几次关于组合结构的学术会议在 50 年代召开,1954 年美国开始在伊利诺伊州进行了焊钉连接键的承载力与疲劳试验研究。1950 年,日本就开始建设公路和铁路方面的组合结构桥。并于 1959 年制定了公路桥的施工设计规范。随着研究的深入,新的设计方法和先进的施工工艺在扎实基础理论之上不断出现。钢—混凝土组合结构是目前运用最广泛的结构形式,这套技术已相当成熟。在我国建国初期就开始修建钢—混凝土组合桥梁。1956 年,铁道部就编制了组合梁的标注图,并运用到公路和铁路桥的修建中。比如 20 世纪 50 年代修建的武汉长江大桥上层公路桥便采用了组合结构形式[3]。后来,上海南浦大桥和杨浦大桥都成功运用了组合结构技术。随着组合结构的兴起,针对组合结构的科研也得到大力发展。从单跨开始,逐步向两跨、三跨连续梁迈进。钢—混凝土组合结构在我国建筑、桥梁领域得到广泛运用。由于其良好的经济效益和社会效益受到越来越多的施工单位及建设单位的青睐。针对实践的科研还会进一步发展,组合结构在我国未来还有广阔的天地。
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第二章 SWFC 复合连续刚构桥的设计原理
 
2.1 高原山区弯、坡、斜连续刚构桥存在的问题
如上一章所述,弯坡斜连续刚构桥在全桥各个截面上存在剪力、弯矩以及扭矩,与直桥相比力学行为更加复杂。在弯桥中的预应力束不仅存在平面曲率而且存在竖向曲率,因此对于在西藏地区小跨径、小半径、大纵坡的弯坡斜连续刚构桥存在如下的不利影响。对于小跨径连续刚构桥,由于正、负弯矩区段范围较小,但正负弯矩在各自区域内变化较大,就使负弯矩截面顶部和正弯矩截面底部预应力束布置复杂。如图 2.1 所示,因为主梁存在平面曲率,则纵向预应力便存在竖向和平面双向曲率。在弯桥中钢束与管道摩擦引起的预应力损失占相当一部分。由于其竖向和平面方向曲率使得预应力损失远远大于直桥。其中当桥的弯曲角度越大,预应力损失越大。钢材的力学特性与温度变化密切相关。当遇到低温条件时,强度略有提高,钢筋脆性较大,钢筋的破坏由塑性逐渐变为脆性。特别是西藏等高寒地区更是如此。“爬移”现象严重的话会导致支承结构的破坏,桥翻转或滑移。一般对连续刚构桥设置竖向和横向预应力束来避免腹板被拉坏。缺点:(1)错综复杂的预应力束使得连续刚构桥力学行为更加难以把握,而且避免不了裂缝的产生,而预应力钢束对裂缝极其敏感,使得桥梁耐久性成为问题。(2)要求的施工质量和精度很高,对于西藏高原地区施工技术十分有限。故研究一种新型的结构方案,达到施工简便的目的,也避免使用预应力是相当有必要的。
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2.2 SWFC 复合连续刚构桥的基本概念
为了处理好既有的以上问题,我们便提出一种创造性的桥梁结构形式—SWFC复合连续刚构桥。即在连续刚构桥的正弯矩区段的底面设置平直钢板(S-steel),连接是直接将箍筋与平直钢板进行焊接,再穿钢筋骨架;在连续刚构桥的墩顶负弯矩区段、部分梁的表面配置密间距的带肋钢筋网片(W-web),同时该区段采用高掺量钢纤维(F-fiber)混凝土(C-concrete)进行桥面铺装。对于截面而言,SWFC 复合连续刚构桥采用箱形截面与 TT 形截面进行混合使用:在正弯矩区段采用 TT 形截面,墩顶负弯矩区段采用箱形截面。SWFC 的其余构造跟普通的钢筋混凝土连续刚构桥相同,例如设置变截面、钢筋骨架。SWFC 复合结构可提高混凝土结构的抗裂和阻裂性能。SWFC 复合连续刚构桥本质上是把连续刚构桥的正弯矩区段和负弯矩区段根据其受力特性采用不同的构造进行处理,这样以充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压的材料的性能。正弯矩区段的截面构造图如图 2.3 所示。
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第三章 SWFC 弯坡斜连续刚构桥的结构行为分析......23
3.1 SWFC 连续刚构桥有限元模型的建立 ..............23
3.2 桥梁在施工阶段的仿真分析.......29
3.3 荷载工况与加载方式........32
3.4 跨中正弯矩布载力学行为...........32
3.5 墩顶负弯矩布载下力学行为分析..........46
3.6 本章小结 .....57
第四章 SWFC 弯坡斜连续刚构桥的施工技术.......59
4.1 钢板的制作、安装及运输技术..............59
4.2 高寒地区混凝土施工质量保证措施......65
4.3 施工支架方案及卸架技术措施..............75
4.4 SWFC 复合连续刚构桥施工监测与控制 ..........94
4.5 本章小结 ..............102
第五章 结论与展望..........104
5.1 结论..........104
5.2 有待解决的问题 ............105
 
第四章 SWFC 弯坡斜连续刚构桥的施工技术
 
4.1 钢板的制作、安装及运输技术
SWFC 复合连续刚构桥适用于地质构造条件复杂,气候较恶劣,昼夜温差大,年平均气温接近 0℃和曲率半径小,坡度大,急弯多,地质灾害表现为地震、崩塌、滑坡和泥石流的山区。对于山区运输和安装条件十分艰苦的限制,桥梁建设所需材料不能在保证小变形、运输设备允许的情况下,完整的将所需材料(通常是异形或超出运输设备允许长度范围内的钢板)运至施工现场。所以提出在此类条件下分批、分段将建设材料运至施工现场。由于受山区运输和安装条件以及山区温度、湿度和风速的限制,钢板焊接应按下列要求。(1)一般的焊条电弧焊和自保护药芯焊丝电弧焊,做到风速在 8m/s 以内焊接能够保证其工作质量,气体保护电弧焊要求更高一些,风速控制在 2 m/s 以内。焊接过程中如遇风速过高的情况,应先建起防风措施再进行工作。(2)严禁在潮湿的环境(这里指相对湿度超过 90%)中进行焊接工作,更不能在雪、雨气候焊接。(3)焊板如果较薄,一般气候下电渣焊和气电立焊可不进行预热;但如果板厚在 60mm 以上,要对母材进行预热工作,且温度必须达到 50℃以上。(4)焊接过程中,最低道间温度不应低于预热温度,静载结构焊接时,最大道间温度不宜超过 250℃。(5)焊接过程应注意在三层叠焊过程中,每层焊接待前面层冷却到常温再继续进行工作。并且注意钢板要始终保证平直。(6)由于西藏地区温度极其寒冷,在焊接工作之前,需对焊条进行加热[22]。
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结论
 
本文依托交通运输部建设科技项目“SWFC 复合结构在西藏地区连续刚构桥中的应用技术研究”(2013 318 J15 390),对课题组提出的 SWFC 复合连续刚构桥受力行为进行了深入研究,主要研究工作及结论如下:①SWFC 连续刚构桥的概念,即在连续刚构桥的正弯矩区段的底面设置平直钢板(S-steel),并将箍筋与平直钢板进行焊接,再穿钢筋骨架;在腹板两边设置密间距带肋钢筋网片以及在连续刚构桥的墩顶负弯矩区段、部分梁的表面配置密间距的带肋钢筋网片(W-web);采用高掺量钢纤维(F-fiber)混凝土(C-concrete)进行桥面铺装。对于截面而言,SWFC 复合连续刚构桥采用箱形截面与 TT 形截面进行混合使用:在正弯矩区段采用 TT 形截面,墩顶负弯矩区段采用箱形截面。②详细阐述了 SWFC 结构的增强机理:S(钢板)可以增强结构的抗裂阻裂能力,并减缓裂缝开发展;W(钢筋网片)对混凝土的约束是面约束,其抗裂阻裂效果同样强于一般钢筋的线约束;F(混杂钢纤维)能对混凝土内部的微裂纹起到抑制作用,钢纤维混凝土的抗拉强度要远远高于普通混凝土。③针对 SWFC 复合连续刚构桥,探讨了实体有限元的建模方法:通过SolidWorks 创建复杂的部件,建好后存为.igs 格式,然后导入到 Abaqus/CAE中进行部件建立;拼装有可能会存在缝隙,对于桥墩和横隔板均采用拉伸的方式,这样便可避免由于缝隙造成后期网格划分出现错误。④应用钢筋混凝土统一本构已有研究成果,在 abqus 中建立 SWFC 连续刚构实体模型,对跨中正弯矩及墩顶负弯矩加载情况下中跨跨中截面和墩顶截面在汽车荷载作用下的正截面受力全过程及极限承载能力进行了分析。分析结果表明:正弯矩加载情况下,在自重作用下主梁最大挠度为 13.5mm,在自重加 1 倍汽车荷载作用下为 20.3mm;在自重作用下,外弧梁肋拉应力明显高于内侧,中跨跨中区域外侧腹板部分出现裂缝,内侧基本无裂缝。随着荷载的不断加大,跨中腹板裂缝区域由中跨向两端逐渐扩展,其中中跨附近区域内裂缝加深、加大,并向内部延伸。在加载到 12 倍汽车荷载作用时,底钢板开始屈服,腹板裂缝大部分已经贯通,桥墩顶部以及系梁位置处,靠向跨中方向开始出现塑性区域。当加载至14 倍汽车荷载时,跨中截面Ⅳ区(底部增强区域)钢筋屈服,且受压区混凝土被压碎。桥梁最终完全破坏。在墩顶负弯矩加载情况下,2#墩墩顶截面及边跨跨中截面在汽车荷载作用下的力学行为以及正截面受力全过程及极限承载能力进行了分析。在加载到 34 倍汽车荷载作用时,2#墩一侧边跨腹板裂缝大部分已经贯通,截面Ⅳ区(底部增强区域)钢筋开始屈服,桥墩靠向右边跨方向的顶部和系梁部位开始出现塑性区域。当继续加载至 36 倍汽车荷载时,受压区混凝土被压碎。桥梁最终完全破坏。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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