混凝土桥塔温变效应及开裂机理研究
混凝土箱形结构开裂问题是混凝土桥梁工程领域中研究的热点,尤其是结构在运营中的抗裂问题近年来备受关注。日照非线性温度分布是混凝土桥梁箱形结构常见的一种温度荷载,这种温度荷载引起的温度应力与外荷载产生的应力相当,甚至超过外荷载产生的应力,成为混凝土桥梁箱形结构开裂的重要原因之一。从既有研究来看,国内外学者在混凝土桥梁上部箱形结构的温度效应方面做了大量的研究工作,积累了许多宝贵的经验,使其计算理论逐步得以完善。但是,对于诸如斜拉桥和悬索桥混凝土桥塔等箱形结构的温度效应及开裂问题的研究,至今仍未得到重视。论文在混凝土桥塔温度场的实测数据基础上,深入研究混凝土桥塔温度场分布规律,探究桥塔开裂机理,完善温度应力的计算方法。主要研究内容如下:
1、测试了不同季节下混凝土桥塔的日照温度场,获得了塔壁内外表面最大正、负温差荷载,掌握了桥塔周围环境温度及塔壁内外表面温度场随时间变化的规律。
2、将桥塔内外表面实测温度荷载作为约束条件,计算了混凝土桥塔沿壁厚方向、塔壁长宽方向的温差梯度分布,并与各国桥梁设计规范规定的温差梯度模式进行了对比,首次提出了混凝土桥塔沿壁厚方向温差梯度荷载按线性分布和塔壁长宽方向温差梯度荷载按折线形分柿的计算模式,给出了温差梯度基数的建议取值。
3、为了探明混凝土桥塔开裂的原因,将桥塔实测温度荷载、自重荷载和作用在桥塔上的恒载进行不同的组合,分别计算了桥塔的空间应力场,证实了塔壁厚度方向的温差荷载是引起桥塔沿高度方向开裂的主要原因。并从设计的角度,对影响混凝土桥塔横向温度应力的不同截面参数进行了详细的分析,分析表明,改变塔壁长宽方向的厚度比和在内表面角隅处倒角对改善桥塔的温度应力有明显的效果,并给出相应的截面参数设计建议。
4、首次提出了计算桥塔横向温度应力的计算模型,取桥塔高度方向上的一个子结构,看成一个框架结构,框架的每一个边表示桥塔的一个塔壁,计算某个塔壁的温度自约束力时,将其简化为两端铰接的简支梁模型；计算温度次约束力时,将其简化为框架模型,导出了塔壁厚度方向温差引起桥塔横向温度应力的计算公式,通过算例验证了横向温度应力计算公式的正确性,给出了计算公式的适用条件。
5、基于断裂力学原理,提出了裂纹尖端区有限元网格划分的方法。探究了混凝土桥塔裂纹尖端区应力场分布及不同裂纹长度下桥塔裂纹尖端区应力的演化规律,分析发现在温差荷载作用下,垂直于裂纹面远端的主拉应力随裂纹长度的增大而减小；裂纹尖端区域的最大主应力并非出现在裂纹尖端处,而是形成了以裂尖为中心,垂直裂纹面方向的哑铃型应力集中区。并对裂纹的扩展行为进行了预测,证实了裂纹在塔壁温差荷载作用下扩展到一定程度会止裂。
桥梁工程;混凝土桥塔;温度效应;裂缝;温度场;尖端应力场;应力强度因子;裂纹扩展
长安大学
博士
桥梁与隧道工程
黄平明
2009
中文
U441.5;U443.38
161
2011-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）