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薄壁空心桥墩截面土木构造研究

论文编号:lw201802282105446769 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年03月02日 论文作者:www.51lunwen.com
本文是土木工程论文,土木工程(英文:Civil Engineering)是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动,也指工程建设的对象。即建造在地上或地下、陆上或水中 ,直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施,例如房屋、道路、铁路、管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水排水以及防护工程等。(以上内容来自百度百科)今天无忧论文网为大家推荐一篇会计论文,供大家参考。

第一章 绪论

1.1 选题的背景
随着我国经济建设的发展,交通运输事业也得到快速发展,修建了大量的高速公路以及高速铁路。“十三五”规划指出西部仍是经济发展的重心,西部山区修建高速公路和高速铁路仍具有较好的发展机遇,同时也面临着更大的挑战。由于西部山区地形地貌的特点,修建高速公路或高速铁路不可避免的要跨越深沟和峡谷,高墩、大跨桥梁则成为必然的选择。在已修建的高墩桥梁中,墩高超过百米已是屡见不鲜。在桥墩的结构形式上也由单肢箱型截面薄壁墩、双肢薄壁墩向单肢变截面薄壁空心墩、双肢薄壁空心墩、组合式桥墩进行过渡。而桥墩的截面形式也由矩形截面、箱型截面向单箱多室,八边形箱室等复杂截面过渡。薄壁空心墩的修建数量和结构形式变得越来越多样化,而且在后续的桥梁修建中还将延续下去。因而对于薄壁高墩的设计、施工过程中等一系列突出的问题开展研究相应的具有十分重要的必要性。高墩建筑高度较大,为了节约成本,减少建筑材料的用量,降低桥墩自重以及基底截面应力,高墩常设计成薄壁空心的结构形式。薄壁空心墩顺桥向抗推刚度小,能将上部结构内力,环境温度、混凝土收缩、徐变以及地震带来的影响减至最小[1]。然而薄壁空心结构的桥墩,截面尺寸较小而高度较大,稳定问题往往成为设计和施工过程的控制因素[1]。采用传统的弹性理论来设计计算薄壁空心高桥墩的稳定内力则会引起较大的偏差。目前对高墩几何非线性导致的二次效应(内力与变形)稳定分析既没有完整的解答,方法亦不系统,难以方便地指导设计[2]。
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1.2 国内外研究现状
薄壁高桥墩的稳定问题分为施工过程中的自体稳定、最大悬臂状态的稳定以及成桥阶段的稳定。薄壁高墩的稳定问题作为上世纪以来的工程热点,国内外研究工作者对其进行了大量的研究。从查阅的文献来看,研究人员对于薄壁高墩刚构桥的稳定分析主要集中在材料线弹性阶段,即采用特征值分析法,以最小特征值反映结构第一阶失稳情况。特征值法在一定程度对结构不同阶段的稳定性做出相应的描述,但往往结果偏大,还需进行非线性稳定分析。非线性稳定分析的结果表明:考虑结构非线性或是材料分析的影响,稳定分析的结果均比特征值法低。通过两类稳定的分析可得到结论:第一类稳定分析的结果是极限承载力的上限,实际工程中通常需要对结构进行弹塑性稳定分析,以获取结构极限承载力。国外对钢筋混凝土箱形截面桥墩研究的比较早,Poston 等人分别研究了单箱单、单箱双室以及单箱多室桥墩的屈曲荷载[3]。Jobse 和 Moustafa 通过试验研究了两个空心薄壁柱的局部屈曲荷载,两个柱的长细比都为 32,这两个空心柱是由三段预制的柱通过环氧树脂胶粘结后张拉钢筋连接而成[4]。美国 Texas 大学的 Taylor等人对十二根混凝土薄壁箱形墩进行沿弱轴的压弯试验研究,试验模型保持墩柱的长度不变,通过改变墩的横截面尺寸和壁厚,得到了墩在不同长细比下和壁厚下的屈曲荷载[5]。Tulane 大学在钢筋混凝土结构的屈曲方面做了大量的研究,其中Huang T.D 和 Zhang X 对箱形墩的屈曲进行了非线性有限元分析[6-7]。国外对高墩大跨连续刚构桥稳定性研究的相关文献较少。Casas[8]以跨度在100m 左右的连续梁桥设置了预应力临时墩后的平衡悬臂施工阶段为分析对象,提出了基于可靠度理论的混凝土桥梁悬臂施工稳定性的部分安全系数法。该分析方法基本思路是:先以施工阶段作用在主梁悬臂部分的稳定力矩和倾覆力矩为出发点,用一系列设计变量和确定性参数的函数来表达倾覆失稳极限状态所对应的功能函数,再进一步将设计变量表示为其特征值与部分安全系数的形式,并通过引入悬臂施工倾覆失稳的失效概率及对应的可靠度指标要求值,最后经过一系列校正过程,求得在研究跨度范围内悬臂施工过程设计变量对应的部分安全系数。此方法在桥梁工程设计中有较大的实用价值。Aung, San Hla[9]在进行试验研究的基础上,以经典的弹塑性理论为依据,建立了钢筋混凝土高墩的弹塑性计算模型,研究了高强混凝土薄壁高墩的局部屈曲行为,并对影响高墩局部屈曲的主要参数,如:墩高、混凝土强度、高墩的长细比等进行了参数分析。
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第二章 薄壁空心桥墩的构造设计

2.1 薄壁空心墩的适用场合
纵观世界桥梁发展史,高墩大跨预应力混凝土桥梁是二次世界大战之后逐步发展起来的,随后,国外修建了大量的高墩桥梁,举世闻名德国科赫塔尔桥建成于1965 年,墩高 H=178m,比德国著名的科隆大教堂高出了近 20m。该桥保持世界第一高墩的记录近 40 年。法国 MillauViaduct 多塔斜拉桥的 7 座混凝土桥墩的平均高度超过 75m,其中最高的一座桥墩高达 245m,为目前世界第一高墩。国外已修建的高墩桥梁实例较多,但能查到的研究资料较少。表 2. 1 中列举了部分国外著名的高墩桥梁。相比国外而言,我国本土高墩桥梁的修建则起步要晚一些,但发展相对较快。自 20 世纪 70 年代以来,我国土木事业发展迅速,高墩桥梁开始大量修建。经初步调查表明:已建成及正在修建的高速铁路、高等级公路中,墩高超过 40m 的高墩桥梁占桥梁总数的 40%以上[94]。1974 年修建的重庆万州关家沟大桥右线桥最大墩高 97m,采用的是变截面双柱式桥墩墩。1984 年完成的白水河一号桥最大墩高为75m。1992 年,在南昆线修建的过程中,百米以上高墩桥梁的研究在全国铁路科技大会上提出,从此标志着我国高墩桥梁修建向着更高的目标推进。和铁路桥梁相比,公路高墩桥梁的发展则要晚一些。新中国成立以后,我国公路桥梁发展缓慢,改革开放以后,公路桥梁建设事业以滕飞般的速度发展。2011 年四川腊八斤特大桥更是建成了 182.5m 的高墩。2013 年建成的贵州赫章特大桥和贵州桐梓河特大桥墩高分别为 195m 和 172m,赫章特大桥更是取代腊八斤沟特大桥成为亚洲第一高墩。我国高墩桥梁绝大部分都是 20 世纪 90 年代后建成的,尤其是西部大开发这十多年来,西部山区的公路建设事业正在以惊人的速度向前迈进。表 2. 2 列举了部分国内高墩桥梁的工程实例。
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2.2 薄壁空心墩的构造设计
薄壁空心墩多为用于连续刚构桥中,因其为薄壁柔性构件,受力较为复杂。空心桥墩是实体桥墩轻型化发展而产生一种相对更好的结构形式,通常为混凝土或钢筋混凝土结构,广泛应用于高墩大跨桥梁,这种桥墩可以很大程度上的减少桥墩的材料用量和施工的工作量。一般的混凝土薄壁空心墩可节约材料用量为20%~30%,钢筋混凝土薄壁空心墩更可节约混凝土用量达 50%以上,因而这类桥墩具有良好的经济性和竞争性。高墩大跨连续刚构桥的桥墩除了需满足施工过程中由上部施工荷载引起的承载力和稳定方面的要求、运营等阶段支承上部构件自重以及不发生失稳等方面的要求外,桥墩还需适应由于温度变化、混凝土收缩、徐变及制动力等因素引起的纵横向水平位移。成桥运营阶段桥墩与主梁共同受力,并且结构的内力按桥墩与主梁的刚度进行分配。若桥墩的刚度过大则内力较大,就不能充分发挥主梁的承载力,且主梁在墩顶处的受力很大,达不到降低墩顶负弯矩的目的。由于桥度刚度较大,因而在纵桥向允许的变形较小,则不能有效减小附加内力引起的变形。基于上述原因,连续刚构的薄壁高桥墩在纵向刚度满足施工、运营阶段稳定性的情况下应尽可能的小。相反高墩大跨连续刚构在横桥向的约束很弱,桥梁在横向不平衡荷载或风荷载作用下容易产生扭曲变形。为了增加横向的稳定性,桥墩的横向刚度应大一些,特别是对于高墩弯连续刚构。总结下来高墩的构造设计应考虑以下因素:⑴桥墩纵向刚度:①施工阶段要求桥墩纵向刚度大一些,以适应施工过程中的不平衡力,确保施工安全。②成桥运营阶段要求桥墩纵向刚度小一些,以适应由外部环境、混凝土收缩、徐变等因素引起的变形。⑵桥墩横向刚度:桥墩的横向荷载主要有风荷载、车辆偏心荷载、施工横向阶段不平衡力以及弯桥中竖向荷载产生的横向弯矩。相比于纵向刚度,桥墩对横向刚度的要求并不矛盾,故应设计较大为宜。桥墩横向可通过适当调整墩身外形,减少横向风荷载的影响。⑶对稳定的要求:高墩为偏心受压的柔性构件,稳定问题较为突出。薄壁空心高桥墩的稳定分为墩身整体稳定和局部板件的稳定。墩身的整体稳定一般有上部构件施工到最大悬臂状态时控制设计;局部稳定则需要通过限制板件的宽厚比来实现。
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第三章 薄壁空心墩截面宽厚比限值研究....34
3.1 理想中心压杆稳定计算 ...... 34
3.1.1 等截面中心压杆的稳定分析 .......... 35
3.1.2 变截面中心压杆的稳定分析 .......... 43
3.2 带初始缺陷的中心压杆稳定计算 ............ 54
3.3 薄壁空心墩的理论宽厚比计算 ..... 55
3.4 翘曲系数与约束系数的确定 ......... 70
3.5 临界厚度算例验证 .............. 73
3.6 本章小结 ........ 76
第四章 薄壁空心墩宽厚比限值的有限元验证.......77
4.1 薄壁空心墩稳定有限元分析 ......... 77
4.2 等截面桥墩施工阶