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预应力混凝土斜交箱形梁分析理论与试验研究

作　者: 盛兴旺
导　师: 曾庆元
学　校: 中南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 预应力混凝土箱形梁分析理论试验研究斜交梁段单元面内位移函数插值预应力钢筋混凝土复合单元
分类号: U441.5
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

本文通过理论公式推导、编程计算分析和模型试验，研究了斜交箱形梁的分析方法、线性、非线性行为及极限承载力，主要工作有： 1．提出了斜交箱形梁空间位移场的计算方法：将斜交箱形梁沿纵向离散为若干斜梁段单元，依据箱梁的构成进一步将斜梁段划分为若干板段子单元；各板段联结线上任意点的位移按Hermite函数插值，假定各板段的面内位移沿其宽度方向线性变化，以描述各板段面内位移；沿斜交箱梁段的纵向截取单位长度横截面框架，框架各杆件空间位移按Hermite函数插值，以描述各板段面外位移；板段内任意点的空间位移最终以2个面内位移和1个面外位移描述。这种位移场没有梁段整体转角位移，只有单元端部各节点（包括悬臂板端点）的空间位移，因而作几何非线性分析时，不须采用欧拉角进行坐标变换，大大简化了计算。 2．通过建立正、斜交坐标转换关系，提出了直接在斜变坐标系内描述单元整体位移的方法。 3．提出了按板面内变形和板面外挠曲扭转计算斜交箱梁单元弹性应变能的方法，其特点是考虑了拉压、弯曲、剪切、扭转、畸变和剪切滞后等各项应变能，克服了分项计算的缺点。 4．利用势能驻值原理和“对号入座”~[104]法则，提出了分析正、斜交箱梁的“斜交箱梁板梁段有限元法”及分析预应力钢筋混凝土结构非线性的预应力筋、普通钢筋和混凝土复合单元。 5．建立了斜交箱梁极限承载力分析方法：基于斜交箱梁板梁段单元、预应力钢筋混凝土复合单元、经典塑性力学，材料本构关系，按分段分块变刚度积分法，并结合混凝土开裂应力释放，模拟分析了预应力混凝土斜交箱梁从开始加载、开裂、屈服、直到破坏的全过程。对Chen-Chen三参数和Hinton双参数两种混凝土本构模型在非线性分析中的应用做了初步的对比分析。 6．对已有“斜梁单元”有限元法进行了校验和改进，导出12个自由度“斜约束正交梁单元”有限元列式，单元同时引入空间三个方向的刚臂，可模拟节点偏心。 7．设计并制作了三跨斜交连续梁的1：8模型梁，进行了多工况荷载作用下弹性试验，采用分级加载，完成了破坏试验。得出了模型梁的位移、应力和反力分布情况、混凝土裂缝分布图、荷载—位移全过程曲线。实测结果与理论计算结果吻合，验证了本文线性、非线性分析理论和分析程序的可靠性。 8．编制了两套软件：斜交箱梁板梁段单元线性、非线性分析程序PBS和斜约束正交梁单元弹性分析程序SB。对斜交箱梁结构，进行了一些设计参数分析。

全文目录

中文摘要  5-6
英文摘要  6-8
第一章绪论  8-18
  1．1 本文的工程背景  8-10
  1．2 斜交箱形梁桥的研究现状  10-15
    1．2．1 斜交结构分析方法  10-12
    1．2．2 正、斜交薄壁箱梁结构分析  12-13
    1．2．3 混凝土斜交箱梁的极限承载力分析  13-15
  1．3 本文宗旨与研究思路  15-18
    1．3．1 本文宗旨  15-16
    1．3．2 主要思路  16-18
第二章斜交箱梁板梁段有限元法  18-55
  2．1 空间位移分析  18-34
    2．1．1 确定位移模型思路及基本假定  18-20
    2．1．2 坐标系与坐标变换  20-21
    2．1．3 左腹板段位移分析  21-23
    2．1．4 右腹板段位移分析  23-25
    2．1．5 顶板段面内位移分析  25-26
    2．1．6 底板段面内位移分析  26
    2．1．7 斜交箱梁各板段面外位移分析  26-29
    2．1．8 悬臂板段的位移分析  29-31
    2．1．9 顶、底板剪力滞后分析  31-33
    2．1．10 横隔板位移分析  33-34
  2．2 斜交箱梁板梁段节点位移参数与总体位移  34-38
  2．3 应变计算与积分变换  38-40
  2．4 板梁段单元弹性变形总势能  40-46
    2．4．1 面内弹性应变能  40-43
    2．4．2 面外挠曲弹性应变能  43-46
    2．4．3 板梁段单元弹性应变能  46
  2．5 横隔板单元应变能  46
  2．6 单元荷载势能  46-48
  2．7 平衡方程  48-49
  2．8 力学模型与程序考核  49-55
    2．8．1 关于位移模型的探讨  49-52
    2．8．2 算例考核  52-55
第三章斜交箱梁板梁段有限元弹塑性分析  55-79
  3．1 考虑预应力的弹塑性增量分析有限元列式  55-57
  3．2 混凝土的本构关系  57-65
    3．2．1 Chen-Chen三参数模型  58-63
    3．2．2 Hiton建议的双参数模型  63-65
  3．3 混凝土裂缝的处理  65-69
    3．3．1 混凝土开裂应力释放  66-68
    3．3．2 开裂后混凝土单元的应力应变矩阵  68-69
  3．4 钢筋的本构关系  69-70
    3．4．1 普通钢筋  69
    3．4．2 预应力钢筋  69-70
  3．5 预应力钢筋混凝土复合单元  70-72
  3．6 刚度矩阵、荷载列阵的建立  72-74
    3．6．1 分段分块变刚度法  72
    3．6．2 数值积分  72-73
    3．6．3 刚度矩阵形成  73-74
    3．6．4 荷载列阵的形成  74
  3．7 增量平衡方程求解  74-77
    3．7．1 非线性方程的求解方法  74-75
    3．7．2 荷载增量步长  75-76
    3．7．3 收敛准则  76-77
  3．8 非线性分析的数值计算与程序  77-79
第四章斜交箱梁弹性分析的斜约束正交梁单元法  79-97
  4．1 引言  79
  4．2 斜约束正交梁单元有限元列式  79-94
    4．2．1 基本假定与符号约定  79-81
    4．2．2 节点位移与形函数  81-83
    4．2．3 应变计算  83-84
    4．2．4 应力计算  84
    4．2．5 局部坐标系中的单元刚度矩阵  84-87
    4．2．6 等效节点荷载的计算  87-89
    4．2．7 坐标变换、整体坐标中的单元刚度矩阵  89-92
    4．2．8 刚臂单元的处理  92-94
  4．3 预应力及徐变次内力的计算  94-95
    4．3．1 预应力次内力的计算  94
    4．3．2 徐变次内力的计算  94-95
  4．4 程序编制与考核  95-97
第五章高速铁路预应力混凝土斜交箱形连续梁模型试验与理论分析  97-133
  5．1 斜交箱形连续梁模型设计  97-104
    5．1．1 模型梁尺寸及配筋  97-100
    5．1．2 加载设计  100-101
    5．1．3 测点布置  101-104
  5．2 弹性阶段试验及结果分析  104-119
    5．2．1 正对称加载  105-111
    5．2．2 对扭加载  111-118
    5．2．3 偏心加载  118-119
  5．3 开裂、破坏试验及结果分析  119-127
    5．3．1 开裂试验  119-120
    5．3．2 重裂试验  120-121
    5．3．3 破坏试验  121-124
    5．3．4 裂缝开展及破坏形态  124-127
  5．4 设计参数分析  127-131
    5．4．1 弹性阶段正、斜梁受力特点对比分析  127-129
    5．4．2 抗弯抗扭刚度比的影响  129-131
  5．5 模型试验与计算总结  131-133
第六章总结与展望  133-135
  6．1 本文主要工作  133-134
  6．2 今后工作及努力方向  134-135
参考文献  135-142
致谢  142-143
攻读博士学位期间完成的主要工作  143-144

预应力混凝土斜交箱形梁分析理论与试验研究

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