单向UHPC新型箱梁桥体外预应力横隔板式转向块构造及试验研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:williamchu2008
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近年来,预应力混凝土梁桥发展迅猛,其中箱梁抗扭刚度大、内力分布均匀,已成为我国大跨径预应力混凝土梁桥的主要截面形式。但是,由于普通混凝土的自身属性:抗拉强度低、收缩徐变效应明显,导致普通混凝土预应力箱梁桥主梁过度下挠和箱梁梁体开裂。主梁下挠会加剧梁体裂缝发展,而梁体开裂又会加剧主梁下挠,这两个病害长期困扰桥梁工程界,成为该类桥型发展的瓶颈。伴随着UHPC(Ultra High Performance Concrete)材料的诞生与发展,湖南大学土木工程学院桥梁教研室团队提出了密集横隔板薄壁箱梁体系。它是一种介于普通混凝土箱梁和钢箱梁之间的新型结构,该结构充分利用UHPC优越的力学性能和极小的收缩徐变,有望从根本上解决普通混凝土箱梁桥梁体开裂与主梁下挠这两大病害。本团队通过相关试验已掌握该箱梁体系的多项结构性能,而关于此薄壁体系下的横隔板式转向块还有待进一步研究。传统转向块结构体积和自重大,且配筋较为复杂,不适用于密集横隔板薄壁箱梁体系。故本文基于UHPC优异的力学性能和UHPC箱梁的结构特点,主要从以下几个方面开展研究工作:(1)本文以广东省英德市北江四桥为工程背景,基于密集横隔板薄壁箱梁结构和全体外预应力体系的构造特点,简要介绍了体外束UHPC转向块构造的设计理念,并明确各体外束的布置及其转向情况,提出了两种类型的UHPC横隔板式转向块构造形式。(2)采用ANSYS软件对两类UHPC转向块建立弹性局部模型,局部验算结果表明,增设竖肋的UHPC转向块可使得孔道局部主拉应力降低30%,而对局部主压应力影响较小。通过Midas Civil软件对工程背景桥进行全桥整体计算,整体计算结果表明,UHPC箱梁方案在标准组合下、频遇组合下和准永久组合下都满足规范要求;偏安全地将整体计算中底板受力与局部验算中转向块作用下的应力结果叠加,结果为5.7MPa,小于规范限值,证明了新型箱梁结构桥方案的可行性。(3)从纵桥向以及横桥向两个维度设计试验模型,对全桥体外束转向角度最大的两类横隔板式转向块采用ABAQUS大型通用软件进行有限元分析。对在体外预应力束作用下的竖向分力进行计算并加载到不同梁段长度的UHPC箱梁节段模型中,确定试验模型的纵向长度,并观察其应力云图后确定了转向块的四种局部作用效应,分别是孔道劈裂效应、腹板剪切效应、竖肋承压效应和底板牵拉效应。四种效应的最大主拉应力在0.74~2.17MPa之间。横桥向分别模拟了无腹板的双竖肋结构以及箱梁对称结构(考虑腹板),结果表明:在考虑双竖肋横隔板的受力时,不能忽略腹板的作用。(4)设计UHPC横隔板式转向块的1:2缩尺试验模型,通过加载装置对试验模型的孔道进行竖向力的加载,同时考察UHPC横隔板式转向块在承受竖向力时腹板、底板、竖肋以及自身的响应。对其各板件应变变化、裂缝开展情况和破坏形态进行了总结,试验得到UHPC横隔板式转向块的安全储备系数可取6.51。(5)采用非线性大型通用有限元软件ABAQUS对试验梁段的整个加载过程追踪分析。比较有限元分析结果和试验测试结果,结果表明有限元模型能较好地模拟试验梁段的受力情况。在此基础上进行参数分析,探究配筋情况、转向块厚度、UHPC轴拉强度和抗压强度对试验模型局部应力的影响规律。通过对比UHPC横隔板式转向块构造与普通混凝土转向块构造的各项参数,发现UHPC横隔板式转向块能节省材料和降低桥梁自重。
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