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    桥梁与隧道工程论文开题报告 大跨度桥梁关键技术研究.docx

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    桥梁与隧道工程论文开题报告 大跨度桥梁关键技术研究.docx

    **大学硕士研究生毕业(学位)论文开题报告 姓 名 学 号 已修学分 所属学院 土木工程学院 一级学科 土木工程 二级学科 桥梁与隧道工程 指导教师 教授 开题时间 研究方向 大跨度桥梁关键技术研究 论文题目 基于高性能材料的混合梁斜拉桥钢混结合段受力性能研究 1 一、文献综述 基于高性能材料的混合梁结合段拟采用超高性能混凝土RPC作为结合段填充料,以期形成一种轻型、高效、耐久的混合梁钢混结合体系,解决以往自流密实混凝土作为结合段填充料带来的格室内混凝土脱空、开裂及疲劳性能不足等方面的问题。本研究将以云南省六库怒江二桥为工程依托,对其结合部进行模型试验,结合数值分析的手段,重点研究此类型结合部在压、弯、剪、扭复合受力下的传力机理、承载能力等力学性能,同时对基于高性能材料的PBL抗剪连接件力学性能进行试验研究,并对其构造要点和设计方法进行探讨。 1.混合梁斜拉桥钢混结合段综述 斜拉桥是一种由梁、塔柱和斜拉索组成的组合体系桥梁,因其跨越能力大、造型美观及良好的受力性能,近年来得到飞速发展。根据主梁型式的不同,斜拉桥可分为混凝土梁、钢主梁、钢-混凝土组合梁以及钢-混凝土混合梁斜拉桥。 混合梁斜拉桥自20世纪70年代在原西德问世后,先后受到欧洲、日本等国的青睐。90年代后伴随我国公路钢斜拉桥的建设也开始逐渐得到关注和发展。 世界上首座混合梁斜拉桥即原西德于1972年建成的Kurt-Schumacher大桥,该桥跨度为287.04m146.41m,系独塔斜拉桥,钢梁与预应力混凝土箱梁的连接断面设在桥塔处,主梁钢混结合部采用剪力键加预应力粗钢筋连接。随后又于1979年建成主跨达368m的Flehe大桥,也为独塔斜拉桥,此桥的建成表明了斜拉桥具有向更大跨度范围竞争的技术优势,对欧洲乃至世界斜拉桥的技术发展产生了相当的影响。随后法国于1995年建成主跨达856m的诺曼底Normandy桥,成为世界上第一个建造主跨接近1000m斜拉 桥的国家。日本于1991年建成的生口桥主跨490m以及随后建成的Tatara大桥主跨890m均为混合梁且均具有里程碑式的意义。 国内首座混合梁斜拉桥是1996年建成的上海徐浦大桥,其主跨为590m。1997年香港汲水门大桥建成,该桥为公铁两用斜拉桥,主跨也达到430m。1999年汕头觉石大桥建成通车,该桥主跨518m,加劲梁采用混合梁型主梁后,既满足了中跨和边跨主梁的重量平衡,又保证了端部锚索的稳定,改善了塔在纵向的受力。武汉白沙洲长江大桥的主跨为618m,于2000年建成,一举成为当时国内同类型桥梁之最。荆岳长江大桥于2010年建成,主跨为816米。独塔混合型斜拉桥方面,台湾高屏溪桥和天津海河桥相继建成,主跨分别为330m和310m,济南黄河三桥是主跨为386m的独塔混合型斜拉桥,而香港的昂船洲桥,主跨达1018m,跨径堪称独塔混合型斜拉桥之最。 按结合部构造对混合梁进行分类,主要有如图 11所示的有格室与无格室的两种形式。有格室的构造形式依据承压板的位置有前承压板、后承压板及其前后承压板3种方式,承压板上一般配置焊钉等各种连接件与混凝土结合,如图 12所示。使用前承压板的桥梁有德国的Flehe桥,使用前后承压板的桥梁有日本的木曾川桥和揖斐川桥,其余主要是使用后承压板,如瑞典的Tjorn桥、日本的生口桥以及我国的大多数斜拉桥。 无格室接合的构造形式依据承压板的位置有后承压板、底板与后承压板的组合等方式。作为代表性的实例,法国的Normandie斜拉桥使用后承压板的接合方式;香港的汲水门斜拉桥是通过延伸到混凝土箱梁内的钢箱板件上的焊钉连接件、以及后承压板的组合方式传递作用力的。 图 11 混合梁结合部的构造形式 a)前承压板 b)后承压板 c)前后承压板 图 12 有格室结合部的构造形式 混合梁斜拉桥钢-混结合段的位置及其形式的选择是其设计的一个关键环节。在功能上要求做到能比较流畅地传递各种荷载产生的内力包括轴力、剪力、弯矩和扭矩及变形,同时接头位置具有良好的抗疲劳性和耐久性,在外形上也要求钢箱梁和混凝土箱梁的过渡比较一致。已有的分析表明,加大边跨混凝土主梁的刚度和质量,可以减少主跨的内力和变形,使边跨充分发挥其锚固主跨的作用,边跨混凝土梁架设容易,主跨钢梁也可较容易从主塔开始用悬伸法连续架设,采用混合梁斜拉桥可以减少全桥钢梁长度,节约造价。混凝土梁与钢梁的连接点一般选择在索塔附近,原因是该处梁的弯矩较小,轴力最大,而对混凝土梁与钢梁连接的细节构造而言,传递轴力的构造比传递弯矩的构造容易处理得多。 我国一些混合式梁桥专门对钢梁与混凝土梁的接头部位做了方案比选和大型空间有限元仿真分析,并研究了钢与混凝土两种材料在接头部位的传力机理,如武汉的白沙洲大桥、广州的东江特大桥、香港的昂船洲大桥等。 1997年文武松等针对汕头礐石大桥(主跨518m混合梁斜拉桥)的连接方式,通过梁高方向12、梁宽方向111.3的比例缩尺模型试验,分析了连接部位的传力机理及邻近区域的应力分布,其研究指出应在钢梁与混凝土梁之间增设过渡段,以实现刚度的平稳过渡。 2004年陈开利、王戒躁等结合桃夭门大桥(主跨580m混合梁斜拉桥),对结合段 进行了12的缩尺模型试验研究,通过试验,研究了截面正应力分布规律、抗裂性,剪滞效应,应力的纵向传递、剪应力分布等规律。 2006年周颖等采用ANSYS等有限元软件对湛江海湾大桥(主跨120m混合梁斜拉桥)钢-混凝土梁结合段进行了受力分析。 2006年田军伟等结合重庆石板坡长江大桥复线桥(330m跨径连续钢构桥),采用12的几何相似比例设计了对称的工字型混合梁模型,对结合段的静力性能和疲劳性能进行了试验研究,试验表明在设计荷载作用下,结合段静力性能和疲劳性能均表现良好。 2006年叶梅新等通过14的大比例模型,对混合型自锚式悬索桥连接部位的传力机理进行了试验研究,同时结合有限元分析结果,研究了钢混结合段的位移、附近区域的应力分布、结合面处钢与混凝土之间的相对滑移以及混凝土梁表面的裂缝发展,其研究表明结合段采用的新型剪力连接件PBL键连接可靠,作用牢固,具有广阔的应用前景 2009年武建敏等结合荆岳长江大桥(主跨816m混合梁斜拉桥),设计结合部长度和高度方向12、宽度方向19的缩尺模型,对钢混结合段在压弯剪作用下的应力、相对滑移、变形等基本力学性能进行了测试,同时结合有限元分析,研究了格室构造的传力机理、开孔板连接件作用、钢梁过渡段的加劲肋构造等参数。 2010年刘明虎等通过理论分析、数值计算和制作12缩尺模型试件,对鄂东长江大桥钢(主跨926m混合梁斜拉桥)混结合段进行试验研究,主要研究了混合梁斜拉桥主梁钢混凝土结合部的合理位置确定、结构形式选择以及西部构造等。 徐国平结合苏通长江公路大桥(主跨1088m)的混合梁方案对混合梁斜拉桥的中边跨的合理比例进行了研究。 2012年何伟兵等对九江长江公路大桥主跨818m单侧混合梁斜拉桥,考虑钢混凝土间相对滑移和接触的实体板壳有限元计算模型,对结合段受力性能进行分析,其研究结果表明承压板分担约70的轴压力,过渡段刚度变化较为均匀。 2 高性能材料综述 超高性能混凝土(RPC)是由法国Bouygues实验室于1993年研制出一种超高抗压强度、高耐久性、高韧性、低孔隙率的新型水泥基复合材料,由于提高了组分的细度和反应活性,因此被称为活性粉末混凝土。它的基本原理是混凝土内部含有尽量少的微裂缝和孔隙等缺陷,可以获得由其组成材料所决定的最大承载能力,并具有特别好的耐 久性,依据这个原理,RPC所采用的原材料平均粒径在0.1m到1m之间,目的是尽量降低材料的孔隙率。RPC极高的密实度决定了其优异的力学性能,以RPC200为例,其抗压强度高达170MPa230MPa,是高性能混凝土的2.4倍;其抗拉强度为3060MPa,是高性能混凝土的46倍;掺入纤维后的RPC抗拉强度可达到抗压强度的1/4左右,是普通混凝土的250多倍,可与金属材料相媲美。 由于RPC优异的性能,国内外工程对其应用均已有一些实例。1997年7月在Quebec 省Sherbrooke市建成了世界上第一座RPC材料人行桥-Sherbrooke桥, 该桥跨长为60m, 采用RPC预制构件现场组装而成;韩国于2002年与法国合作在韩国首都首尔采用RPC建成了跨度为120m的人行拱桥-PeaceBridge,该桥由6段拼装而成,每段长20m,高1.3m,截面为π型,顶板厚为30mm,整座桥RPC用量为220t,未配置普通钢筋;国内于2003年首次在北京五环路石景山斜拉桥也采用无配筋RPC人行道板,取得了很好的效果;2011年建成通车的矮寨特大悬索桥大型岩锚采用RPC作为岩锚地面锚固介质,且模型试验和实桥运行情况都表明RPC作为灌注材料具有很好的使用效益。作为一种新型高性能材料,RPC具有广阔的应用前景。 在大跨混合梁斜拉桥钢-混结合段的设计中,结合段灌注材料良好的性能对保证大桥的正常使用具有重要的意义。目前国内外已建成并投入运营的混合梁斜拉桥中,结合段多采用普通自流密实混凝土作为灌注材料,其性能难尽人意,结合段内存在混凝土脱空、开裂及疲劳性能不足等问题。特别对于独塔单索面斜拉体系,钢混结合段处于复合受力状态,较普通双索面斜拉桥其受力更为不利,为此必须采用高性能灌注材料以确保结合段受力性能的有效性。 目前国内外对RPC的研究较多,但尚未见RPC用于混合梁斜拉桥钢混结合段的研究报道。 3 PBL剪力连接件 钢混结合段的PBL键是钢梁和混凝土梁之间轴力传递的关键性构件之一。PBL键(perfobond rib shear connector)全称为开孔钢板剪力键,通过在钢板上开孔,穿过钢筋并浇筑混凝土形成钢筋混凝土榫共同受力工作。与传统的剪力钉相比,PBL键有抗剪刚度高、承载力大、延性好、加工及施工便利等优点,在组合结构桥梁中具有较好的应用前景。 为解决桥梁结构中焊钉连接件在反复荷载作用下产生的疲劳问题,PBL连接件代替焊钉首次在委内瑞拉的Caroni桥上得以使用,之后又被应用于Rosario Victoria等桥中,上世纪90年代开始,日本和韩国学者对开孔板连接件在组合梁、混合梁等结构中的应用进行研究,并先后在鹤见航道桥、本谷桥等多座桥梁中使用了PBL连接件。 近几年来,结构构件所受荷载随桥梁跨径的增大而提高,PBL连接件因其良好的抗疲劳性能和较大的承载能力在国内多座大跨度组合结构桥梁中得到应用。如近年来修建的鄂东长江大桥、荆岳长江公路大桥等。 PBL连接件自提出以后,世界各国对其进行了大量的研究。 国外学者对PBL连接件的研究开始较早,Leonhardt首先对开孔板连接件抗剪性能进行研究,他认为空中混凝土具有很大的销栓作用,并最早通过设有圆孔孔径35mm呵呵40mm的开孔板连接件模型试验,提出抗剪承载力计算公式。气候Hans-Peter对该计算式的有关洗漱加以修正。 在Leonhardt研究的基础上,Zellner、Antunes、Veldanda、Martins等对板高、孔中钢筋、混凝土强度等因素的影响进行分析,提出抗剪承载力随板高和混凝土强度的增加而增大,布置横向钢筋可以有效提高抗剪承载力。 Qguejiofor考虑开孔钢板底部混凝土的承压作用,依据试验数据提出了另一种开孔板连接件承载力计算时,并基于有限元分析结果对计算系数进行了修正。在Qguejiofor研究的基础上,Ahn依据试验数据再次对计算式进行了修正,实际上,对于桥梁结构中使用的开孔板连接件, 沿主要受力放喜爱那个连续多孔,其钢板底部混凝土承压作用占开孔板承载力比例很小,忽略其作用对结构设计偏于安全。 日本学者认识到桥梁中眼主要受力方向连续多孔的开孔板连接件,应忽略钢板底部混凝土的承压作用研究其抗剪性能。Tairia等学者因此在开孔钢板底部设置泡沫进行试验,分别对开孔板厚度、板间距、混凝土强度、孔中钢筋直径及强度等影响因素进行比较,认为开孔孔径、混凝土强度、空中钢筋的直径和强度是影响开孔板连接件抗剪承载力的主要因素。 国内主要有胡建华等人结合世界第一座混合梁悬索桥的设计并通过PBL剪力键和栓钉对比推出试验,对PBL剪力键的力学特征等进行了试验研究,其研究表明孔洞直径、PBL筋直径、混凝土强度及其箍筋强弱对PBL键承载力的影响较大,而PBL筋的角度误差、钢板开坡口与否、钢板厚度等对PBL键的承载力影响较小。 2006年蒋彪等人通过推出试验,从承载能力、破坏机理和疲劳性能等方面对比了栓钉和PBL的抗剪性能。 2010年肖林等人通过推出试验,研究了PBL剪力键的弹性承载力、极限承载力、滑移量及延性系数等静载力学性能,其研究表明PBL键进入塑性阶段以前的力学性能很大程度上取决于孔洞中混凝土的性能。 2011年王振海等对11组37个试件进行了静载破坏试验,研究了PBL剪力键在各工作阶段下的荷载滑移曲线及破坏特征,分析了混凝土榫抗剪刚度、贯穿钢筋抗拉能力对PBL剪力键各工作阶段荷载滑移关系的影响。 2011年苏庆田等通过9组共27个试件的推出试验,研究了开孔板孔中钢筋位置变化对开孔板连接件基本力学性能的影响,其研究结果显示,孔中钢筋位置变化对开孔板连接件的承载力由一定的影响,但不显著,对开孔板连接件的延性和刚度影响较大。 二、选题背景及意义 钢混结合段作为混合梁斜拉桥钢梁和混凝土梁之间的过渡段,主梁的刚度和质量分布在此均发生突变,故结合段往往成为混合梁斜拉桥设计中的关键部位。相对于普通双索面混合梁斜拉桥主梁一般只承受压、弯、剪作用,单索面混合梁斜拉桥由于采用单索面宽箱形式使得运营荷载作用下结构受扭加大,主梁处于压、弯、剪、扭复合受力状态,且塔梁墩固结致使靠近固结处的主梁钢-混结合段约束增强,结合段受力更趋复杂,特别是对其抗扭、剪的能力要求更高。虽然大跨混合梁斜拉桥结构体系设计的关键问题迄今已研究较多,但以往的研究都是集中在双塔双索面的混合梁斜拉结构体系,其模型试验也大多集中在对结合段进行压、弯作用下的性能研究;对于独塔单索面混合梁斜拉结构体系,扭矩在主梁受力中所占比重不能忽视,而目前钢混结合段在压、弯、剪、扭复合作用下的研究却是鲜有文献报道,独塔单索面大跨混合梁斜拉桥结合段的研究显得相对薄弱。 综合目前的研究现状,对钢-混结合段的研究还存在以下不足 1)钢梁与混凝土梁的结合段是结构特性和材料特性突变处,是混合梁斜拉桥结构受力的关键部位,压、弯、剪、扭复合作用下钢-混结合段的传力机理和设计方法迄今鲜见相应的研究报道; 2)目前国内外已建成并投入运营的混合梁斜拉桥中,钢混结合段内所灌注的混凝土多为普通混凝土,其性能难尽人意,结合段混凝土脱空、开裂、疲劳性能不足等现象普遍。 三、研究的主要内容 本次研究是以云南省六库怒江二桥(跨径布置81m175m的独塔单索面混合梁斜拉桥)钢混结合段的设计与施工为工程背景。研究的主要内容包括 (1)复合受力下主梁钢-混结合段的受力性能及传力机理; (2)复合受力下主梁钢-混结合段的合理构造及设计方法; (3)基于超高性能混凝土的PBL剪力键的受力性能及设计、构造; (4)钢-混结合段高性能灌注料的配制及施工控制技术。 四、工作的重点与难点,拟采取的解决方案 工作重点 试验设计、试件制作、试验数据分析处理及有限元分析等是工作的重点。 工作难点 由于试验非常耗资费时,试件和试验参数较多,对试验计划周详,试验前期的准备,对仪器设备正确使用,确保试验顺利进行以及对试验数据进行有效的分析处理并进行理论分析是工作的难点,同时结合试验结果进行数值模拟分析也将花费大量的时间和精力; 解决方案 学习相关专业课程和文献,培养扎实的理论基础,学习相关有限元软件及程序,为建模分析打下基础。 制定周密详细的试验计划和试验方案,统筹安排,确保试验顺利进行。在试验结果和已有理论的基础上,对钢混结合段在压、弯、剪、扭复合作用下的传力机理、基于高性能材料的PBL剪力连接件力学特点等进行深入详尽分析。 五、论文工作量及进度 本文的时间安排进度如下 阶段一2011.092012.03,学习相关专业课程,确定研究方向。针对研究方向,查找该方向的国内外书籍及学术论文、学位论文并进行仔细阅读,整理读书报告;学习试验相关的研究方法及相关软件,对本科毕业论文试验进行整理分析,完成国际会议的投稿。 阶段二2012.042013.06,进行试验设计等相关准备工作; 阶段三2012.072012.12,进行基于高性能材料的PBL剪力连接件试验; 阶段三2013.012013.04,编写复合受力下的结合段模型试验方案,做试验前期准备。 阶段四2013.052013.12,进行节段梁模型试验准备工作,完成试验; 阶段五2014.012016.06,采用ANSYS完成复合受力下刚混结合段的受力分析,采用ABQUS对基于高性能材料的PBL剪力键进行建模,并进行相应参数分析,完成相关学术论文的发表,最后完成学位论文的初稿并根据导师的修改意见对学位论文进行修改,完成学位论文,准备学位论文答辩资料。 六、论文预期成果及创新点 预期成果 (1)研究并提出复合受力下钢-混结合段设计及合理构造方法; (2)研究并提出基于超高性能混凝土的PBL剪力键设计和构造方法; (3)研发出钢-混结合段高性能灌注料的配制及施工控制技术; 本文的创新点 1、 混合梁钢混结合段在压、弯、剪、扭复合受力下的传力机理尚未见相关文献报道,对于复合受力下的独塔单索面大跨混合梁斜拉桥的相关研究较为薄弱; 2、 目前对PBL剪力连接件的已有研究主要针对普通混凝土,而对基于高性能材料的PBL剪力连接件的研究还尚未见于报道,因此,进行高性能材料岩锚体系的应用研究具有重要价值及创新意义。 七、完成论文拟阅读的主要文献 [1] Norio Tarada,Toshiaki Mochizuki.The Design and Construction of the Miyakodagawa Bridge in the 2nd Tomei Expressway. Proceedings of the 15 FIB Congress, Session 2 71-80, Japan [2] Clawson,William.Bridge application in Steel and Concrete III,ASCE,1997,339-348 [3] 杨征宇,宋桂峰,楼庄鸿.我国独塔斜拉桥.预应力技术,2007,3627-17 [4] 徐国平,刘高,吴文明等.钢-混凝土结合部在桥梁结构中应用新进展.公路,2010,219-22 [5] 文武松,汪双炎,王邦楣.混合梁斜拉桥连接部位的传力研究.桥梁建设,1997,375-81 [6] L.C.Fan seismic Design of Highway Bridges. Huajie International Publishing Co. Limited, 1998 [7] Sinha R Lgusa T.CQC and SRSS s for non-classically damped structures. Earthquake Engineer and Structural Dynamics, 1995 [8] 李亚东.桥梁工程概论.成都西南交通大学出版社,2005 [9] 陈开利,王戒躁,安群慧.舟山桃夭门大桥钢与混凝土结合段模型试验研究.土木工程学报,2006,39386-90 [10] 文武松,汪双炎,王邦楣.混合梁斜拉桥连接部位的传力研究.桥梁建设,1997,375-81 [11] 田军伟,郑罡,唐光武等.重庆石板坡长江大桥复线桥钢-混凝土接头模型静载与疲劳试验研究.公路交通技术,2007,2113-117 [12] 叶梅新,蒋彪.混合型自锚式悬索桥连接部位传力研究.铁道科学与工程学报,2006,331-6 [13] 占玉林,赵人达,毛学明等.东平大桥钢-混凝土结合段模型试验.桥梁建设,2011,420-24 [14] 刘明虎,徐国平,刘峰.鄂东大桥混合梁钢-混凝土结合部研究与设计.公路交通科技,2010,271278-85 [15] 武建敏.大跨径斜拉桥混合梁结合段模型试验研究.同济大学土木工程学院,2009 [16] 王栋,王爽.活性粉煤灰混凝土RPC的发展及应用.2007年华北、东北公路工程造价管理联络网会论文集.512-516 [17] Marcel Cheyrezy. Structural Applications of RPC. Concrete, 1999120-23 [18] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土. 北京中国铁道出版社,1999 [19] 丁遂栋.组合梁横截面上正应力计算的折算系数法.力学与实践,1986612-16 [20] 孔超群.圣维南原理发展简介.力学与实践,19804 指导教师意见 指导教师签名 二〇一 年 月 日 评议小组名单 由学院主管领导确定35名具有高级职称的教师为评议小组成员 组长 组员 、 、 、 、 (公章) 主管领导签名 二〇一 年 月 日 评议小组意见 1、论文选题 □有理论意义;□有工程背景;□有实用价值;□意义不大。 2、论文的难度 □偏高;□适当;□偏低。 3、论文的工作量 □偏大;□适当;□偏小。 4、研究方案的可行性 □好;□较好;□一般;□不可行。 5、研究生对文献资料及课题的了解程度 □好;□较好;□一般;□较差。 6、研究生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力□好;□较好;□一般;□较差。 7、研究生在论文选题报告中反映出的创新能力 □好;□较好;□一般;□较差。 8、对论文选题报告的总体评价 □好;□较好;□一般;□较差。 (在相应的方块内作记号“√”) 评议结论 评议小组组长签名 二〇一 年 月 日 19

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