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王坡沟大桥温度效应分析和黄土湿陷性试验分析.pdf

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中文摘要 I 摘 要 本文以黄土地基王坡沟钢管混凝土上承式拱桥为实际工程背景, 以哑铃形拱肋温度场试验和黄土湿陷性试验为主要研究对象,主要研究工作及结论如下 温度方面,首先对日照作用下钢管混凝土拱肋的传热机理进行基础理论分析,然后采用 加权余量法 对钢管混凝土拱肋二维瞬态无内热源温度场进行推导,为温度场的计算分析奠定理 论基础;简化钢管混凝土拱肋截面日照温度场的边界条件,将哑铃形拱肋简化为 11 个圆周面 朝向 ,结合传热学和天文学相关理论知识 ,对哑铃形拱肋热边界条件进行数值计算,为 ANSYS 软件进行平面瞬态温度场分析做准备 ;通过对日照作用下哑铃形拱肋截面温度测试和数据整理 ,研究 了拱肋截面温度场的特点,在此基础上,探讨了钢管混凝土拱桥拱肋沿截面直径方向的温度梯度模式; 以 ANSYS 软件进行温度场仿真分析,三维空间温度场简化为二维温度场日照边界条件,进行竖哑铃型拱肋截面的瞬态温度场模拟,探讨和分析了日照作用的温度分布规律,并与实测温度数据进行对比 ,验证了日照作用下拱肋截面温度场的温差分布规律是可行的。最后对钢管混凝土拱肋截面和成桥后的拱桥分别进行日照作用下温差效应有限元分析,探讨哑铃形截面热应力的分布特点及影响,得出 温度效应 对拱 肋结构产生的影响。 湿陷性黄土方面, 首先介绍了 黄土湿陷性发生的原因和影响因素和 国内外对湿陷性黄土地基的处理方法,然后 通过对 王坡沟大桥承台后侧的湿陷性黄土进行压缩试验、直接剪切等 黄土 试验,分析不同黄土土体强度特性的相关影响因素,以便 寻求最经济合理的黄土换填方案, 进而 经济有效地消除或减少黄土湿陷性对拱桥的影响 , 利于承台和后侧黄土共同承受拱桥对承台的水平推力 ;采用 m 值法对黄土地基群桩基础的位移计算的黄土地基系数 C 进行确定 ;最后以 Midas /Civil 有限元软件为平台建立了 承台 -桩基础有限元模型,对比分析了采用 一 定掺灰量的换填黄土前后, 承台的横向 变形 和 竖向变形 的 变化,说明 了 采用合理 比例 的换填灰土 能够经济有效的减少黄土湿陷性对拱桥的影响 。 关键词 钢管混凝土,日照温度场,有限元 分析 ,湿陷性黄土 ,地基处理 重庆大学硕士学位论文 II 英 文摘要 III ABSTRACT In recent years, concrete filled steel tubular Arch Bridge has achieved rapid development owing to lightly and ingeniously structured and beautiful shape and Spanning capacity and convenient construction. However, the theory research of The CFST is Lagging behind the engineering practice, There is no uni the design theoretical basis and unified design specifications, which had seriously restricted the healthy development of CFST. We are late learned to the temperature field in CFST and There is no a unified specification for the temperature uation。 Therefore, it is necessary to conduct an in-depth study about the Temperature Effects of the CFST Arch Bridge. In this paper, the Wang Po Gou concrete-filled steel tube arch bridge as a practical engineering background, to study the arch rib temperature field test and Collapsibility test of loess, the following are the main conclusions of this paper In terms of temperature, first of all, it makes basal and theoretical analysis for the heat transfer mechanism of steel tube concrete arch rib under the sunshine, then using the Galerkin to make a ula derivation about Two-dimensional transient without inner heat source temperature field of Concrete filled steel tube arch rib, which lay the theoretical foundation for Calculation analysis of temperature field. Simplify the boundary conditions of sunshine temperature about the concrete-filled steel tube arch rib section by divided Dumbbell shape of arch rib into 11 circular surface and make Numerical calculation of thermal boundary conditions of Dumbbell shape of arch rib, which conducting a plane transient temperature field analysis of ANSYS software .Through dumbbell shaped arch rib section temperature testing and data arrangement under the action of the sunshine, the characteristics of the arch rib section temperature field is studied, on this basis, Arch rib concrete filled steel tube arch bridge is discussed temperature gradient mode along cross section diameter direction .This paper discusses and analyzes the temperature distributions of rizhao effect by simplify the three-dimensional temperature field as two-dimensional temperature field in rizhao boundary conditions on the basis of Temperature field simulation analysis using ANSYS software ,it is feasible for Temperature distribution of the arch rib section temperature field by comparing with the measured temperature data. Finally, making 重庆大学硕士学位论文 IV finite element analysis of temperature difference effect of arch bridge, with the concrete filled steel tube arch rib section and arch bridge under the action of sunlight , which study the distribution characteristics and the influence of dumbbell shaped cross section of thermal stress and obtain the influence on arch rib structure . In terms of collapsible loess ,through making compression test and direct shear test of undisturbed loess and remodeled-loess to analyze the related influence factors of different strength characteristics of loess soil for the most economic and reasonable scheme. which is most economic and effective to improving the bearing capacity of loess, and is good for pile caps and the loess to bear tremendous horizontal thrust at arch bridge of pile caps .This paper establish pile caps - pile foundation finite element model by using Midas/Civil to make a comparative analyzed before and after the replacement of the loess of adding in lime, the horizontal maximum displacement of foundation pile caps decreased, vertical displacement change decrease, which is economically viable to adopting reasonable replacement plaster. Keywords Concrete Filled Steel Tube, Temperature Field of the RiZhao Effects, Finite Element Analysis, Collapsible Loess, Foundation Treatment. 目 录 V 目 录 中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪 论 ........................................................................................................................................... 1 1.1 钢管混凝土拱桥的发展概况 .............................................................................................. 1 1.2 钢管混凝土拱桥现存的问题 .............................................................................................. 2 1.3 黄土地基钢管混凝土拱桥温度问题及黄土场地处治研究 .............................................. 3 1.3.1 钢管混凝土拱桥温度研究现状 .................................................................................. 3 1.3.2 湿陷性黄土 场地处治的研究现状 .............................................................................. 4 1.4 工程背景及主要研究内容 .................................................................................................. 7 1.4.1 工程背景 ...................................................................................................................... 7 1.4.2 本文主要研究内容 ...................................................................................................... 8 2 钢管混凝土拱桥非线性温度场基本理论 ......................................................... 11 2.1 结构热传导基本理论介绍 ................................................................................................ 11 2.1.1 导热基本定律 ............................................................................................................ 11 2.1.2 热传导微分方程 ........................................................................................................ 11 2.1.3 热传导方程的单值性条件 ........................................................................................ 12 2.2 钢管混凝土拱肋温度场参数分析 .................................................................................... 13 2.2.1 钢管混凝土拱肋与外界的热流交换 ........................................................................ 13 2.2.2 太阳辐射 .................................................................................................................... 14 2.2.3 日照作用下钢管混凝土拱肋边界条件 .................................................................... 18 2.3 温度场的求解方法与推导 ................................................................................................ 18 2.3.1 钢管混凝土拱肋热传导计算的基本假定 ................................................................ 18 2.3.2 温度场求解方法 ........................................................................................................ 18 2.3.3 加权余量法 推导二维瞬态无内热源温度场 ............................................................ 19 2.4 本章小结 ............................................................................................................................ 25 3 钢管混凝土拱肋日照温度场试验研究及参数计 算 .................................... 27 3.1 拱肋截面日照温度场试验简介 ........................................................................................ 27 3.2 温度实测数据及其分析 .................................................................................................... 29 3.3 日照温度场有限元计算参数的确定 ................................................................................ 33 3.3.1 材料热工性能参数的选取 ........................................................................................ 33 重庆大学硕士学位论文 VI 3.3.2 初始条件确定 ............................................................................................................ 33 3.3.3 日照边界条件的简化 ................................................................................................ 33 3.3.4 热边界条件的计算 .................................................................................................... 34 3.4 钢管混凝土拱肋日照作用边界条件的确定 .................................................................... 39 3.5 本章小结 ............................................................................................................................ 41 4 钢管混凝土拱肋日照温度场及温度效应分析 ............................................... 43 4.1 日照作用下温度场有限元模型 ........................................................................................ 43 4.1.1 有限元模型假设 ........................................................................................................ 43 4.1.2 哑铃型截面有限元模型划分 .................................................................................... 43 4.1.3 温度场计算结果分析 ................................................................................................ 44 4.1.4 计算值和实测值进行比较 ........................................................................................ 47 4.2 钢管混凝土拱桥日照温差效应分析 ................................................................................ 49 4.2.1 有限元分析热应力基本原理简介 ............................................................................ 49 4.2.2 日照作用钢管混凝土拱肋温度应力分析 ................................................................ 50 4.2.3 成桥钢管混凝土拱桥温度效应分析 ........................................................................ 52 4.3 本章小结 ............................................................................................................................ 56 5 黄土地基钢管混凝土有推力拱的地基力学性能 试验 ............................... 57 5.1 黄土地基处理技术 ............................................................................................................ 57 5.1.1 湿陷性黄土的工程力学性质 .................................................................................... 58 5.1.2 黄土湿陷发生的原因和影响因素 ............................................................................ 58 5.1.3 黄土湿陷性的判定和地基的评价 ............................................................................ 59 5.1.4 湿陷性黄土地基的主要的处理方式 ........................................................................ 60 5.2 王坡沟南桥承台后侧黄土地基试验 ................................................................................ 61 5.2.1 原状黄体的物理特性 ................................................................................................ 61 5.2.2 重塑黄土的强度特性 ................................................................................................ 64 5.3 灰土换填对承台位移的影响 ............................................................................................ 68 5.3.1 m 法计算弹性多排桩的位移 ........................................................................................ 68 5.3.2 黄土地基的群桩基础的位移计算参数的确定 ........................................................ 73 5.3.3 承台桩基础的 Midas 模型的位移计算 .................................................................... 75 5.4 本章研究小结 .................................................................................................................... 78 6 结论与展望 ......................................................................................................................... 79 6.1 本文主要结论 .................................................................................................................... 79 6.2 展望 .................................................................................................................................... 80 目 录 VII 致 谢 ....................................................................................................................................... 81 参考文献 ....................................................................................................................................... 83 附 录 ....................................................................................................................................... 85 A 作者在攻读学位期间参与的科研项目 .................................................................................... 85 重庆大学硕士学位论文 VIII 1 绪 论 1 1 绪论 1.1 钢管混凝土拱桥的发展概况 钢管混凝土结构通过钢管和混凝土两种材料的组合,利用在受力过程中产生的紧箍力效应,使核心混凝土处于三向受压状态,提高了内填混凝土的抗压强 度和弹性模量,塑性和韧性性能也得到改善;同时混凝土的支撑作用又增强了钢管壁的几何稳定性,改变空钢管的失稳模态,延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲,提高了结构的承载能力,使钢管混凝土具有明显超越各自材料的优点。 1879 年,英国赛文 Severn铁路桥为了防止钢管锈蚀并承受压力 ,第一次将钢管混凝土应用到桥墩中; 1937 年前苏联桥梁专家 Perederiy 教授用钢管混凝土拱肋建造了跨径 110m 的拱梁组合桥,这是最早将钢管混凝土应用于拱桥结构的工程实例。直到 20 世纪 90 年代,法国、日本、美国等国家才 相继修建了一些 钢管混凝土拱桥。 在我国,钢管混凝土拱桥的建设取得了快速的发展, 1990 年 10 月建成的四川省旺苍县东河大桥(净跨 115m) ,是在中国最早使用弗式预应力锚具体系的拱桥,也 是我国钢管混凝土拱桥建设的里程碑。 1997 年建成的万州长江大桥,桥拱净跨为 420m,采用钢管混凝土劲性骨架箱型混凝土结构,是世界上最大跨径的混凝土拱桥, 亦 标志着我国拱桥建筑水平处于世界领先位置。 表 1.1 中国部分跨径 200m 以上的钢管混凝土拱桥 Table1.1 Part of China s 200 m span concrete filled steel tube arch bridge 序号 桥名 时间 /年 主跨 /m 结构形式及其意义 1 四川泸州合江长江一桥 2012 518(净跨) 钢管混凝土中承式拱桥 2 重庆巫山长江大桥 2005 460(净跨) 最大跨中承式钢管混凝土拱 3 湖北支井河大桥 2008 430 最大跨上承式钢管混凝土拱 4 湘潭莲城大桥 2011 400 斜拉飞燕式中承式拱桥 5 湖南茅草街大桥 2006 368 首次采用国内最先进的 中承式钢管单拱结构 6 广州丫髻沙大桥 2000 360 中承式,世界同类型中 第一座万吨转体桥梁 7 安徽太平湖大桥 2008 352 中承式 8 广西南宁永和大桥 2004 338(净跨) 最大跨下承式钢管混凝土拱 9 沪蓉西高速小河大桥 2009 338 中承式 10 贵州北盘江大桥 2001 236 国内第二大跨铁路桥梁上承式
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