內(nèi)河碼頭建設為適應大變幅、大流速的特殊水文環(huán)境和岸坡陡峭、基巖裸露的復雜地質環(huán)境,急需采用大尺度鋼護筒和鋼筋混凝土聯(lián)合受力樁柱構件。這類構件由大尺度鋼護筒(直徑大于1.8m)、鋼筋籠和核心混凝土等組成,其力學性能、長期工作特性、破壞模式及其工程特性的發(fā)揮與大尺度鋼護筒-鋼筋混凝土組合結構滑移損傷效應密切相關。為此,依托國家自然科學基金項目《內(nèi)河大尺度鋼和鋼筋混凝土組合高樁碼頭結構界面損傷和能量耗散機理研究(51579021)》、交通運輸西部科技項目《在役高樁碼頭結構整體安全性評估技術(2014 328 224 040)》和《內(nèi)河大水位差架空直立式碼頭工作性狀分析與全壽命安全性能評估(2014 328 J26 200)》,開展系列試驗研究,揭示了鋼護筒尺度的改變和受力鋼筋的引入時組合結構的受力機理;獲得了這類組合構件在軸壓荷載和橫向荷載作用下的極限承載力的計算方法;開發(fā)了考慮滑移損傷效應的鋼護筒-混凝土界面的三維有限元模型,并探索分析長期荷載作用下界面的損傷對組合構件力學性能的影響,進而建立界面損傷隨時間的積累特性的量化計算方法,最終預測鋼護筒-鋼筋混凝土組合構件的長期性能和剩余承載性能。具體地,本文主要研究內(nèi)容及所取得的研究成果包括下列方面:(1)通過對大變幅、大流速的特殊水文環(huán)境和岸坡陡峭、基巖裸露的復雜地質環(huán)境下,碼頭大尺度鋼護筒和鋼筋混凝土組合構件的工程特性分析,總結了這類構件的工程適用特性及其工作狀態(tài)。得到了這類構件在橫向和豎向同時承受荷載時力學特性規(guī)律,并在此基礎上分析了這類構件的界面工作特征。(2)通過試驗研究了大尺度鋼護筒和鋼筋混凝土組合構件在橫向、豎向荷載下的工作特性并提出了其極限承載能力計算公式。通過開展以鋼管的厚度以及鋼筋配筋率為試驗變量的組合構件的豎向受壓和橫向加載力學試驗,研究了組合構件在軸向壓力和橫向荷載作用下的荷載位移關系和相應的破壞模式。隨后通過采用極限強度理論及疊加原理,考慮鋼護筒、配筋率和縱筋對混凝土的約束作用,得出了鋼護筒-鋼筋混凝土組合構件的豎向極限承載能力和橫向極限彎矩的計算表達式,并用實驗數(shù)據(jù)驗證了計算理論的可靠性。(3)構建了適用于表達大尺度鋼護筒和鋼筋混凝土組合構件工作特性且考慮滑移損傷效應的鋼護筒與鋼筋混凝土三維界面模型并提出了其參數(shù)獲取方法。通過大量變動參數(shù)的實驗分析,建立數(shù)學方程表達鋼護筒和鋼筋混凝土之間的三維變形及其作用下鋼筋混凝土運動規(guī)律,利用實驗驗證表達方程可靠性后,引入混凝土受壓應變作為量化指標,并推導了該指標下界面法向、環(huán)向和軸向的荷載傳遞性能的強弱化規(guī)律數(shù)學表達公式,進而分析了鋼護筒與混凝土的滑移損傷效應對組合構件承載性能的影響。在此基礎上,詳細探討了界面模型參數(shù)的獲取途徑及其力學特征。(4)研究了長期工作環(huán)境下,大尺度鋼護筒和鋼筋混凝土組合構件的強弱化規(guī)律并提出了其建議計算方法。通過低應力水平下鋼護筒與鋼筋混凝土構件的長期承載性能的試驗,探討了鋼護筒厚度對構件核心混凝土徐變、鋼護筒與核心混凝土應力重分配規(guī)律。通過將試驗結果與典型混凝土徐變模型計算結果的對比,修正提出了組合構件核心混凝土徐變計算的修正MC90模型及其適用條件。(5)提出了鋼護筒-鋼筋混凝土組合構件長期性能的宏細觀材料-荷載有限元計算方法。通過在有限元分析方法中嵌入考慮滑移損傷損傷效應的鋼護筒與鋼筋混凝土三維界面模型,并引入考慮損傷積累因子數(shù)學表達式,建立了這類組合構件的數(shù)值分析方法,利用該方法可以計算分析和預測內(nèi)河大尺度鋼護筒和鋼筋混凝土組合構件力學特性和剩余壽命。并以重慶果園港大尺度鋼護筒和鋼筋混凝組合實際和實驗構件為依托,對不同鋼護筒厚度、核心鋼筋混凝土構造的組合結構進行大量的數(shù)值計算,獲得了基于材料和荷載耦合有限元方法的可靠性,并探討了該類結構的長期工作形狀。
【學位單位】：重慶交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U656.1
【部分圖文】：

施工便捷等優(yōu)勢，目前己廣泛的應用到國內(nèi)外的橋梁、建筑、港口碼頭等結構之中。??目前工程中常見的鋼管混凝土截面型式Ｗ可分為圓形、方形、矩形、正多邊形等規(guī)??則截面和Ｌ型、Ｔ型、十字形等不規(guī)則截面，如圖１．１所示。??⑩園議爨??圓形?方形?矩形?正六邊形??ｍ?＿??Ｌ形?Ｔ形?十字形??圖１．１?ＣＦＳＳＴ結構常見的截面型式??隨著我國基礎設施結構大型化、空間化以及使用環(huán)境復雜化的趨勢，傳統(tǒng)的鋼??管混凝土結構在應用上也暴露出一些缺陷。當核心混凝土截面面積過大時，由于鋼??管側向約束有限，結構可能會出現(xiàn)脆性的剪切破壞，造成整體結構的安全隱患。尤??１??

?１．２鋼護筒－鋼筋混凝土組合結構的受力特性??如圖１．３所示，與傳統(tǒng)鋼管混凝土結構相比，鋼護筒－鋼筋混凝土組合結構減??小了鋼管的約束尺度（鋼管厚度與粧徑之比），同時在核心混凝土中配置了受力鋼??筋。在受力特性層面，二者具有如下區(qū)別：??（１）

為保證配筋率滿足要求，需増大配筋量，導致工程造價増加�？紤]到在??海洋環(huán)境下的基樁施工的特殊性，在目前情況下，多進行合樁試驗和理論研宄［５４＿５５］。??國內(nèi)學者李堅平等進行了如圖１．５所示的小比尺組合結構模型樁的豎向和橫向受??力試驗，研宄發(fā)現(xiàn)粧體嵌巖深度對樁體的承載能力有明顯的影響。??［ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸｌＸＸＸＸＸｘＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸｊ?Ｐ??ｒＩ??Ｊｌ??Ｊ嚴也?｜｜?丨輝Ｗｔ?Ｎ??邾著?／?ｉ?＼?ｕ??圍／＾?ｌｌ?Ｉ?Ｉ??－？?－－?？?－?－?：－：？?－?－?ｉｇ：?？?？?－?－?－?？?．－：?：?：：：－：?：：：：：：：?：?：?：?：?：?：?：?：?：－?：?－?＊?－?？：??：：．：－；－．?；：．－．－：?：；：?：?：．：?：：：：：：：■：?：：：?：?：？：?：?：？：?：：：：：．：：?：?：?．；．；．；：??圖１．５小比尺鋼護筒－鋼筋混凝土組合樁基模型試驗??隨著計算機性能的提升和數(shù)值計算方法的普及，大量學者通過有限元方法在??機理層面對組合樁的受力特性進行分析。汪承志等［５６］在重慶港果園碼頭二期工程、??上海洋山港等研究基礎上，利用大型有限元軟件ＡＢＡＱＵＳ建立數(shù)值分析模型，并??對比現(xiàn)場試驗測試數(shù)據(jù)，分析提出了用最不利單元搜索的荷載組合法。通過大量的??參數(shù)實驗，提出界面位置、鋼護筒與縱橫聯(lián)系撐連接處、鋼護筒底部位移是這類結??構的薄弱環(huán)節(jié)和關鍵控制環(huán)節(jié)。鋼護筒的存在，使得樁芯受到約束應力，約束應力??對于結構承載能力的提高具有十分重要的作用，所以，二者的聯(lián)合受力條件是重要??條件
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本文編號：2890380