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二次受力叠合式钢筋混凝土圆截面柱受压性能分析及承载力研究

作　者: 郑继光
导　师: 刘寒冰
学　校: 吉林大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 钢筋混凝土柱围套加固二次受力承载力计算二阶效应
分类号: U441
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

圆柱形混凝土受压构件是桥墩及钻孔灌注桩基础的基本型式,对存在缺陷的桥梁墩柱以及提升技术等级的桥梁墩柱进行加固改造时,常用和有效的加固方法是通过钢筋混凝土围套增大墩柱的截面受力面积。有初应力的钢筋混凝土柱式桥墩经混凝土围套加固后形成的叠合式组合结构,从其受力变形的特点来看,属于二次受力叠合结构,本文称其为二次受力叠合式受压柱。二次受力叠合式混凝土受压圆柱可有效提高加固墩柱的承载能力和截面刚度,经济效益显著,在桥梁柱式墩加固补强中得到广泛应用。二次受力叠合式受压柱在二次荷载作用下,围套混凝土及钢筋应变滞后、原柱(核心柱)混凝土及钢筋应变超前,柱的极限承载力计算及变形分析必须考虑截面分阶段受力特点。国内外对二次受力叠合式柱已开展的相关研究和试验,主要集中在矩形截面和圆形截面的轴心受压、矩形截面偏心受压加固计算方面,圆形截面偏心受压的加固研究很少,对中长柱考虑压曲变形的二阶效应的研究更少。作为结构工程中的主要受力构件形式之一,叠合式受压圆柱力学性能分析、柱的极限承载力计算以及中长柱考虑压曲变形的二阶效应分析是实际工程应用中急需解决的重要课题。本文针对这些问题,依托高等学校博士学科点专项科研基金项目《围套加固混凝土圆柱式桥墩受力性能的理论分析与试验研究》(项目编号:200801830033)及吉林省交通科技项目《公路桥梁下部结构加固设计理论与实用技术研究》(项目编号:2004-1-3),在已有研究基础上开展了如下四个方面分析研究工作:1.轴心受压性能分析及承载力研究轴心受压构件承载力是受压构件极限承载力的上限值,在工程设计中常常作为初步估算截面、复核强度的重要手段,具有重要的理论意义。通过对二次受力叠合式受压圆柱的受力行为进行分析,本文提出了二次受力叠合式轴心受压圆柱可能的两种极限状态。极限状态1以核心混凝土应变达到受压峰值应变为破坏标志,极限状态2以围套混凝土应变达到受压峰值应变为破坏标志,此时核心混凝土受压应变已超过受压峰值应变,但未达到极限受压应变。本文根据核心柱混凝土约束力与围套所受环向拉力相平衡的假定,推导出二次受力叠合式轴心受压圆截面短柱围套混凝土理论最小厚度及箍筋配筋率。正常配置箍筋情况下,假定混凝土围套开裂前,围套内正常配置的箍筋不承担环向拉力,环向拉力全部由围套混凝土承担,因围套横向约束作用而产生的核心混凝土约束应力根据变形条件推算,据此确定围套理论最小厚度;在围套厚度一定条件下对围套加强配筋,使加密的箍筋在极限状态下发挥对围套及核心混凝土的套箍作用,通过假定围套箍筋因混凝土横向变形受到的环向拉力与核心混凝土约束应力相平衡,推算围套箍筋最小配筋率。轴心受压叠合圆柱承载力计算采用叠加方法,除包括圆截面核心混凝土承载力和环形截面围套混凝土承载力之外,承载力组成中还包括核心混凝土受围套约束后的提高值,极限状态1时围套混凝土及钢筋的强度值乘以小于1的折减系数,极限状态2时核心混凝土承载力强度值乘以小于1的折减系数,围套混凝土因受拉-压复合应力作用而使抗压强度降低的不利影响也考虑在内。2.偏心受压承载力研究本文仅研究核心截面承受偏心一期荷载、叠合截面承受同方向偏心二期荷载的叠合式钢筋混凝土圆截面柱极限承载力计算问题,作为叠合式柱承载力的下限值,同样具有重要的理论意义。根据荷载作用下截面最大压应变的发生位置,本文将叠合柱偏心受压计算分为两种极限状态。极限状态1对应一期荷载下核心柱受压区最大压应变已达到一定值或围套厚度较小情况,此时核心混凝土受压区最大压应变首先达到极限压应变,极限状态2对应一期荷载下核心柱受压区最大压应变较小或围套厚度较大情况,此时围套混凝土受压区最大压应变达到极限压应变,核心混凝土受压区最大压应变未达到极限压应变。在偏心受压极限状态受力分析基础上,本文对核心柱混凝土在一期荷载和二期荷载分别作用下应变图中性轴相对位置进行简化处理,建立核心混凝土和围套混凝土受压区高度系数之间的关系,利用积分推导柱极限承载力计算中各相关力及力矩的理论表达式。3.承载力模拟计算通过自编软件SBPES(Strengthening Bridge Piller by Enlarging Section)的仿真分析,研究二次受力叠合式轴心受压圆柱承载力主要影响因素,本文通过算例分析了围套厚度、围套配箍率、围套混凝土强度、核心混凝土初始应力水平、核心混凝土泊松比对极限承载力的影响。通过两个算例的ANSYS有限元模拟计算,本文还验证了轴心受压叠合圆柱承载力代数算法的计算精度,以及偏心受压叠合圆柱承载力理论计算公式的计算精度可以满足工程需要。4.中长柱二阶效应分析本文将实际桥墩简化为一端固定另一端自由的悬臂柱,通过计入二阶弯矩影响的有限元迭代法,计算叠合柱在一阶弯矩和二阶弯矩作用下各截面的挠度,研究叠合式小偏压柱在外荷载作用下考虑二阶效应影响的变形规律。基于叠合柱组合截面在二次荷载作用下应变增量的平截面假定,本文提出采用截面分层有限元理论,在考虑材料非线性的情况下推导刚度矩阵,编制非线性程序多次迭代求解叠合式圆截面小偏压悬臂端柱的挠度。通过算例,对不同初始偏心率,不同初应力水平指标,不同长细比、不同混凝土强度等级及不同配筋率的多组小偏压圆柱进行计算机模拟,将计算机模拟试验得到的偏心距增大系数与用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中公式计算所得的偏心距增大系数进行比较分析。本文针对二次受力叠合式钢筋混凝土受压圆截面柱开展的比较系统的受力性能分析及承载力研究内容,为加固工程设计计算提供了简单实用的计算公式或方法,为正常使用极限状态的裂缝及变形计算提供了理论根据,对建立并完善与现行设计规范相适应的统一的二次受力叠合式柱设计计算方法具有重要意义。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-14
第1章绪论  14-26
  1.1 问题的提出  14-17
    1.1.1 叠合式受压柱的工程应用  15-16
    1.1.2 叠合式受压柱主要技术问题  16-17
    1.1.3 研究目的及意义  17
  1.2 国内外研究现状及分析  17-23
    1.2.1 国内研究现状及分析  18-21
    1.2.2 国外研究现状及分析  21-23
  1.3 本文的研究工作  23-26
第2章二次受力叠合式圆柱轴心受压分析及承载力研究  26-56
  2.1 叠合式圆截面柱轴心受压基本理论  26-36
    2.1.1 约束混凝土圆截面柱轴心受压分析  26-28
    2.1.2 叠合式圆截面柱轴心受压特征  28-30
    2.1.3 叠合柱混凝土轴压变形机理分析  30-36
  2.2 叠合式圆截面柱轴心受压简化分析  36-43
    2.2.1 围套设计参数简化分析  36-37
    2.2.2 承载力简化计算基础  37-39
    2.2.3 承载力影响系数分析  39-43
  2.3 叠合式圆截面柱轴心受压承载力代数解法  43-49
    2.3.1 混凝土轴向应力应变计算  43-47
    2.3.2 混凝土径向应力应变计算  47-48
    2.3.3 纵向钢筋应力计算  48-49
  2.4 承载力影响因素模拟分析  49-55
    2.4.1 算例资料  50
    2.4.2 围套参数对叠合柱承载力影响  50-53
    2.4.3 核心柱参数对叠合柱承载力影响  53-55
  2.5 本章小结  55-56
第3章二次受力叠合式圆柱偏心受压承载力研究  56-76
  3.1 叠合式圆截面柱偏心受压基本理论  56-62
    3.1.1 约束混凝土圆截面柱偏心受压分析  56-61
    3.1.2 叠合式圆截面柱偏心受压特征  61-62
  3.2 叠合式柱偏心受压极限状态分析  62-67
    3.2.1 理论分析基本假定  62-64
    3.2.2 极限状态分析  64-66
    3.2.3 大小偏心的判定  66
    3.2.4 相对受压区高度系数ξb 计算  66-67
  3.3 叠合式圆截面柱偏心受压承载力计算方法  67-74
    3.3.1 承载力计算的简化方法  67-69
    3.3.2 围套极限承载力计算  69-71
    3.3.3 核心柱极限承载力计算  71-73
    3.3.4 偏心受压承载力计算步骤  73-74
  3.4 本章小结  74-76
第4章二次受力叠合式圆柱承载力有限元模拟计算  76-90
  4.1 Ansys 有限元模拟计算基础  76-79
    4.1.1 Ansys 有限元模型  76-77
    4.1.2 材料本构关系  77-78
    4.1.3 混凝土破坏准则  78-79
  4.2 轴心受压承载力有限元模拟计算  79-85
    4.2.1 算例资料  79
    4.2.2 有限元网格划分  79-80
    4.2.3 模拟计算结果及对比分析  80-85
  4.3 偏心受压承载力有限元模拟计算  85-89
    4.3.1 算例资料  85-86
    4.3.2 有限元网格划分  86-87
    4.3.4 模拟计算结果及对比分析  87-89
  4.4 本章小结  89-90
第5章叠合式圆柱受压变形二阶效应分析  90-116
  5.1 钢筋混凝土柱二阶效应基本理论  90-97
    5.1.1 钢筋混凝土柱的二阶效应  90-92
    5.1.2 偏心距增大系数近似计算方法  92-96
    5.1.3 《规范》计算公式  96-97
  5.2 小偏压叠合式圆柱非线性有限元分析  97-108
    5.2.1 有限元分析基础  98-103
    5.2.2 非线性有限元分析方法  103-106
    5.2.3 非线性有限元求解过程  106-108
  5.3 小偏压叠合式中长圆柱模拟分析  108-115
    5.3.1 算例资料  108-110
    5.3.2 附加挠度fmax 模拟分析  110-111
    5.3.3 偏心距增大系数η模拟分析  111-115
  5.4 本章小结  115-116
第6章结论及展望  116-120
  6.1 研究结论  116-118
  6.2 展望  118-120
参考文献  120-128
作者简介及在学期间所取得的科研成果  128-130
致谢  130

二次受力叠合式钢筋混凝土圆截面柱受压性能分析及承载力研究

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