【摘要】 摘要：高速鐵路在中國發(fā)展迅速,橋梁結(jié)構(gòu)在高速鐵路建設(shè)中使用廣泛,而高鐵橋梁結(jié)構(gòu)大量采用32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)使其耐久性明顯提高,但高速鐵路在100年的服役過程中不可避免地收到各種外界因素侵蝕,尤其是沿海氯鹽環(huán)境。而高速鐵路預(yù)應(yīng)力箱梁因腐蝕而發(fā)生的破壞屬于脆性破壞,征兆小,危害極大。因此,有必要展開針對于受腐蝕高速鐵路箱梁力學(xué)性能的研究。高速鐵路箱梁在服役過程中,以受彎為主,因此,針對受腐蝕高速鐵路箱梁的抗彎性能,論文主要工作及成果如下：(1)通過模型試驗(yàn)研究受腐蝕高速鐵路箱梁抗彎承載力的退化規(guī)律,共設(shè)計(jì)8根不同腐蝕率的縮尺模型試驗(yàn)梁,進(jìn)行靜載試驗(yàn)。結(jié)果顯示：隨腐蝕率的增加,試驗(yàn)梁抗彎承載力和延性下降,破壞形式趨向于少筋破壞。(2)針對受腐蝕預(yù)應(yīng)力混凝土梁開展理論分析研究,提出了考慮平截面假定驗(yàn)算條件的受腐蝕預(yù)應(yīng)力梁抗彎承載力評估計(jì)算方法,對本文試驗(yàn)梁進(jìn)行了計(jì)算,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比可知該評估計(jì)算方法是合理的；對其他已有試驗(yàn)梁進(jìn)行了計(jì)算,對比試驗(yàn)結(jié)果可知該方法對受腐蝕后張預(yù)應(yīng)力梁較為適用,對先張預(yù)應(yīng)力梁不適用。(3)采用大型有限元軟件ABAQUS對本文試驗(yàn)梁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并將分析結(jié)果與試驗(yàn)及理論分析結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)果顯示：試驗(yàn)梁彎矩-撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果在曲線左右兩端基本一致,中間變剛度段存在一定偏差；抗彎承載力值(絕對值)與試驗(yàn)值較為吻合,與理論計(jì)算值也較為接近；抗彎承載力下降率(相對值)略低于試驗(yàn)值和理論計(jì)算值,變化規(guī)律一致,可近似認(rèn)為試驗(yàn)梁抗彎承載力下降率符合這一規(guī)律。 

1緒論

1.1研究背景及意義
近幾年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的騰飛，由于社會發(fā)展的需要，中國高速鐵路"四縱四橫”及三個(gè)城際快運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃正在一步步實(shí)現(xiàn)，一條條高速鐵路在神州的版圖上延伸開來。與日本和歐洲相比，中國的高速鐵路起步較晚，但發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)在其之上。2008年，京津城際鐵路開通，這是我國首條時(shí)速超過300公里的高鐵線路，同時(shí)，也拉開了中國高鐵大發(fā)展的序幕。隨后，2009年武廣客運(yùn)專線通車，2011年京滬高鐵通車，2012年底京廣高鐵全線通車等等。截止2014年3月，我國己建成投入運(yùn)營的高鐵總里程達(dá)1.1萬余公里，居世界第一位。據(jù)中國鐵路部門規(guī)劃，2015年底，我國高鐵總里程將達(dá)2萬余公里；2020年底，高速鐵路里程將達(dá)3萬公里。高速鐵路的運(yùn)行速度快，對舒適和安全要求高，因此髙鐵結(jié)構(gòu)必須具備剛度"大、曉度小及平穩(wěn)性好等特點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的可以滿足高速鐵路運(yùn)行的所?有要求，因此在高速鐵路建設(shè)中廣泛采用。例如，武廣客運(yùn)專線全長868km,橋梁長度達(dá)352公里，橋梁占全長的40.6%，其中使用簡支箱梁的長度為331公里，為橋梁長度的94%⑴；京滬高鐵全長1318公里，橋梁長度達(dá)1060公里，橋梁占全長的80.7%，其中使用簡支箱梁的長度為956公里，為橋梁長度的90%[2]。在髙速鐵路橋梁建設(shè)中，我國大量采用預(yù)制32in預(yù)應(yīng)力簡支箱梁。在高速鐵路服'役過程中，簡支箱梁受力情況為以受彎為主。
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1.2受腐獨(dú)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀
目前，對于受腐燭預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究，可分為受腐燭預(yù)應(yīng)力筋試驗(yàn)研究、受腐燭預(yù)應(yīng)力梁試驗(yàn)研究以及受腐燭預(yù)應(yīng)力梁數(shù)值模擬研究。通常，國內(nèi)外學(xué)者大多采用試驗(yàn)方法研究預(yù)應(yīng)力筋腐燭問題。如何在試驗(yàn)室條件下較快速度獲得與真實(shí)環(huán)境繡燭情況相同或相近的誘燭試件成為研究的一個(gè)重點(diǎn)。在這里，快速和真實(shí)顯然是最關(guān)鍵的。基本上，所有的試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力筋腐燭方法都是一個(gè)原理——腐燭環(huán)境的模擬，通過模擬真實(shí)的腐燭環(huán)境，控制和放大對銹燭加速的因素，達(dá)到快速制備接近于真實(shí)腐燭環(huán)境下繡燭狀況的試件。通過總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋腐燭方面的研究，可大致將腐燭模擬方法分為以下幾類：腐燭液模擬法、內(nèi)摻鹽和外浸鹽法、人工氣候模擬腐燭法、通電加速銹燭法和有限元模擬方法�？梢钥闯�，腐燭液模擬法多用于預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力腐燭方面的研究;氯鹽環(huán)境下加速腐燭預(yù)應(yīng)力筋常常采用內(nèi)摻鹽和外浸鹽法，以研究預(yù)應(yīng)力筋腐燭后的形態(tài)和力學(xué)特性—般只在需要進(jìn)行十分嚴(yán)格的環(huán)境參數(shù)控制時(shí)，才使用人工氣候模擬腐燭法;通電加速銹燭法在國內(nèi)外應(yīng)用就非常廣泛了，因?yàn)榭梢苑奖憧旖莸墨@得銹蝕試件，而且可以通過法拉第定律較為精確的控制誘蝕率，用以研究預(yù)應(yīng)力筋腐燭后的力學(xué)性能等;有限元模擬方法一般與試驗(yàn)方法同時(shí)使用，用以比較和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果[36]。
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2縮尺模型試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)制作與腐燭方案

2.1引言
本章介紹了高速鐵路32m箱梁的具體參數(shù)，并通過相似理論設(shè)計(jì)了用于研究的縮尺模型試驗(yàn)梁；介紹了通電加速腐燭方案，對8跟模型試驗(yàn)梁進(jìn)行加速腐燭。梁體混凝土采用C50高性能濕混凝土，水泥采用P.042.5級普通桂酸鹽水泥；粉煤灰采用F類I級粉煤灰。礦粉采用S95級磨細(xì)礦渣粉。細(xì)骨料采用級配良好、吸水率低的潔凈天然河沙。粗骨料釆用級配合理、粒形良好的潔凈碎石，粒徑分為5-10mm和10~20mm兩種規(guī)格，二級級配。減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑。拌合與養(yǎng)護(hù)用水均為日常飲用水。非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用HPB235和HRB335鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1x7-15.2-1860級鋼絞線，磨具包含螺旋筋、錨墊板、工作銷、工作夾片以及限位板、工具描、工具夾片等。管道壓楽劑符合TB/T3192《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓衆(zhòng)技術(shù)條件》。
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2.2縮尺模型試驗(yàn)梁幾何尺寸設(shè)計(jì)
如果直接采用32m箱梁原型進(jìn)行試驗(yàn)研究，從經(jīng)濟(jì)上考慮不合理，因此，往往采用縮尺模型來進(jìn)行試驗(yàn)研究。縮尺模型設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是相似理論，即模型與原型要保持一定的相似關(guān)系，包括幾何相似、質(zhì)量相似、荷載相似、物理相似、時(shí)間相似、邊界條件相似等。由于本次研究只針對箱梁的抗彎性能，可先將模型梁設(shè)計(jì)成T型截面，盡量保持截面質(zhì)心位置不變，以及面積和慣性矩符合相似理論[46~59]。原型梁按照二期恒載16(M80kN/m進(jìn)行配筋，全梁配有9-(|) 15.2和12-(j) 15.2兩種預(yù)應(yīng)力鋼束，共27束261根1x7-15.2-1860鋼絞線。模型梁釆用和原型梁相同的鋼絞線，混凝土材料也采用和原型梁相同的材料，因此模型梁和原型梁具有相同的彈性模量。因此模型梁和原型梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋的比值應(yīng)為截面面積之比，模型梁和原型梁的理論面積比值為1/261，因此模型梁大約采用1根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其位置為截面的預(yù)應(yīng)力重心位置。本次試驗(yàn)共需制作8根模型梁，包括模板制作、普通鋼筋綁扎、i應(yīng)力管道.設(shè)置、混凝土拌制及繞筑、試件養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉及灌獎(jiǎng)這樣幾道工序。繞筑混凝土?xí)r，預(yù)留了 3個(gè)邊長150rnm的標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2-9所示，其強(qiáng)度均在50MPa以上，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
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3受腐蝕模型梁靜載試驗(yàn)研究.......... 20
3.1 引言.......... 20
3.2靜載試驗(yàn)方案.......... 20
3.3試驗(yàn)結(jié)果及抗彎分析.......... 22
3.4本章小結(jié).......... 29
4受腐蝕預(yù)應(yīng)力梁抗彎承載力分析.......... 31
4.1引言.......... 31
4.2只考慮截面損失的抗彎承載力分析.......... 31
4.3考慮截面損失及本構(gòu)關(guān)系變化的抗彎承載力分析.......... 36
4.3.1基本假定 ..........36
4.3.2本構(gòu)關(guān)系模型.......... 36
4.3.3計(jì)算簡圖及分析.......... 36
4.4試驗(yàn)梁抗彎承載力評估算例.......... 39
4.5與李富民提出的抗彎承載力實(shí)用評估公式對比.......... 44
4.6本文抗彎承載力評估方法驗(yàn)證.......... 46
4.7本章小結(jié).......... 47
5有限元數(shù)值模擬分析.......... 48
5.1引言 ..........48
5.2ABAQUS軟件介紹.......... 48
5.3本文試驗(yàn)梁有限元數(shù)值模擬分析.......... 49

5有限元數(shù)值模擬分析

5.1引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在，許多有限元數(shù)值模擬分析軟件己經(jīng)被開發(fā)出來，其中，ABAQUS、ANSYS、ADINA、NASTRAN、SAP和MARC等為目前使用較多的大型有限元數(shù)值模擬分析軟件，被廣泛的應(yīng)用于社會生產(chǎn)及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，如國防軍工、機(jī)械制造、能源、土木工程、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、石油化工及材料等[54]。在土木工程科研領(lǐng)域，大型有限元軟件數(shù)值模擬分析已較為普遍，通過有限元軟件數(shù)值模擬分析可以與試驗(yàn)研究相互對比驗(yàn)證，可以進(jìn)行參數(shù)分析等。本章將采用有限元軟件ABAQUS對本文不同腐蝕率的試驗(yàn)梁建模分析，介紹混凝土、鋼筋及鋼絞線本構(gòu)關(guān)系模型的選擇、單元類型、邊界條件、加載方式等，并將有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)值和理論分析值進(jìn)行對比。

結(jié)論

高速鐵路32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁在我國的高速鐵路建設(shè)事業(yè)中發(fā)揮了重要作用，同時(shí)在其服役過程中會受到各種腐蝕而影響到高速鐵路的安全性。本文以預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生腐蝕的高速鐵路32m預(yù)應(yīng)力簡支箱梁的抗彎承載力為研究對象，通過縮尺模型靜載試驗(yàn)、理論分析及有限元數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：
(1)采用相似理論設(shè)計(jì)高速鐵路32m箱梁縮尺模型梁，通過對不同腐蝕率的模型試驗(yàn)梁的靜力加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：腐蝕率低于8.3%時(shí)，對開裂彎矩的影響不大，腐蝕引起的預(yù)應(yīng)力損失不明顯；腐蝕率不同的全部試驗(yàn)梁呈彎曲破壞特征，且屬于第一類T型截面；隨腐蝕率的增加，試驗(yàn)梁抗彎承載力和延性下降。試驗(yàn)梁彎矩-混凝土應(yīng)變曲線顯示：隨腐蝕率的增加，試驗(yàn)梁跨中截面頂部受壓混凝土最大應(yīng)變減小，說明其破壞形式趨向于少筋破壞。
(2)通過理論分析，分只考慮腐蝕影響預(yù)應(yīng)力筋截面損失、考慮腐蝕影響預(yù)應(yīng)力筋截面損失和本構(gòu)關(guān)系兩種情況對受腐蝕的預(yù)應(yīng)力梁抗彎承載力進(jìn)行了理論分析，，提出了考慮平截面假定驗(yàn)算的受腐蝕預(yù)應(yīng)力梁抗彎承載力評估方法。
(3)采用本文所提受腐蝕梁抗彎承載力計(jì)算評估方法驗(yàn)算本文試驗(yàn)梁，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示考慮腐蝕影響預(yù)應(yīng)力筋截面損失和本構(gòu)關(guān)系的抗彎承載力評估計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，可認(rèn)為該評估計(jì)算方法是合理的。
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參考文獻(xiàn)（略）