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变高度钢筋混凝土土木连续梁的损伤识别研究

时间:2017-10-26 19:08来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是土木工程材料论文,基于连续梁整体化刚度模型,研究损伤发生后钢筋混凝土连续梁的支座反力二次差值变化值,根据不同损伤状态下所得到的支座反力二次差值曲线对钢筋混凝
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
随着祖国对于经济全球化的需求和经济的快速进步,交通运输工程正在取得较大的发展,组建了合理的道路桥梁网络,这不仅对于经济有着很大的促进作用,并且加强了文化传播和民族融合,缩小了各个地区之间的差别,增强了国家的防御能力,这些都有非常重要的意义。桥梁在现在基础设施建设中占有着重要地位,近代以来,由于科技的迅猛发展,桥梁逐渐兴起为一门专业学科,其技术进步更是突飞猛进,形式更为复杂多样,在经济建设中发挥了促进作用。由于道路桥梁技术的不断进步,许多大跨度和复杂桥型的连续梁应用在道路建设中。桥梁结构在正常情况下,对于可能发生的事故,仍具有必须的稳定性和良好的工作性能。但是由于人为的和自然的因素等,使桥梁运行过程中出现不满足标准规范要求的一些困难和现象称为桥梁产生病害。而结构在正常工作的过程中很容易产生许多病害,比如钢筋发生锈蚀、桥面产生缝隙、混凝土发生碳化等,这些方面的病害对于桥梁的正常使用产生了很大的危害,如不及时维修和加固,可能会出现桥梁结构的毁坏。由于交通设施的快速发展,不管是桥梁建设范围,还是数量都在不停的增长,但在很多方面,有些桥梁却在达到其正常使用年限之前,就早早地发生了破坏,而不能通车使用,其原因往往是因为病害的出现而减少了桥梁的正常使用年限。然而研究表明,许多钢筋混凝土结构的主要承重部位出现病害损伤之后,则它产生的损坏速度就呈几何形式发展,而在未及时检测出的时候,就会造成整个桥梁的破坏,产生不可预估的后果。所以在使用过程中对大跨度连续桥梁结构的损伤检测、识别定位及剩余承载能力的评定显得非常重要。
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1.2 常见的混凝土桥梁病害
钢筋混凝土桥梁在日常运行过程中易产生多种类型的病害,所以会减短桥梁的设计使用年限,以及危害人们通行时的安全。日常普通的桥梁病害有裂缝、表层缺陷和剥落锈胀等三种。在桥梁结构所能产生的病害和损伤中,裂缝通常是最早出现的,也是影响日常行驶所占比重最大的病害,如图 1-1。所以在桥梁通行以后,对于桥梁裂缝应当定期观察,及时处理。造成桥梁结构裂缝的原因可能有很多因素,但在开始时,一个裂缝大致是由一种或者几种因素相互作用的结果。就钢筋混凝土结构而言,根据裂缝的种类和其可能的原因,基本可归类为以下几种:(1)荷载引起的裂缝。荷载裂缝是在荷载作用下桥梁结构出现的裂缝,主要可以分为直接裂缝、次应力裂缝。其中在外荷载直接作用下产生的裂缝称为直接裂缝;而由外荷载作用下产生的次生应力形成的裂缝称为次应力裂缝。(2)是温度变化引起的裂缝。当混凝土结构外部温度与内部温度有很大的变化时,由于其材料具有热胀冷缩的特点,所以结构会有变形存在,在变形受到限制后,结构内部出现应力,则在应力值大于混凝土抗拉强度时造成温度裂缝。在现在的大跨结构中温度应力往往是占据着主要地位,甚至超出活载应力。在桥梁裂缝中,区别温度裂缝与其他裂缝的差别是看结构会不会随温度变化而发生改变。引起温度变化主要因素有:骤然降温、白天与夜晚之间的温差、水化热、冬季施工措施不当或蒸汽养护等。
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第 2 章 三跨变高度钢筋砼连续箱梁模型与力法方程的建立
 
2.1 引言
近几年由于车辆超载、材料老化等因素所导致的桥梁破坏的案例屡见不鲜,因此桥梁行业的重心逐渐转移到对现有桥梁的损伤识别和健康检测方面。为了能够很好地了解桥梁结构的健康状况,对结构的变形、承载能力进行分析研究,必须建立精确的桥梁结构计算模型。因此所建立的结构计算模型应尽可能最真实可靠地模拟桥梁实际结构营运状态,反映出结构的内力状态和几何变形,并最大限度地降低计算模型所带来的误差。本章将采用有限元软件 MIDAS,建立三跨变高度钢筋混凝土连续梁桥模型,并根据结构力学力法理论建立连续梁的力法方程,为本文后面理论推导提供依据。
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2.2 有限元软件迈达斯简介
在 20 世纪 90 年代,由韩国浦项制铁集团组建研发机构,开始研究 MIDAS软件,1996 年 11 月发布 Windows 系列版本,2000 年 12 月进入国际市场,目前已经应用在世界各地的 5000 多个大中型工程项目中,用户遍及亚洲、欧美等国家和地区。MIDAS 即是迈达斯,是一种有限元关于结构设计的分析软件,分别有岩土、仿真、桥梁、建筑等几个领域。其中桥梁领域包含软件:MIDAS Civil、CivilDesigner、MIDAS Smart BDS。MIDAS 是从 3D 视角出发,与利用平面视角的CAD 相对比,MIDAS 无疑高明了许多。对于能看到建筑的模拟图形的设计师来说是很有启发帮助的。在绘制一个桥梁模型的时候,CAD 就只能按平面图、立面图、剖面图的顺序来绘制。但是 MIDAS 是以 3D 的方式来建模的,非常的直观。并且 MIDAS 对于建模时的各个细节说明,都有相应的说明功能按钮。对于墙、柱、梁、板,软件都是对应的不同的模块,批量操作时不容易产生误操作。MIDAS/Civil 是针对土木结构,主要是用于分析预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式,同时可以做非线性边界分析、材料非线性分析、静力和动力弹塑性分析等。开发专注于土木结构方面的分析设计软件是为了能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计,以填补在目前这个时期土木结构分析和设计软件市场的空白。
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第 3 章 损伤后的变高度连续箱梁抗弯刚度整体化模型.... 25
3.1 引言............25
3.2 变高度钢筋砼连续箱梁抗弯刚度整体化模型的建立.......... 26
3.3 算例与计算结果........28
3.3.1 完好时的抗弯刚度计算结果............29
3.3.2 砼开裂后的变高度钢筋砼连续梁抗弯刚度........ 29
3.4 本章小结...........32
第 4 章 移动荷载作用下变高度连续箱梁的损伤识别研究......... 34
4.1 引言............34
4.2 结构无损伤时的中支座反力二次差值方程...........34
4.3 结构损伤后中支座反力二次差值方程........41
4.4 算例..........49
4.4.1 算例简介...........49
4.4.2 损伤识别计算结果分析.....49
4.5 本章小结...........53
第 5 章 结论与展望.........55
5.1 结论..........55
5.2 展望..........56
 
第 4 章 移动荷载作用下变高度连续箱梁的损伤识别研究
 
4.1 引言
随着使用时间的增加,大量变高度钢筋砼连续桥梁均出现了不同程度的损伤,因此如何精确地对变高度钢筋砼连续梁桥进行损伤识别至关重要。国内外大多数损伤识别都是研究等高度连续梁,而能够精确地对变高度的连续梁的进行伤识别的方法还不多;同时,有的损伤识别方法仅能提供出部分损伤信息,而不能提供出结构全部的损伤信息,可见目前关于变高度钢筋砼连续梁的损伤识别方法还不是很完善。因此继续深入开展此方面的研究是十分必要的。本文结合三跨变高度钢筋砼连续梁刚度变化的特点,建立了三跨变高度连续梁的整体化变刚度模型,并建立了中支座反力二次差值的损伤识别模型,提出了三跨变高度钢筋砼连续梁桥的损伤识别方法。总结出了各种损伤情况下的中支座反力二次差值曲线斜率的突变规律。在对三跨变高度连续箱梁损伤识别过程中,只需按照本文提供的理论方法,监测移动荷载作用下的两个中支座反力二次差值的改变情况,就能够精确地识别出三跨变高度钢筋砼连续梁的损伤位置、损伤长度范围、损伤数量等损伤信息,完成桥梁的损伤识别过程。
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结论
 
(1)本文根据三跨变高度连续梁的基本参数,建立 MIDAS 有限元模型,在划分单元时以一米长为一个单位,对材料选择、荷载设置进行了叙述,在研究桥梁损伤时,单元划分的越多,长度越小,计算结果越精确可靠。简述力法理论,根据得到的荷载和未知外力共同作用下的静定结构,即力法的基本体系,利用位移协调条件,基本体系在位移上与原超静定结构达到等效,建立了三跨变刚度连续梁模型力法方程。
(2)本文结合三跨变高度钢筋砼连续梁刚度变化的特点,基于傅里叶基数理论,建立了随机出现的离散损伤用统一的整体化刚度模型,能够有效避免连续梁因高度变化所带来的刚度不连续问题,避免了将连续梁在损伤处逐段划分开分析,对下一步采用解析方法来研究变刚度钢筋混凝土连续箱梁的损伤识别具有一定的意义,也具有一定的创新性和实用性。
(3)本文计算结果与桥梁设计软件 MIDAS 计算结果吻合度非常高,观察发现各抗弯刚度曲线吻合度比较高,表明本文提出的变截面连续箱梁抗弯刚度整体化计算模型的精度非常高,具有一定的实际应用价值。并且观察发现,在箱梁的各中支点处,连续梁的结构抗弯刚度值很大,而在边支点和跨中位置计算刚度值很小,并且抗弯刚度变化规律也为二次抛物线变化,这些均与实际相符。基于所建立的变高度连续梁整体化刚度模型,并推导了中支座反力二次差值的损伤识别模型,提出了三跨变高度钢筋砼连续梁桥的损伤识别方法,计算出了各种损伤后的中支座反力二次差值曲线的斜率突变规律。
(4)连续梁未损伤时,中支座反力的二次差值曲线为一条水平线;当连续梁出现损伤后,中支座反力影响线的二次差值曲线的斜率会出现突变,曲线斜率的突变位置即为连续梁的损伤位置;曲线斜率的突变范围即为连续梁的损伤长度;曲线斜率的突变数量即为连续梁的损伤数量。这些计算规律均能够真实地反映出连续梁的损伤信息。
(5)在真实的桥梁损伤识别过程中,可以按照本文中提供的理论方法,监测移动荷载作用在相应位置后的各中支座反力的二次差值曲线斜率的突变情况,并对照计算给出的损伤规律信息,能够准确地判断处损伤的位置、范围、数量等损伤信息。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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