装配式预应力混凝土箱梁静动刚度足尺试验全过程分析

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预制装配式预应力混凝土(PC)箱梁目前广泛应用在桥梁工程中,但是,在桥梁的正常运行过程中,由于材料使用性能的退化、汽车超载和环境侵蚀等因素的影响,这些结构会发生不同程度的开裂损伤。为分析开裂损伤的预应力混凝土箱梁桥梁结构的静、动刚度,国内外许多学者对缩尺混凝土模型刚度的发展进行了研究,但由于材料构件特性和尺寸效应的影响,缩尺模型试验不能完全取代足尺模型试验,并且对于在役开裂损伤的足尺装配式预应力混凝土(PC)箱梁的静、动刚度退化全过程分析是热点问题,运用动力试验方法和静动刚度与频率的关系对桥梁进行正常使用极限状态承载力评估的研究也是热点问题之一。通过对足尺装配式预应力混凝土(PC)箱梁从开裂到破坏的静动力试验全过程分析,研究一种简单方便、经济有效的方法来评估在役预应力混凝土桥梁的刚度及正常使用极限状态承载力十分必要。本文以3片30m装配式预应力混凝土足尺箱梁为试验对象,进行了不同荷载工况下的静动载交替试验,对足尺简支箱梁静刚度和动刚度退化全过程进行了研究。本文的主要研究内容包括:(1)基于Euler-Bernoulli梁分析简支梁在支座弹性支撑、转动约束下对计算静刚度和动刚度的影响;通过跨中挠度公式计算简支梁的静力刚度以及静刚度衰减系数,通过频率公式计算简支梁的动力刚度和动刚度衰减系数;(2)对既有开裂损伤的预应力混凝土简支箱梁进行不同荷载工况下的静动力交替试验,得到了不同损伤状况下主梁结构的静动力学可检参数,进行了结构静、动刚度的识别,研究了静、动刚度随损伤状态的变化规律,分析了两者差异原因;(3)基于ANSYS有限元软件建立预应力混凝土简支箱梁的有限元模型,进行开裂到破坏全过程的非线性静力分析和模态分析。得到各荷载工况作用下的跨中挠度值和自振频率,并进行静、动刚度识别和分析,回归简支梁在支座和局部损伤影响下静、动刚度与频率的关系,并与试验结果进行对比分析,提出了利用频率比推断实际梁静刚度的方法。研究结果表明,完好梁进行动力刚度计算时不能认为是简支条件,一阶频率较二阶频率对开裂更敏感;通过现场足尺试验结果分析得到试验梁的最终静刚度约为初始静刚度的30%,试验梁的最终动刚度约为初始动刚度的84%。通过有限元分析推断最终的静刚度衰减系数为0.180,最终的动刚度衰减系数为0.80。研究结果可为既有损伤梁的刚度评估与结构性能评价提供参考,也可为实际桥梁的承载力评价提供思路。
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