桥墩悬臂顶帽受力特性分析
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摘要
本文对桥梁墩台悬臂顶帽的应力分布、强度和开裂问题，通过工程实例，从四个方面进行了分析研究，即弹性理论分析(规范法)、非线性理论分析(截面有限层法)、有限元分析、实验分析研究。基于桥梁墩台悬臂顶帽内力分布情况复杂、悬臂长度变化范围大、荷载集中等原因，国内外各种规范对悬臂顶帽结构分析方法不尽相同。本论文从工程事例着手，分别用《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《混凝土结构设计规范》对悬臂顶帽进行强度、抗裂性计算，并运用有限元分析、非线性分析进行验算，最后通过光弹实验和模型实验对结构进行分析。结果表明，当悬臂顶帽的悬臂长度在一定的范围内时，若套用悬臂构件公式计算，计算结果与实验结果差异较大。因而，《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对桥梁悬臂顶帽，当悬臂顶帽的悬臂长度在一定的范围内时，应给出明确的计算图式及计算方法。对于受力复杂的钢筋混凝土结构，考虑到混凝土的非线性(弹性工作阶段和塑性工作阶段)性质，应对混凝土进行非线性理论分析，并采用大型的计算机软件进行验算。只有这样才能使设计、计算更结合实际，并为悬臂顶帽的设计与施工提供可靠的理论依据。
According to the practical engineering examples, the cracking, the strength and the stress distribution of the bridge cantilever pier cap have been studied by using the elastic theory (specifications), nonlinear theory (finite layer of section), the finite element method and the experimental method in this thesis. For the complex stress distribution, large variation and stress concentration of the cantilever, there are some differences in studying the cantilever pier cap structure in different country's specifications. Meanwhile, through a concrete example the strength and the cracking of the cantilever pier cap have been calculated by using "design specifications of railway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert", "design specifications of highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert" and "design specifications of concrete structure". Finally the structure is analyzed by photo-elastic method and model test. The results calculated show that its value woul
d be very different from the one of the test if we took it as a cantilever member when its length is in a definite range. So we should give a definitive computational method and calculating chart in "design specifications of railway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert" and "design specifications of highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert" for the bridge cantilever pier cap when the cantilever is short. Besides that, we should analyze the concrete in nonlinear theory and check it by finite element software for the complex reinforced concrete structure, considering of its nonlinear characteristic (elastic deformation stage and plastic deformation stage). Only in this way can we make the design and calculation be approaching to the fact and afford the reliable theory for the cantilever pier cap design.
According to the practical engineering examples, the cracking, the strength and the stress distribution of the bridge cantilever pier cap have been studied by using the elastic theory (specifications), nonlinear theory (finite layer of section), the finite element method and the experimental method in this thesis. For the complex stress distribution, large variation and stress concentration of the cantilever, there are some differences in studying the cantilever pier cap structure in different country's specifications. Meanwhile, through a concrete example the strength and the cracking of the cantilever pier cap have been calculated by using "design specifications of railway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert", "design specifications of highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert" and "design specifications of concrete structure". Finally the structure is analyzed by photo-elastic method and model test. The results calculated show that its value woul
d be very different from the one of the test if we took it as a cantilever member when its length is in a definite range. So we should give a definitive computational method and calculating chart in "design specifications of railway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert" and "design specifications of highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culvert" for the bridge cantilever pier cap when the cantilever is short. Besides that, we should analyze the concrete in nonlinear theory and check it by finite element software for the complex reinforced concrete structure, considering of its nonlinear characteristic (elastic deformation stage and plastic deformation stage). Only in this way can we make the design and calculation be approaching to the fact and afford the reliable theory for the cantilever pier cap design.
引文
[1] 中华人民共和国铁道部标准，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002．3-99)，2000年北京
[2] 中华人民共和国交通部标准，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JYJ023-85)，1985年08月
[3] 中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范(GB50010-2002)，2002年北京
[4] 美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO)，美国公路桥梁设计规范，1998年6月
[5] 中华人民共和国交通部标准，公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)，1998年
[6] 罗福午、方鄂华，混凝土结构及砌体结构，中国建筑工业出版社，1995年
[7] 黄棠、王效通，结构设计原理，中国铁道出版社，1989年
[8] 邵容光，结构设计原理，人民交通出版社，1995年7月
[9] 董哲仁，钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用，中国铁道出版社，1993年
[10] 王承礼、徐名枢，铁路桥梁，中国铁道出版社，1990年
[11] 丁大均，钢筋混凝土构件抗裂度、裂缝和刚度，南京工学院出版社，1986年
[12] 赵国藩等，钢筋混凝土结构结构裂缝的控制，海洋出版社，1991年
[13] 许可宾，混凝土桥梁的裂缝及其对结构性能的影响，北方交通大学学报，1989年1月
[14] 宋一凡，公路桥梁荷载试验与结构评定，人民交通出版社，2002年3月
[15] 项海帆等，高等桥梁结构理论，人民交通出版社，1997年
[16] 王传志、腾智明，钢筋混凝土结构理论，中国建筑工业出版社，1985年
[17] 华考良、徐光辉，桥梁结构非线性分析，人民交通出版社，1997年
[18] 朱伯龙，钢筋混凝土非线性分析，同济大学出版社，1985年
[19] 张汝青、詹先义，非线性有限元分析，重庆大学出版社，1990年
[20] 梁琨、熊义初，钢筋混凝土结构的计算机方法，重庆大学出版社1992年
[21] 熊祝华，结构塑性分析，人民交通出版社，1987年9月
[22] 何君毅、林祥都，工程结构非线性问题的数值解法，国防工业出版社，1994年
[23] 王铁梦，建筑物的裂缝，上海科学技术出版社，1987年
[24] 铁道部第一勘测设计院，桥梁墩台悬臂深梁顶帽试验研究，宝天定成阳安铁路水害抢建工程技术总结汇编，1986年12月
[25] 钱寅泉、倪元曾，有关桥跨结构技术鉴定的几点思考，一九九年桥梁学术讨论会论文集，人民交通出版社，1999年
[26] 上海铁道学院材料力学教研室，光弹性测试技术，1987年6月
[27] 沈祖炎、董宝等，结构损伤积累分析的研究现状和存在的问题，同济大学学报，1997年
[28] 邵旭东，钢筋混凝土杆系结构极限承载能力高精度分析，中国公路学报，1993年第六卷第四期
[29] 广州市解放大桥引桥墩帽裂缝计算与承载能力验算报告，西安公路交通大学，1998年
[30] 贺拴海、宋一凡等，广州海珠大桥承载力鉴定与加固，2000年桥梁学术讨论会论文集，人民交通出版社
[31] 顾安邦等，钢管混凝土复合截面应力计算的探讨，2000年桥梁学术讨论会论文集，人民交通出版社
[32] 程宝辉，自平衡试桩法上下桩段位移相互影响的有限元分析，桥梁建设，2003年6月
[33] 杨荣山，王平等，利用有限元软件计算无缝道岔的温度力，铁道建筑，2003年12月
[34] Identification of Model Properties of Bridge,Vol. 116,No.7,1990,ASCE
[35] Dynamic Assessment of Bridge Load-Carrying Capacities, Vol. 121,No.3,1995, ASCE
[36] Bridge Deterioration Rates and Durability, longevity practice periodical on structural design and construction, Vol.2, No.3, 1997,ASCE
[37] Concrete International 1998(10), 65～68
[38] The Dynamic Behavior and Vibration Monitoring of Reinforced Concreto Beams, Vol. 26,No. 5,1998,JTEVA
[2] 中华人民共和国交通部标准，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JYJ023-85)，1985年08月
[3] 中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范(GB50010-2002)，2002年北京
[4] 美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO)，美国公路桥梁设计规范，1998年6月
[5] 中华人民共和国交通部标准，公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)，1998年
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[7] 黄棠、王效通，结构设计原理，中国铁道出版社，1989年
[8] 邵容光，结构设计原理，人民交通出版社，1995年7月
[9] 董哲仁，钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用，中国铁道出版社，1993年
[10] 王承礼、徐名枢，铁路桥梁，中国铁道出版社，1990年
[11] 丁大均，钢筋混凝土构件抗裂度、裂缝和刚度，南京工学院出版社，1986年
[12] 赵国藩等，钢筋混凝土结构结构裂缝的控制，海洋出版社，1991年
[13] 许可宾，混凝土桥梁的裂缝及其对结构性能的影响，北方交通大学学报，1989年1月
[14] 宋一凡，公路桥梁荷载试验与结构评定，人民交通出版社，2002年3月
[15] 项海帆等，高等桥梁结构理论，人民交通出版社，1997年
[16] 王传志、腾智明，钢筋混凝土结构理论，中国建筑工业出版社，1985年
[17] 华考良、徐光辉，桥梁结构非线性分析，人民交通出版社，1997年
[18] 朱伯龙，钢筋混凝土非线性分析，同济大学出版社，1985年
[19] 张汝青、詹先义，非线性有限元分析，重庆大学出版社，1990年
[20] 梁琨、熊义初，钢筋混凝土结构的计算机方法，重庆大学出版社1992年
[21] 熊祝华，结构塑性分析，人民交通出版社，1987年9月
[22] 何君毅、林祥都，工程结构非线性问题的数值解法，国防工业出版社，1994年
[23] 王铁梦，建筑物的裂缝，上海科学技术出版社，1987年
[24] 铁道部第一勘测设计院，桥梁墩台悬臂深梁顶帽试验研究，宝天定成阳安铁路水害抢建工程技术总结汇编，1986年12月
[25] 钱寅泉、倪元曾，有关桥跨结构技术鉴定的几点思考，一九九年桥梁学术讨论会论文集，人民交通出版社，1999年
[26] 上海铁道学院材料力学教研室，光弹性测试技术，1987年6月
[27] 沈祖炎、董宝等，结构损伤积累分析的研究现状和存在的问题，同济大学学报，1997年
[28] 邵旭东，钢筋混凝土杆系结构极限承载能力高精度分析，中国公路学报，1993年第六卷第四期
[29] 广州市解放大桥引桥墩帽裂缝计算与承载能力验算报告，西安公路交通大学，1998年
[30] 贺拴海、宋一凡等，广州海珠大桥承载力鉴定与加固，2000年桥梁学术讨论会论文集，人民交通出版社
[31] 顾安邦等，钢管混凝土复合截面应力计算的探讨，2000年桥梁学术讨论会论文集，人民交通出版社
[32] 程宝辉，自平衡试桩法上下桩段位移相互影响的有限元分析，桥梁建设，2003年6月
[33] 杨荣山，王平等，利用有限元软件计算无缝道岔的温度力，铁道建筑，2003年12月
[34] Identification of Model Properties of Bridge,Vol. 116,No.7,1990,ASCE
[35] Dynamic Assessment of Bridge Load-Carrying Capacities, Vol. 121,No.3,1995, ASCE
[36] Bridge Deterioration Rates and Durability, longevity practice periodical on structural design and construction, Vol.2, No.3, 1997,ASCE
[37] Concrete International 1998(10), 65～68
[38] The Dynamic Behavior and Vibration Monitoring of Reinforced Concreto Beams, Vol. 26,No. 5,1998,JTEVA