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            简支梁桥预应力控制土木工程研究

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2018-06-08 论文字数:37485字
            论文编号: sb2018020321050119643 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
            本文是土木工程论文,本文从结构受力的角度上讲,以林同炎为代表的工程师们认为,预应力施加于混凝土后,混凝土中所受的外力正好与预应力平衡,这时混凝土没有偏心受压。
            第一章 绪论
             
            1.1 研究背景
            建国初期,中国百废待兴,从 1978 年 12 月起,中国迈上改革开放的步伐,各项事业得到迅猛发展,至今,全球公认我国经济为世界第二。在这一阶段,作为基础设施建设的交通建设得到了迅猛发展,直接推动了各行各业的发展,为社会经济发展的提供了重要支撑和重要保障。我国的公路交通行业的发展更是鹤立群英,桥梁建设作为公路建设的重要组成部分,已开启了属于中国人自己的黄金时代,数量庞大的桥梁的兴建为我国历史谱写了辉煌篇章。在这一时期,涌现各式各样的桥梁典范,在设计的出色程度与施工的难易程度上不断刷新历史记录,结构体系的进步也日新月异,使用的材料、采用的科学技术指标更是一日千里。通过这段时期的发展,为我国的桥梁建设积累了大量的经验,促进了中国桥梁建设的研究与发展,使得中国桥梁独树一帜,科学技术水平处于世界桥梁领先地位。在桥梁工程中,混凝土梁桥建设历史悠久,其近百年的理论研究和实践应用中技术早已成熟,在工程应用中占据着主导地位。特别是在预应力混凝土技术创世以后来,预应力在混凝土梁桥中的独特魅力,导致应用势头迅猛。例如,预应力混凝土梁桥有着很强的跨越能力和受力性能,而现实生活中又需要跨越障碍,降低经济成本,所以混凝土梁桥常常作为首选桥型而被广泛应用。据不完全统计,在全球范围内,混凝土梁桥占有已建桥梁的绝大部分[1]。混凝土梁桥结构形式是多种多样的,而简支梁桥是中小型跨径梁桥中最常见的桥型之一,目前它已遍及全国各地。之所以应用如此广泛,是因为比较别的桥型而言,简支梁桥具有结构相对简单、施工更为方便快捷、造价更加低廉、地基沉降影响相对较小等特点。
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            1.2 研究意义
            基于桥梁建筑的耐久性和安全性考虑,桥梁预应力施工对其的影响至关重要。在预应力简支梁桥这种桥型中,预应力的施加效果显著,梁体中的预压应力直接减小甚至抵消来自外部荷载导致的混凝土拉应力,即使其没有较高的抗压水平,但通过施加预应力,预应力混凝土中拉应力已被控制到较小的程度,还可能会出现拉应力向压应力转变的情况。这就直接延迟了混凝土的裂缝出现时间,提高了梁体抗裂性以及刚度等性能。桥梁工程界在多年的实践中观察分析,发现在预应力简支梁桥中,直接影响其使用安全性、耐久性和质量评价的因素也正是引起桥梁主要病害的最魁祸首。通过对国内目前在役的预应力桥梁大量的检测,发现主要是存在于传统的施工工艺本身中的一些缺陷造成了桥梁结构的很多病害与安全隐患。众所周知,在预应力施工工艺中,预应力张拉和孔道压浆这两道关键工序本身就对桥梁的耐久性和安全性起着决定性作用。但在实际施工中往往会发生张拉力控制不到位,导致有效预应力不够;孔道压浆不密实,导致钢绞线发生锈蚀,甚至使得钢绞线在高应力作用下发生断裂,其结果出现造成桥梁梁体中预应力损失或失效,产生裂缝,梁体下挠过大,并持续发生,严重地减少了桥梁的使用寿命。在桥梁施工程实践中,不只一种因素会造成预应力损失。为保障简支梁桥的耐久性和安全可靠性,降低简支桥梁中预应力损失,有必要对简支梁桥的预应力施工阶段所涉及的一些问题进行研究。
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            第二章 施工期间预应力损失理论分析
             
            2.1 预应力损失概述
            在预应力混凝土的定义方面最为清晰的解释来自 ACI 预应力混凝土委员会,其具体内容为:“已经具备的含有内应力的混凝土中,其内应力的分布情况和大小能和外界添加的应力进行抵消,最终得到期望程度,具备这一特性的就是预应力混凝土。钢筋混凝土构件都是通过对钢筋进行张拉而产生相应的预应力[11]。”按 ACI 预应力混凝土委员会的定义,张拉预应力筋是使简支梁桥中的预应力产生及根本原因。而预应力简支梁桥混凝土梁在施工程阶段,其预应力按照标准张拉到一定值,但预应力筋中的预应力却不是一个恒定不变的量,反而受到很多个因素共同的作用,有瞬时发生减小和也有随着时间的推移而渐渐的减小,我们将这些在预应力筋中预应力各种减小的现象统一定义为预应力损失,这种应力减小的现象是必不可免的。按预应力混凝土结构设计原理[12],在设计简支梁桥确定预应力的过程中估算有效预应力值的大小时,用设计张拉应力减掉这部分瞬时的和随时间变化增加的预应力损失来计算有效预应力。显然,对于有效预应力所需的大小,只能在确定预应力的损失之后才能随之确定[13-14]。结构设计布置预应力筋时,不可忽略的是预应力损失的分析确定。分析出的预应力的损失结果与实际值偏差对结构强度变化的影响不是很大,但在正常使用荷载影响下,该偏差对预应力结构性能(例如开裂、反拱和变形等)会造成很大影响。在正常荷载作用下,不管预应力损失值高于或低于正常值都会产生负面影响。在建设预应力混凝土简支桥梁的过程中,预制梁的施工要合理的估算预应力损失值,结合施工实际情况进行合理调整预应力钢筋的配置。如果没有合理估算预应力损失值,较大的偏差会产生严重影响,以至于预应力结构的结构设计不准确,连带着桥梁的承载能力不能保证,更不能让桥梁具备经济性、可靠性和持久性等特点。复杂的是对预应力起到不利影响的因素很多,在张拉工艺实施过程中,这类因素产生的前后顺序不同,例如利用先张(压)法和后张(压)法来产生预应力时,使预应力损失的原因不尽相同。但不管怎样,依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[15](JTG-D62-2004),需纳入考虑范围的预应力损失因素如下表 2-1:(主要按其从前到后出现时间的顺序)。
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            2.2 张拉控制应力(conσ)及预应力张拉施工的介绍
            张拉控制应力(conσ )是指对预应力钢筋实施张拉时,预应力必须要达到的设计控制值,它的大小可参控制考张拉的设备(千斤顶的油压表或智能张拉机显示器)所显示力的控制标准与预应力筋的截面面积相除而得到的商。在张拉的施工过程中,预应力钢筋上应该承受的最大应力等于张拉控制应力的具体值,所以预应力效果也受到张拉控制应力高低的影响。若预应力筋有着较高的张拉控制应力,则其对混凝土施以较大的预压应力。但如果张拉控制应力超出上限范围,就会导致预应力钢筋跨过线弹性阶段,进入屈服阶段。此时,极易导致塑性变形情况的出现,构件有结构破坏时的荷载与构件裂缝出现时的荷载相当接近的特征。在构件出现裂缝之后,其裂缝就会越变越宽,同时还可能出现刚产生裂缝构件立马断掉的现象。这一现象出现前往往没有任何征兆,属于脆性破坏的一部分。此外,还会直接影响构件的预拉区。若这一区域有裂缝出现,则可能出现十分危险的后果。较低的张拉控制应力就对应较小的构件预压应力,这就反映出混凝土构件的受拉区的有效预压应力值与实际值偏差过大。在这一情况下,构件会很早出现裂缝,此时混凝土不进行工作,所以所有拉力都加载在钢筋上,之后在构件预压应力不断增大至极限值时,就会导致折断现象的出现。因此混凝土与钢材之间结合的性能不能够发挥出来,所以不具备经济性。为使预应力混凝土具备的优点能够得以充分发挥,需要调高张拉控制应力值,但必须注意要将其控制在合理范围内,不能够出现太高的情况。
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            第三章 基于正交实验的预应力损失有限元数值模拟........19
            3.1 正交实验设计介绍 ............19
            3.1.1 正交实验及其特点简介 .............19
            3.1.2 正交实验的原理 .....20
            3.1.3 正交实验的基本程序 .......21
            3.2 有限元分析方法介绍 ........22
            3.2.1 有限元分析方法概述 .......22
            3.2.2 有限元分析软件比选 .......24
            3.3 基于正交实验的 MIDAS /Civil 预应力损失模拟分析 .....26
            3.4 本章小结 ........50
            第四章 分析结果的工程实践应用研究 ............51
            4.1 孔道摩阻试验介绍 ............51
            4.2 预应力损失的检测确定方法 ......53
            4.3 基于本文结果对于工程实践中预应力控制的建议 ..........54
            4.4 本章小结 ........55
            第五章 结论与展望.....56
            5.1 主要结论 .........56
            5.2 展望 ......56
             
            第四章 分析结果的工程实践应用研究
             
            4.1 孔道摩阻试验介绍
            上章结论显示,对于预应力损失影响最大的因素为预应力筋和管壁间的摩擦。基于主要因素主要控制,次要因素辅助控制的原则,本章首先讨论工程实践对于此因素的控制措施,即孔道摩阻试验。实验步骤如下:(1)首先,为了确保实验的准确性,应先做好千斤顶和高压油泵的标定工作。如图 4-1 所示,在试验中,采用左侧单端张拉。(2)如图 4-1 所示,在近梁体的两侧均设置一台压力传感器,分级测试预应力束在张拉过程中张拉端与锚固端的荷载。在实验开始时,梁体两侧布置千斤顶,并应同时充油,保持液压在约 4MPa 左右。(3)先将梁体一端作张拉端,梁体另一端作为锚固端。从张拉控制应力的 10%起,将这剩下的 90%的张拉控制应力分级,在最后一个等级的张拉中,张拉到接近设计的张拉控制应力即可。采用线性回归的方法求得荷载在张拉端与锚固端的比值,重复此步骤三次,并求其平均值以减小操作误差。为了保证试验结果的准确性,应在实验中不时用千斤顶油表的读数校核张拉荷载,并做好记录。(4)将张拉端与锚固段互换,重复(3)中步骤,取三次试验的平均值作为试验结果。
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            结论
             
            本文通过正交实验方案设计,利用软件对装配式简支 T 梁预应力损失进行模拟研究,得出以下几点结论:
            (1)装配式简支T梁在预制梁场生产期间的预应力控制主要是对预应力损失的控制,而对预应力损失的控制主要是控制孔道摩阻造成损失。而关于预应力损失,各因素对其影响按从大到小排序为:孔道摩阻、加载龄期、预应力筋松弛系数、预应力筋与混凝土弹性模量比值、锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩变形值。
            (2)给出了关于预应力工程设计建议:设计 30m 预应力简支 T 梁时,应选择合理的因素组合的。选择预埋塑料波纹管、选择在混凝土已充分养护后张拉预应力筋(混凝土加载龄期最小)、选择低松弛钢绞线、选择 C50 混凝土、选择较少的设置各种伸缩缝(使得 Δl 之和为 6mm)来构成最优组合。
            (3)提出来关于预应力的施工控制建议:在施工时,基于主要因素主要控制,次要因素辅助控制原则,应主要控制孔道摩阻,其他因素同时辅助控制。先做摩阻实验,以此指导控制主要因素;其次,在混凝土充分养护后,张拉预应力筋;再加强钢材施工中的管理避免其他因素影响松弛系数,并做好钢材质量检测与把控;然后加强混凝土的质量把控和养护;最后,避免施工误差导致各种接缝尺寸增大,且避免在预应力张拉时添加垫板。
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            参考文献(略)

            原文地址:/civil/19643.html,如有转载请标明出处,谢谢。

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