大跨连续梁-钢管混凝土拱组合桥拱脚开裂控制研究

作     者：莫鑫 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：禹智涛;贺绍华

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：钢管混凝土 梁拱组合桥 裂缝控制 数值模拟 试验研究 

摘      要：预应力混凝土连续梁-钢管混凝土拱组合桥因结构刚度大、承载能力高、造型美观等优点,在高速铁路桥梁领域应用广泛。梁拱结合部是连续梁-钢管混凝土拱组合桥受力的关键区域,其基本力学性能直接关系全桥受力安全。针对连续梁-钢管混凝土拱组合桥服役现状的调查研究表明,以往修建的梁拱组合桥拱脚部位混凝土开裂现象普遍,对结构受力安全和耐久性极为不利。针对上述问题,本文以广州铁路枢纽东北货车外绕线上一座在建的大跨预应力混凝土连续梁-钢管混凝土拱组合桥—流溪河特大桥(跨径组合为90m+180m+90m,矢跨比1:5)为工程依托,对连续梁-钢管混凝土拱组合桥的拱脚开裂成因、控制措施及合理构造形式展开研究,完成的具体工作内容如下:(1)结合流溪河特大桥全桥杆系模型得到的拱脚最不利内力,建立了拱脚的Ansys有限元分析模型,研究了核心混凝土水化热对拱脚温度场和外包混凝土应力的影响,并利用实桥测试数据验证了模型计算结果的正确性,同时对拱脚抗裂的主要措施进行了研究。结果表明:核心混凝土水化热是导致拱脚外包混凝土开裂的主要原因,降低混凝土入模温度和增设钢管板肋和预应力有利于减少拱脚裂缝。综合考虑五种措施对拱脚开裂控制的影响,选择增设板肋为连续梁-钢管混凝土拱组合桥拱脚抗裂关键措施。(2)基于现有钢管混凝土拱脚构造及其抗裂关键措施,提出了一种由钢管、剪力连接件、肋板组成的新型钢管混凝土-板肋组合拱脚结构,并对其基本力学性能与抗裂特性进行了试验研究。结果表明:钢管混凝土-板肋组合拱脚具有较高的承载能力和良好的抗裂特性。加载过程中,拱脚外包混凝土首先产生沿钢管长度方向的竖向裂缝,随着荷载增大裂缝不断向下发展,增加板肋数量、板肋和钢管厚度对减小外包混凝土拉应变效果显著,可有效降低钢管混凝土拱脚开裂风险。(3)建立了钢管混凝土-板肋组合拱脚的Ansys非线性有限元计算模型,并利用试验结果验证了模型的正确性。基于验证的有限元模型,进一步研究了混凝土强度、钢材强度、外包混凝土厚度等对拱脚开裂和轴压性能的影响。结果表明:混凝土强度和钢材强度对钢管混凝土-板肋组合拱脚的外包混凝土拉应力影响较小,增加外包混凝土厚度可有效降低拱脚拉应力和提高拱脚的抗裂能力。