復(fù)合拱圈加固圬工拱橋模型試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究.pdf

1、圬工拱橋采用復(fù)合拱圈加固后,能夠提高加固結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、強(qiáng)度、剛度和承載力,同時(shí),這種加固方法因其施工方便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)應(yīng)用前景廣闊。但是,就圬工拱橋加固理論而言,國(guó)內(nèi)外就此開展的理論研究很少。因此研究復(fù)合拱圈加固圬工拱橋的加固技術(shù),具有十分重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以某實(shí)施復(fù)合拱圈技術(shù)加固的圬工拱橋?yàn)楣こ瘫尘?采用理論分析、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了加固后的拱段。針對(duì)加固拱段的受力特

2、點(diǎn),系統(tǒng)研究了理論分析方法、承載能力、破壞形態(tài)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、復(fù)合拱圈統(tǒng)一偏心受壓本構(gòu)關(guān)系和加固后正截面極限承載力計(jì)算方法。最后,將所研究的主要內(nèi)容應(yīng)用于復(fù)合拱圈加固石拱橋的設(shè)計(jì)示例中,促進(jìn)了研究成果在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。主要研究成果如下:
　　1、設(shè)計(jì)制作了9個(gè)典型的加固柱和2個(gè)未加固的對(duì)比柱,并進(jìn)行階段試驗(yàn)設(shè)計(jì)。制定完整試驗(yàn)計(jì)劃,明確測(cè)試內(nèi)容和試驗(yàn)?zāi)康?確定受壓破壞的靜力試驗(yàn)加載方案。上述工作是加固試驗(yàn)完成的前提條件,直接關(guān)系

3、到整個(gè)試驗(yàn)的成敗,為復(fù)合拱圈加固圬工拱橋提供分析基礎(chǔ)和計(jì)算依據(jù)。
　　2、在試驗(yàn)室2000kN千斤頂上進(jìn)行了11個(gè)模型的試驗(yàn),加載過程中,觀察各試件的破壞過程,采集了各試件的承載力、荷載-應(yīng)變曲線。對(duì)影響試件極限承載力的各種因素,包括受壓區(qū)高度、原拱圈裂縫高度、加固層寬度和初應(yīng)力一一作了分析。發(fā)現(xiàn)各試件在測(cè)試截面處的荷載-應(yīng)變曲線的整體測(cè)試值與局部測(cè)試值基本接近,驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,加載初期時(shí)砌體和混凝土復(fù)

4、合拱圈截面應(yīng)變分布情況不滿足平截面假定,隨著荷載的不斷增大,復(fù)合拱圈截面應(yīng)力重分布,砌體和混凝土層協(xié)調(diào)變形、共同受力,加載至0.9 Pu時(shí)截面應(yīng)變分布仍近似滿足平截面假定。因此可近似認(rèn)為復(fù)合拱圈截面的變形滿足平截面假定。
　　3、根據(jù)復(fù)合拱圈滿足平截面假定的條件,基于4種常用的不同混凝土本構(gòu)關(guān)系和1種常用的砌體本構(gòu)關(guān)系,分別推導(dǎo)了4種復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系。將這4種復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于試件的有限元仿真模型中,比較有限元數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)值

5、,結(jié)果表明,采用混凝土Rüsch二次拋物線加水平直線模式推導(dǎo)出的復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系的極限承載力有限元數(shù)值接近實(shí)測(cè)數(shù)值。以該復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型為研究對(duì)象,分析應(yīng)力-應(yīng)變?cè)茍D:發(fā)現(xiàn)理論破壞過程與實(shí)際破壞過程相近;對(duì)比理論荷載-應(yīng)變數(shù)值和曲線與實(shí)際荷載-應(yīng)變數(shù)值和曲線的,可以看出,砌體和混凝土偏壓構(gòu)件的荷載-應(yīng)變曲線理論值和實(shí)際值能較好地吻合。說明混凝土采用 Rüsch二次拋物線加水平直線模式推導(dǎo)出的復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系還是比較符合實(shí)際情況的。從

6、而,為復(fù)合拱圈加固圬工拱橋數(shù)值分析提供了準(zhǔn)確的簡(jiǎn)化方法。
　　4、考慮加固前原拱圈的初應(yīng)力,砌體、混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系,針對(duì)加固前圬工主拱圈是否出現(xiàn)橫向裂縫,以混凝土肋式截面加固圬工拱橋?yàn)槔?推導(dǎo)了復(fù)合拱圈加固圬工拱橋的正截面極限承載力計(jì)算公式。采用適于工程師使用的 mapple軟件,可以快速計(jì)算所求截面極限承載力。算例表明,公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相比,誤差在9％以內(nèi),為該推導(dǎo)公式在工程實(shí)際應(yīng)用中提供可靠的理論支撐,說明本文所推

7、導(dǎo)的公式還是比較符合工程實(shí)際應(yīng)用。因?yàn)橥茖?dǎo)的公式對(duì)于大、小偏心受壓構(gòu)件均適合,所以該公式具有較高的適用性。
　　5、基于平截面假定,復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系和推導(dǎo)的復(fù)合拱圈加固圬工拱橋極限承載力公式,詳細(xì)提出從截面設(shè)計(jì)到截面復(fù)核的加固設(shè)計(jì)流程。通過一個(gè)較為全面的復(fù)合拱圈加固圬工拱橋的設(shè)計(jì)示例,證明了本文推導(dǎo)的復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系和極限承載力計(jì)算公式可以安全可靠的應(yīng)用于復(fù)合拱圈加固圬工拱橋的正截面極限承載力計(jì)算中,把理論分析和工程實(shí)踐完整的結(jié)合

8、起來,促進(jìn)了研究成果更好的推廣應(yīng)用于工程實(shí)踐。
　　綜上所述,文中具有的創(chuàng)新點(diǎn)為:
　　1、基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了加固截面加載至破壞的平截面假定。加載初期由于砌體和混凝土的變形不同步,所以截面應(yīng)變分布情況并不滿足平截面假定。隨著加載的不斷增大,組合截面應(yīng)力重分布,砌體和混凝土層協(xié)調(diào)變形、共同受力,加載至0.9Pu時(shí)截面應(yīng)變分布近似滿足平截面假定,因此可近似認(rèn)為復(fù)合截面的變形滿足平截面假定。
　　2、根據(jù)復(fù)合拱圈滿足平

9、截面的假定條件,基于4種常用的不同混凝土本構(gòu)關(guān)系和1種常用的砌體本構(gòu)關(guān)系,分別推導(dǎo)了4種復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系。將這4種復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于試件的有限元仿真模型中,通過有限元數(shù)值與相應(yīng)的模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值的對(duì)比,分析得出混凝土采用 Rüsch二次拋物線加水平直線模式的復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系計(jì)算的承載力與實(shí)際試驗(yàn)值接近。將該復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于工程實(shí)例的有限元分析中,在精簡(jiǎn)有限元模型和簡(jiǎn)化計(jì)算工作量同時(shí),仍能準(zhǔn)確地計(jì)算極限承載力。
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