復合拱圈加固圬工拱橋模型試驗及工程應用研究.pdf

1、圬工拱橋采用復合拱圈加固后,能夠提高加固結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、強度、剛度和承載力,同時,這種加固方法因其施工方便、造價低廉等優(yōu)點,在我國應用前景廣闊。但是,就圬工拱橋加固理論而言,國內(nèi)外就此開展的理論研究很少。因此研究復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際工程應用價值。
　　本文以某實施復合拱圈技術(shù)加固的圬工拱橋為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬及模型試驗相結(jié)合的方法,研究了加固后的拱段。針對加固拱段的受力特

2、點,系統(tǒng)研究了理論分析方法、承載能力、破壞形態(tài)、應力-應變曲線、復合拱圈統(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算方法。最后,將所研究的主要內(nèi)容應用于復合拱圈加固石拱橋的設(shè)計示例中,促進了研究成果在工程實踐中的應用。主要研究成果如下:
　　1、設(shè)計制作了9個典型的加固柱和2個未加固的對比柱,并進行階段試驗設(shè)計。制定完整試驗計劃,明確測試內(nèi)容和試驗目的,確定受壓破壞的靜力試驗加載方案。上述工作是加固試驗完成的前提條件,直接關(guān)系

3、到整個試驗的成敗,為復合拱圈加固圬工拱橋提供分析基礎(chǔ)和計算依據(jù)。
　　2、在試驗室2000kN千斤頂上進行了11個模型的試驗,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-應變曲線。對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、加固層寬度和初應力一一作了分析。發(fā)現(xiàn)各試件在測試截面處的荷載-應變曲線的整體測試值與局部測試值基本接近,驗證了試驗數(shù)據(jù)的準確性。通過對試驗數(shù)據(jù)分析,加載初期時砌體和混凝土復

4、合拱圈截面應變分布情況不滿足平截面假定,隨著荷載的不斷增大,復合拱圈截面應力重分布,砌體和混凝土層協(xié)調(diào)變形、共同受力,加載至0.9 Pu時截面應變分布仍近似滿足平截面假定。因此可近似認為復合拱圈截面的變形滿足平截面假定。
　　3、根據(jù)復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,分別推導了4種復合材料的本構(gòu)關(guān)系。將這4種復合材料本構(gòu)關(guān)系應用于試件的有限元仿真模型中,比較有限元數(shù)值和實測數(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出的復合材料本構(gòu)關(guān)系的極限承載力有限元數(shù)值接近實測數(shù)值。以該復合材料本構(gòu)關(guān)系模型為研究對象,分析應力-應變云圖:發(fā)現(xiàn)理論破壞過程與實際破壞過程相近;對比理論荷載-應變數(shù)值和曲線與實際荷載-應變數(shù)值和曲線的,可以看出,砌體和混凝土偏壓構(gòu)件的荷載-應變曲線理論值和實際值能較好地吻合。說明混凝土采用 Rüsch二次拋物線加水平直線模式推導出的復合材料本構(gòu)關(guān)系還是比較符合實際情況的。從

6、而,為復合拱圈加固圬工拱橋數(shù)值分析提供了準確的簡化方法。
　　4、考慮加固前原拱圈的初應力,砌體、混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系,針對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為例,推導了復合拱圈加固圬工拱橋的正截面極限承載力計算公式。采用適于工程師使用的 mapple軟件,可以快速計算所求截面極限承載力。算例表明,公式計算值與試驗實測值相比,誤差在9％以內(nèi),為該推導公式在工程實際應用中提供可靠的理論支撐,說明本文所推

7、導的公式還是比較符合工程實際應用。因為推導的公式對于大、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,復合材料本構(gòu)關(guān)系和推導的復合拱圈加固圬工拱橋極限承載力公式,詳細提出從截面設(shè)計到截面復核的加固設(shè)計流程。通過一個較為全面的復合拱圈加固圬工拱橋的設(shè)計示例,證明了本文推導的復合材料本構(gòu)關(guān)系和極限承載力計算公式可以安全可靠的應用于復合拱圈加固圬工拱橋的正截面極限承載力計算中,把理論分析和工程實踐完整的結(jié)合

8、起來,促進了研究成果更好的推廣應用于工程實踐。
　　綜上所述,文中具有的創(chuàng)新點為:
　　1、基于試驗數(shù)據(jù)分析,驗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時截面應變分布近似滿足平截面假定,因此可近似認為復合截面的變形滿足平截面假定。
　　2、根據(jù)復合拱圈滿足平

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,分別推導了4種復合材料的本構(gòu)關(guān)系。將這4種復合材料本構(gòu)關(guān)系應用于試件的有限元仿真模型中,通過有限元數(shù)值與相應的模型試驗實測數(shù)值的對比,分析得出混凝土采用 Rüsch二次拋物線加水平直線模式的復合材料本構(gòu)關(guān)系計算的承載力與實際試驗值接近。將該復合材料的本構(gòu)關(guān)系應用于工程實例的有限元分析中,在精簡有限元模型和簡化計算工作量同時,仍能準確地計算極限承載力。
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