摘 要

传统的现浇施工方法沿用至今，虽然拥有着施工步骤简单的优点，但这样的施工方法往往受到场地和天气的因素影响较大，并且现场占用时间长，不利于开展多个施工步骤。因此近年来的预制装配施工方法引起了一定的重视。国内对于上部结构的预制装配施工的实践已经相对来说比较成熟，而对于下部结构预制拼装施工的研究与实践就相对较少。对于节段拼装墩柱来说，最为关键的问题就是采取怎样的连接方式。本文在现有的墩身节段连接的基础上，按照规范要求提出一种新式榫卯节段拼装连接方式，并使用abaqus软件对榫卯连接构件建模。然后根据设计的榫卯连接构件尺寸，设计现有的由灌浆套筒连接的构件，同样使用abaqus软件对其建模，通过拟静力试验来比较二者的力学性能，验证新方案的可行性。最后结合分析结果，对这种新式榫卯连接方案的力学性能、施工难度、工程造价等方面做出综合评价。

关键词 节段拼装桥墩；有限元模拟；力学性能

Abstract

Traditional cast-in-place construction methods are still used today. Although they have the advantages of simple construction steps, such construction methods are often affected by site and weather factors, and they take a long time to occupy, which is not conducive to carrying out multiple construction steps. Therefore, in recent years, prefabricated assembly methods have attracted some attention. In China, the practice of prefabricated assembly construction for superstructures has been relatively mature, and there is relatively little research and practice for substructure prefabricated assembly construction. The most critical issue for segmented piers is the connection method. Based on the existing pier segment connection, this paper proposes a new type of joint assembly method according to the specification requirements, and uses abaqus software to model the connection components. Then, according to the design of the connection member size, the existing components connected by the grouting sleeve are designed, and are also modeled using abaqus software. The mechanical properties of the two are compared by the pseudo-static test to verify the feasibility of the new scheme. . Finally, combined with the analysis results, a comprehensive evaluation was made on the mechanical properties, construction difficulty, and project cost of this new type of concrete connection scheme.

Key words: Segmental pier; Finite element simulation; mechanical property

目录

第1章 绪论 6

1.1 课题背景和意义 6

1.2 国内外研究现状分析 7

1.3 课题研究的目的 8

1.4 课题研究的意义与价值 8

1.5 基本内容和技术方案 9

第2章 连接试件尺寸设计 10

2.1 综述 10

2.2 纵筋的配置 10

2.3 箍筋的配置 10

2.4 金属波纹管以及套筒尺寸拟定 11

2.5 榫卯连接的榫头和凹槽构造及其配筋设计 11

2.6 榫卯连接试件施工过程简述 12

第3章 基于ABAQUS的有限元建模 14

3.1 引言 14

3.2 abaqus模型与设计构造所存在的差别 14

3.3 钢筋混凝土有限元建模方式 15

3.4 单元类型的选取 15

3.5 混凝土损伤模型 15

3.6 边界条件 16

3.7 接触问题模拟 16

3.8 试件模型的建立过程 16

3.8.1 榫卯模型建立过程 16

3.8.2 灌浆套筒模型的建立过程 18

第4章 ABAQUS模型结果分析对比 19

4.1 引言 19

4.2整体云图分析对比 19

4.2.1整体位移云图对比 19

4.2.2整体mises应力云图对比 19

4.3 连接截面的应力与位移对比 20

4.4 两个模型滞回曲线的比较 23

4.5 本章小结 24

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

我国正处于加快城市化的道路中，由于行人车辆的通行量的增大，在往后的路桥施工中更要注意避免对市民生活工作产生过大的影响。在交通繁忙和居民众多的城市中心区域，为了缓解桥梁施工期间对周围交通的干扰，降低施工中产生的各种噪声，消除扬尘污染，尽量减少不必要的迁动拆，需要缩短现场施工时间，减少施工作业面，尽快开放交通。这些都表明，城市桥梁建设所受到的制约因素在迅速增多，快速施工、绿色施工、文明施工正成为当前我国建设面临的迫切需求。另一方面，随着国民经济和交通工程事业的迅速发展，国内施工机具（如起重机械、运输机械、桩工机械及架桥机械等）也有了长足的进步。因而，采用预制装配构件建造桥梁墩台的施工方法有了飞速的发展。其特点是在确保工程质量的前提下，不仅减轻了工人劳动强度，克服了工程技术难关；加速了工程进度，提高了工程效益，对施工场地狭窄、尤其是对缺少砂石材料地区、干旱缺水地区以及深沟峡谷、海洋湖泊等特殊条件地区的墩台建造更加具有重要意义。

上部结构的预制拼装技术，国内在工程上使用较广，相应的有关文章也就较多。但对于装配式混凝土桥梁墩柱的研究方式来说，无论是研究还是应用，都处于比较初期的阶段，也是快速上升的阶段。国内外的研究人员和工程设计人员依据桥型特点、施工条件和所处工程环境等因素，对预制拼装桥墩节点处的连接构造提出了多种方案，主要归结为灌浆金属波纹管连接、灌浆套筒连接、插槽式连接、承插式连接及混合式连接等几种连接方式。

波纹管连接：波纹管的主要连接方式是将波纹管固定在盖梁的钢筋笼上，然后进行混凝土的浇筑。施工时，将桥墩上部的伸出钢筋与波纹管中内的钢筋焊接，再以高强无收缩水泥灌浆料填充管道，这样就完成了连接。此结构类似于灌浆套筒，经过一天的现场施工即可进行后续的施工环节，但是其伸出的钢筋要求长度较长，必须符合锚固长度。现阶段，国外的一部分桥梁采用此结构进行施工，由于其抗震的能力仍需研究，因此地震多发区域很少使用此结构。

灌浆套筒连接：应用灌浆套筒也可以起到连接伸出的钢筋的作用，一般采用砂浆垫层作为墩柱与承台和盖梁接触面，用环氧胶来用作两个墩身的接缝使用。其结构的主要特点是对施工的精度有较高的要求，现场施工周期短且工作量小，相较于后张预应力筋的结构，其成本投入较低，略高于现浇混凝土的传统方法。在正常使用的过程中，其力学性能接近现浇混凝土的传统方法，所以其在经济方面具有一定的优越性，但其抗震的能力仍需进一步研究。

承插和插槽连接：插槽式的连接目前已经应用于部分桥梁工程，其大多数是用于连接承台和桩、墩身和盖梁，和波纹管和灌浆套筒连接相比较，有着这样的优点：施工的时间间隔容许大，需要在施工的现场进行两天周期混凝土的浇筑。承插式的连接是将墩身插入到承台的预留孔中，其长度通常为1.2~1.5倍的墩身截面，将砂浆在其底部铺设，使用混凝土（半干硬）对其周围进行填充，其优势是工序简单且作业量少，其缺点是力学性不足，且抗震能力仍需研究。

后张预应力筋精轧螺纹钢绞线（有黏结）：此结构通常情况下是联合环氧胶或砂垫层建造节段短柱。预应力筋大多会考虑使用精轧螺纹钢，这个结构的特点在于用预应力筋穿过接缝，诸如强度和刚度的力学特性相对来说会可靠很多，在实际的工程当中广泛应用，奇石宫的技术、设计和计算分析都较为成熟。但是其中也存在不足之处，主要是在配备预应力筋的基础上还要进行构造配筋的布置，提高了墩身造价，工艺较为复杂且周期长。

焊接钢筋（也就是湿接缝连接）：我国在建筑上海长江大桥的过程中使用了湿接缝连接，湿接缝构造也是当前我国使用较为频繁的设计思路，此结构的力学性能类似于现浇混凝土的传统方式。但是湿接缝会使得施工周期加长，并增加作业量，从施工速度的层面考虑，该结构存在不足之处。

全长2460m的法国米尔奥大桥[跨径为204 6×342 204（m）的单索面多跨连续斜拉桥]，其中7个桥墩的墩高分别为77~245m，桥墩施工即由节段拼装而成。每个节段在施工现场由每块4m×17m、重约120t的钢筋混凝土构件组拼而成，墩身内腔四面尺寸固定，外表面四面尺寸则沿墩高方向缓慢变化。在施工中每升高4m，就利用卫星定位系统接收感应装置的信息，修正任何细节的墩身偏差，这些偏差会可能由温度或者风力等因素导致。建成后的桥墩垂直误差在5mm以内，是装配式桥墩的世界之最。中国在东海大桥、杭州湾大桥、上海长江大桥等长大桥梁中以及2016年在中国上海嘉闵高架北二段桥梁工程的3km的一段，也采用了预制拼装桥墩。

1.2 国内外研究现状分析

近几年，美国联邦公路局大力推进快速桥梁建造技术。各州政府也加大了桥梁快速建造技术的研发力度。快速建造技术被称为Accelerated Bridge Construction,简称ABC。快速桥梁建造技术应用于进行设计标准化、快速建造施工的全预制桥梁结构。

不可否认，进入21世纪之后，美国率先较快发展了全预制桥梁建造得技术。2011年美国交通部拨款950万美元，用来研发具有建造快、高耐久的桥梁建造技术。现在已经在多个州建成全预制拼装技术的示范工程，验证了该技术的可行性。

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