【摘要】：隨著混凝土橋梁拼接加寬技術在既有公路改擴建工程中的廣泛應用,建立針對性的拼寬混凝土橋梁結構設計理論、方法和規(guī)范日益迫切,而精確高效的結構受力性能分析和可靠度分析是完成這些任務的前提。關于拼寬混凝土橋梁結構的受力性能,特別是長期收縮徐變性能,現(xiàn)有研究絕大多數(shù)均是針對某一特定橋梁結構的有限元分析,所得結果和結論的一般性普遍不強。關于拼寬混凝土橋梁結構的可靠度,國內(nèi)外的研究很少,尚未達到實際工程應用的需求�；诖�,本文結合試驗研究和理論分析,對拼寬混凝土橋梁結構在長期收縮徐變性能和時變可靠度兩方面的設計基礎理論進行了研究,具體內(nèi)容如下:1.混凝土自由收縮變形試驗研究及預測模型修正(1)通過18個混凝土試件500d收縮變形的觀測,定量研究了構件尺寸和截面形狀(包括矩形和箱形截面)對混凝土自由收縮變形的影響。結果表明:試件尺寸同時影響混凝土的收縮終值和發(fā)展速度,尺寸越大,收縮終值越小,收縮發(fā)展越慢;對于箱室完全封閉的箱形截面試件,其收縮值和發(fā)展速度小于相應實心試件是由于封閉箱室的實際理論厚度較大所致,計算封閉箱室實際理論厚度時應對其內(nèi)表面周長進行修正,修正系數(shù)可取0.45。(2)根據(jù)試驗結果對我國現(xiàn)行公路橋規(guī)(JTG D62-2004)的收縮預測模型進行了修正,本文和相關文獻的試驗結果驗證了修正公式的適用性。2.新舊混凝土約束收縮試驗研究及理論分析(1)對18個不同尺寸和界面狀態(tài)(包括鑿毛、鑿毛加植筋兩種)新舊混凝土組合試件的約束收縮應變進行了300d長期觀測,結果表明:新混凝土在新-舊混凝土界面附近位置(測點2-2’)和自由邊附近位置(測點1-1’)的約束收縮應變分別遠小于和略大于對照組試件的自由收縮應變;各測點的約束收縮應變均隨著試件尺寸的增大而減小;界面鑿毛加植筋試件在測點1-1’和測點2-2’位置的約束收縮應變值分別大于和小于同尺寸界面鑿毛試件的相應應變值。(2)結合彈性力學平面應力問題的逆解法和徐變計算的按齡期調(diào)整有效模量法(AAEM),提出了一種用于計算新舊混凝土組合體系約束收縮效應的解析方法。相較于已有基于初等梁理論的分析方法,該基于彈性力學理論方法的精度更高、適用性更強,且可以通過設置界面剪切剛度來計入界面位置新舊結構相對縱向滑移的影響。對于本文試驗所采用的鑿毛界面和鑿毛加植筋界面,根據(jù)相應新舊混凝土組合試件約束收縮應變數(shù)據(jù)識別得到的剪切剛度分別為4×10~(10)N/m~3和9×10~(10)N/m~3。(3)采用所提基于彈性力學理論的解析方法分別對本文所測試新舊混凝土組合試件和一座實際拼寬混凝土板橋的約束收縮應力進行了分析。結果表明:在新、舊混凝土收縮、徐變差共同作用下,組合試件的新混凝土部分偏心受拉、舊混凝土部分偏心受壓,新舊組合結構整體會產(chǎn)生平面內(nèi)的彎曲效應,舊混凝土部分對新混凝土部分收縮變形的約束導致界面上產(chǎn)生較大的剪應力,且新、舊混凝土部分亦在界面邊緣分別出現(xiàn)最大拉、壓應力。(4)與新舊混凝土組合試件相比,由于所分析拼寬板橋的寬跨比較大(2.75),拼接縫界面上的收縮徐變剪應力沿梁長分布的非線性更加明顯,在梁端部出現(xiàn)剪應力集中,而拼接縫兩側新舊梁的縱向拉、壓應力沿梁長的分布則更加均勻;跨中截面新、舊梁各自范圍內(nèi)均存在中性軸且縱向正應力沿橫橋向的分布均呈明顯的非線性,平截面假定不再適用。3.考慮拼接縫影響的拼寬混凝土橋梁收縮徐變效應解析分析(1)基于材料力學初等梁理論并計入新舊梁在拼接縫界面位置由于界面應力引起的局部變形,建立了包含拼接縫單元在內(nèi)的拼寬混凝土橋梁收縮徐變差效應理論分析模型和相應的各項收縮徐變應力計算公式,所得計算公式形式簡潔且精度較高,因此具有較強的實用性。(2)根據(jù)所得到的解析計算公式對5m跨新舊混凝土板拼接結構進行了參數(shù)分析,結果表明:拼接縫彈性模量的大小對拼寬結構收縮徐變效應的影響較小;隨著拼接縫寬度的增大,拼接縫位置的各項界面應力在整個界面長度上均趨于均勻分布,且最大值明顯減小。因此,在實際拼寬工程中,可通過適當增大拼接縫寬度以降低結構的不利收縮徐變效應。4.拼寬混凝土橋梁收縮徐變效應隨機性分析(1)結合基于按齡期調(diào)整有效模量法的有限元分析和基于拉丁超立方抽樣(LHS)的蒙特卡洛數(shù)值模擬,建立了適用于多梁式拼寬混凝土橋梁收縮徐變效應隨機性分析的算法體系,并據(jù)此對一座25m跨簡支拼寬預應力混凝土T梁橋進行了分析,結果表明:各主梁內(nèi)因新舊橋收縮徐變差引起的跨中截面最大軸力均不拒絕服從正態(tài)分布,軸力期望值的最大值出現(xiàn)在最靠近拼接縫的兩片主梁內(nèi);與期望值一樣,主梁收縮徐變軸力的標準差也隨著時間的增長不斷增大,即收縮徐變效應的不確定性隨時間不斷增大,最終穩(wěn)定在較高的水平。(2)參數(shù)敏感性分析結果表明,在各影響因素中,混凝土收縮、徐變模型不確定性系數(shù)對拼寬混凝土橋梁收縮徐變效應不確定性的影響最大。5.拼寬混凝土橋梁結構時變可靠度分析(1)在考慮混凝土收縮徐變、鋼筋銹蝕以及新、舊橋間汽車荷載重分布三方面作用對主梁抗力和荷載效應影響的基礎上,建立了多梁式拼寬混凝土橋梁主梁構件和上部結構體系時變可靠度分析的通用性框架和具體算法。(2)算例分析結果表明,考慮收縮徐變的影響后,拼寬后結構各主梁彎矩抗力的變異系數(shù)均明顯增大;在混凝土收縮徐變、鋼筋銹蝕和新舊梁間汽車荷載重分布三方面因素中,收縮徐變對主梁構件時變可靠度的影響最大,對于承受較大收縮徐變軸力的拼接縫兩側主梁尤為如此。就所分析的橋梁而言,盡管拼接縫兩側新、舊主梁的汽車荷載橫向分布系數(shù)在拼寬后結構的所有主梁中為最小,但這兩片主梁的可靠度仍將分別在拼寬完成后50年和15年左右時退化至可靠度下限值β_T(4.2)以下。(3)除混凝土收縮徐變外,不同主梁間抗力的相關性對拼寬橋梁上部結構體系可靠度的影響也不容忽視。當考慮混凝土收縮徐變并認為新舊橋內(nèi)部各主梁的抗力完全相關時,所分析拼寬橋梁上部結構的體系可靠度將會在拼寬完成后70年左右時退化至可靠度下限值β_T(4.2)以下。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U441
【圖文】：

圖 1.1 上海市某高架橋增設邊梁拓寬示意[13]臂挑梁拓寬法下部結構基礎、墩臺現(xiàn)狀良好，能滿足拓寬后承載力較簡便的拓寬方法。具體施工步驟為：拆除兩側欄桿層并對舊橋進行相應地加固；在墩臺上舊梁的兩側安土懸臂挑梁并與舊梁形成有效連接；在懸臂挑梁上安筑橋面鋪裝。挑梁不能高于既有主梁，因此其懸臂長度和承載能力挑梁進行拓寬的能力同樣有限，一般只適合用于增設車道。圖 1.2 為某國道上一座 T 梁橋通過該方法增設

圖 1.1 上海市某高架橋增設邊梁拓寬示意[13]1.2 增設懸臂挑梁拓寬法當舊橋的下部結構基礎、墩臺現(xiàn)狀良好，能滿足拓寬后承載力的要求時臂挑梁是較簡便的拓寬方法。具體施工步驟為：拆除兩側欄桿和人行道舊橋鋪裝層并對舊橋進行相應地加固；在墩臺上舊梁的兩側安裝鋼筋混應力混凝土懸臂挑梁并與舊梁形成有效連接；在懸臂挑梁上安裝車行道道板并澆筑橋面鋪裝。顯然，懸臂挑梁不能高于既有主梁，因此其懸臂長度和承載能力均受到限增設懸臂挑梁進行拓寬的能力同樣有限，一般只適合用于增設人行道或輛通過的車道。圖 1.2 為某國道上一座 T 梁橋通過該方法增設人行道的

本文編號：2721664