不同溶洞处治措施对桩基承载特性的影响研究

为探究不同溶洞处治措施对岩溶发育区桩基承载特性的影响,通过有限元软件建立溶洞-桩-岩土体耦合作用模型,对比分析溶洞高度变化情况下,2种不同的溶洞处治措施(回填法和钢护筒跟进法)对桩基承载特性的影响。结果表明:随着溶洞高度增加,2种处治措施下桩基竖向承载力都呈降低趋势;溶洞高度小于10 m时,不同处治措施对桩基竖向承载力影响可忽略,溶洞高度大于10 m则需考虑处治措施对桩基竖向承载力的影响;在回填法处治的溶洞范围内,桩身轴力降幅较大,桩侧摩阻力增加显著,在钢护筒跟进法处治的溶洞中桩身轴力与桩侧摩阻力则基本不变;与钢护筒跟进法相比,回填法更有利于发挥桩侧摩阻力;溶洞高度增加时,2种处治措施下桩侧摩阻力比重均逐渐减小,桩端阻力比重逐渐增大,达到桩基极限承载力时,回填法处治后的溶洞较钢护筒跟进法桩端阻力占整体比例更小。

基于断裂力学的横隔板弧形切口CFRP加固参数研究

横隔板弧形切口疲劳开裂为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一。为研究该部位的疲劳性能,分析碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)参数对加固效果的影响,首先,建立钢梁节段模型,在弧形切口应力幅最大处引入初始裂纹,基于断裂力学理论得到疲劳荷载作用下横隔板弧形切口处的开裂模式及疲劳寿命;然后,建立CFRP板加固模型,改变各加固参数,对比不同初始裂纹条件下裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律,探究CFRP板长度、宽度、厚度、弹性模量以及胶层剪切模量等参数对加固效果的影响;最后,给出推荐加固参数组合。研究结果表明:横隔板弧形切口处疲劳裂纹为I型裂纹,疲劳寿命约为576.42万次;CFRP板加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,但是CFRP板长度与宽度存在加固的临界尺寸,当尺寸大于这一临界值时,其对加固效果影响极小;CFRP板厚度、胶层剪切模量对加固效果的影响随参数增大而逐渐减弱;采用长×宽×厚为45.0 mm×30.0 mm×2.0 mm、弹性模量为460 GPa的CFRP板进行加固后,裂纹将不再扩展,疲劳寿命显著提高。

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝疲劳开裂特性

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝在车轮荷载反复作用下容易产生疲劳裂纹;这是钢箱梁典型的疲劳细节之一,直接影响桥梁结构的安全运营和耐久性能。为探明正交异性钢桥面板顶板U肋对接焊缝的疲劳开裂特性,采用有限元模拟建立钢桥面板局部模型,研究了嵌补段U肋对接焊缝的疲劳受力特征;然后设计4个足尺单U肋试件,并结合疲劳试验开展实际结构的疲劳性能分析。在此基础上,通过结构应力法提出适用于预测U肋对接焊缝疲劳寿命的修正主S-N曲线,并基于扩展有限元法(XFEM)探究该细节的疲劳裂纹扩展行为。研究结果表明:轮载作用下U肋对接焊缝应力纵向影响范围为2个横隔板间距,横向影响范围为1.5个U肋间距。圆弧过渡区域所受疲劳应力幅最大,应力集中显著,是潜在的疲劳易损点。试验观测到的疲劳裂纹均起裂于圆弧过渡处,并向纵肋底缘和腹板继续扩展。基于名义应力法评估得到对接焊缝平均疲劳强度为68 MPa,接近于欧洲规范规定的71 MPa等级。与基于等效结构应力法提出的主S-N曲线相比,该研究提出的修正主S-N曲线对预测疲劳寿命较为安全保守。采用扩展有限元法可有效模拟U肋对接焊缝的扩展行为。疲劳试验和扩展有限元均表明疲劳裂纹扩展方向取决于初始缺陷的位置。当初始缺陷出现在底板时,疲劳裂纹易于沿底板方向扩展;反之当初始缺陷位于腹板时,疲劳裂纹则易于沿腹板方向扩展。

连续刚构梁拱组合桥日照温度效应分析

为了对连续刚构梁拱组合桥日照温度效应展开研究,依托陕西省铜川市某在建高墩大跨连续刚构梁拱组合桥,采用现场温度场实测数据、历史气象观测数据与有限元数值模拟相结合的方法,研究高墩大跨连续梁拱组合体系空间温度场及其温度效应。结果表明:通过开展依托工程空心薄壁混凝土高墩温度场现场试验测试,分析混凝土高墩温度分布随时间和空间的变化规律,可以看出混凝土高墩在1 d中内外表面温度测点的温差可达到11.9℃,这说明温度分布沿桥墩壁厚方向的差异显著,为高墩日照温度场数值模型验证提供了试验基础;对比有限元模拟结果与现场实测数据表明,大部分代表性观测点位的温度有限元计算值与温度实测值吻合程度较好,验证了数值模型及气象参数取值的合理性;关键施工阶段温度效应分析表明,主梁合龙口相对高差值随着结构整体升降温变化呈线性变化;在考虑不同主墩温度梯度的情况下,主梁的挠度曲线形式和挠度值与现行桥梁规范中仅考虑主梁温度梯度效应相比均发生了较大变化;当拱肋合龙温差在10℃以内时,可以忽略其对结构内力和线形的影响。

工字钢新型快速套接装置的研制

为适应不同中小跨径桥梁的抢修需求,提出研制工字钢新型套接装置实现工字钢的快速接长,明确了套接装置总体结构和承载要求,自此基础上设计了套接装置的三种连接方式,基于足尺模型试验探究快速套接装置连接工字钢的最优方式。研究结果表明:相较于注胶连接、灌浆连接,套接装置采用“预留开槽+现场槽孔塞焊”的连接方式,既可以保证其具有不低于工字钢的承载力,又能实现不同跨径应急钢桥的快速连接。

常泰长江大桥组合索塔锚固结构钢-混传剪构造足尺模型试验研究

常泰长江大桥索塔锚固结构采用钢箱-核芯混凝土组合结构,为研究该新型组合索塔锚固结构钢-混传剪构造的受力特性,进行钢-混传剪构造足尺模型试验研究。制作2个锚固结构足尺节段试验模型,通过压剪试验研究锚固结构的荷载~滑移曲线及应力、应变分布等受力特性,并通过有限元模型分析锚固结构的传力机理和各组件的内力分配比例,推导剪力钉剪力计算方法。结果表明:在2.14倍单索最大索力荷载作用下,锚固结构保持弹性状态,钢壁板未产生明显滑移,钢-混界面最大滑移不超过0.25 mm,该锚固结构中钢-混传剪构造至少具有2.14倍的安全系数;荷载作用下,剪力钉剪力从上至下逐渐增大,锚腹板附近底部3排剪力钉剪力较大,钢-混传剪构造至少存在剪力钉和界面摩擦力2种传剪机制,钢-混传剪构造的承载能力显著提高;钢-混传剪构造受力过程分为粘结力传力阶段和局部滑移阶段,剪力钉剪力分布不仅与沿剪切方向长度分布有关,也与荷载的大小线性相关。

型钢-UHPC轻型组合桥面板及其抗弯性能研究

正交异性钢桥面是目前800m以上国内外特大跨径钢桥的唯一选择,主因是自重轻、强度高、架设方便。但其存在疲劳开裂风险大、运维成本高的缺点。随着高性能材料UHPC的研发和应用,为构建自重轻、病害少、经济性好的桥面新结构提供了可能性。经过多年研究,作者提出一种新型桥面板结构——型钢-UHPC轻型组合桥面结构,将型钢、钢板条与UHPC组合,桥面板的形成无任何板件焊接,因而具有高抗疲劳性,且与传统钢桥面相比,自重持平、造价减半,可作为除“正交异性钢桥面”外的“第二种”大跨径钢桥的桥面结构方案。该文研究这种轻型组合桥面板预制板及横向接缝的抗弯性能,制作4个条带模型(包括2个预制板试件和2个接缝试件),开展三点弯曲的横向接缝负弯矩试验和预制板正弯矩试验,并对试验结果进行分析;基于“条带法”建立预制板试件极限承载力计算模型,提出接缝试件的UHPC开裂名义拉应力计算方法;基于某斜拉桥应用实例,进行整体计算和局部计算,验证新型组合桥面结构在实桥上应用的可行性。研究结果表明:(1)型钢与UHPC间在极限状态前相对滑移非常小,具有良好的协同受力性能;(2)预制板试件的正弯矩极限承载力以型钢屈服控制,而接缝试件负弯矩极限承载力以UHPC开裂和加密钢筋断裂控制;(3)接缝试件的“T形”接缝、加密钢筋、燕尾形的企口、交错式切割型钢钢条等构造设计对接缝整体抗弯拉性能有很好的提高效果;(4)预制板试件极限承载力计算模型所得计算值与试验值吻合良好,该模型搭配名义拉应力计算方法,可帮助工程实际问题的设计与应用;(5)试验结果与实桥的有限元计算值相比,新型桥面结构均有1.3倍以上的安全系数,新型组合桥面应用于实桥具有可行性。

基于贝叶斯优化支持向量回归的流线型箱梁颤振气动外形优化方法

为解决风洞试验耗时费力和计算流体动力学(CFD)计算量大的问题,提出了一套新型流线型箱梁断面颤振性能气动外形优化方法.以风嘴参数为设计变量,利用CFD获取断面三分力系数,以准定常理论估算的颤振临界风速为优化目标.根据贝叶斯优化支持向量回归构建代理模型,利用混合加点法更新模型,通过寻优算法确定最优断面.以虎门大桥为例,得到桥梁在可行域内颤振性能最佳的断面方案.结果表明,风嘴升高,颤振临界风速先增后减,相对高度为0.6时整体性能较优,相对高度为0.7时可获得最优断面.底板宽增加,颤振性能显著降低,下斜腹板倾角为14°~16°时颤振性能最优.断面优化后桥梁颤振临界风速相比原始断面提升约31%.

嵌岩低桩承台锁口钢管桩围堰设计与施工技术

昌九高铁扬子洲赣江公铁大桥西支主桥为(48+144+320+144+48)m无砟轨道钢箱桁组合梁斜拉桥。桥塔墩位于通航河道内,桥位处河床覆盖层浅,基岩强度高,基础由大直径钻孔桩和矩形嵌岩低桩承台组成,承台采用锁口钢管桩围堰施工方案。G33号主墩围堰平面设计尺寸54.56 m×28.52 m,锁口钢管桩采用Q345B材质∅1020 mm螺旋钢管,长28 m,钢管桩之间采用C-T形锁扣连接;围堰设置4层内支撑,单层内支撑设3道对撑,内支撑四角设型钢斜撑;基底设置混凝土垫层参与围堰结构受力。围堰采用XR360旋挖钻机在岩层中引孔,孔内换填细砂后插打钢管桩,钢管桩壁内、外两侧换填砂采用高压旋喷注浆加固。围堰设置智能化监测系统,对围堰受力、变形等进行实时动态监控。实践证明,该桥围堰结构安全可靠、止水效果良好、施工快捷高效。

基于ANSYS的连续刚构桥地震响应分析

以某连续刚构桥为工程背景,基于ANSYS建立全桥有限元模型,由规范反应谱生成人工地震波,分别采用直接加速度法与大质量法对结构进行地震反应时程分析,分析方法与研究结果对实际工程有一定借鉴作用。

变截面不等宽连续钢混组合梁结构分析与研究

首先介绍了钢混组合梁桥的研究背景以及工程概况,对组合梁建立了Midas Civil有限元模型,对钢混组合梁的结构进行了验证,同时对组合梁施工阶段的力学性能进行了分析。结果表明,该钢混组合梁桥满足规范要求,施工过程中钢梁以及桥面板的最大拉应力出现在墩顶位置处,最大压应力出现在跨中;施工过程中组合梁最大位移发生在跨中,且随施工的进行跨中位移逐渐增大;各个施工阶段中最大拉压应力以及最大位移均出现在二期完成阶段。

CFRP及EWSS复合加固震损双层高架桥框架式桥墩恢复力模型研究

为研究碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)及外包型钢(Externally Wrapped Steel Section,EWSS)复合加固震损双层高架桥框架式桥墩的恢复力模型,对1榀原型对比试件、1榀无预损加固试件和2榀遭受不同地震损伤加固试件进行了低周往复加载破坏试验,获取了滞回曲线并提取骨架曲线,分析其滞回特性,提出一种弹性段和强化段为双折线、下降段为指数函数且考虑初始损伤的骨架曲线模型;采用试验数据回归拟合方法,定量描述了试件滞回曲线卸载刚度的退化规律,考虑了同级加载承载力退化和定点指向特征,建立了恢复力模型。研究结果表明:复合加固试件滞回曲线捏缩现象明显,呈倒S型,各滞回环分别相交于骨架曲线上正向、负向荷载为屈服荷载0.25倍的点,峰值荷载后EWSS产生包辛格效应;所提出的骨架曲线模型对中度震损和重度震损加固试件下降段指数函数的参数k建议取值分别为3.6和3.4;所建立的骨架曲线模型和恢复力模型计算结果与试验实测结果吻合较好,可为该类结构弹塑性地震反应分析提供依据。

近场脉冲型地震作用下附加支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能研究

为了解决摇摆桥墩承载力和耗能能力不足的问题,该文提出一种附加人字形支撑的双柱式摇摆桥墩结构,支撑为纯耗能支撑或自复位耗能支撑,支撑通过连接装置安装在双柱式摇摆桥墩的盖梁和承台之间。为了研究新型附加人字形支撑双柱式摇摆桥墩的抗震性能,对其进行拟静力分析,将双柱式现浇桥墩和双柱式纯摇摆桥墩作为对比模型,研究附加纯耗能支撑和自复位耗能支撑双柱式摇摆桥墩的滞回性能;分别对这四种桥墩结构进行动力时程分析,探究这四种桥墩在近场对称脉冲、近场非对称脉冲和远场无脉冲地震动作用下的动力响应。研究结果表明:附加支撑的双柱式摇摆桥墩中的墩柱仍具有摇摆机制,可有效避免墩身出现塑性铰发生严重的损伤破坏,同时附加的支撑可以显著提高桥墩的承载能力和耗能能力,有效降低桥墩结构的位移响应,特别是自复位耗能支撑还可额外为桥墩提供自恢复力,有效提高结构的抗震性能。

马鞍山长江公铁大桥Z3号桥塔施工关键技术

巢马城际铁路马鞍山长江公铁大桥主航道桥为(112+392+2×1120+392+112)m三塔钢桁梁斜拉桥,Z3号桥塔为超高多肢钢-混组合塔,高308 m。上塔柱钢结构高87.5 m,分13个吊装节段,最重505 t;中、下塔柱混凝土结构高217.5 m,分38个节段液压爬模施工;钢-混结合段高3 m,内部采用PBL键+剪力钉+高强度钢锚杆+高强度混凝土结构形式。在中塔柱设置钢管临时横撑控制塔柱线形及应力;下横梁采用落地支架法分层施工,与对应塔柱同步浇筑;钢-混结合段混凝土采用C60细石补偿收缩混凝土+高强度灌浆料,保证了混凝土施工质量;采用工厂“2+1”立体匹配制造、“提升站+运输栈桥”钢塔节段转运等技术,并研制15000 t•m超大型塔吊,实现了钢塔柱大节段的制造、整体滩地运输和吊装;钢塔节段间采用栓焊组合连接形式,通过设置工艺隔板、双面坡口等措施控制了钢塔焊接变形;利用定位桁架临时锁定钢塔合龙段实现了钢塔的精确合龙,定位桁架受力及变形均满足要求。

斜拉桥V形钢塔-混凝土基座结合构造方式比选

某人行景观桥为空间异型钢塔斜拉桥,主塔中2根箱型钢柱在四棱台混凝土基座上方交汇呈非对称V形,钢柱轴线与其底端钢-混连接面不垂直,基座尺寸严格受制于河道防洪要求,使塔根-基座结合部构造方式设计具有挑战性。按照造价相当的标准初步拟定3种结合方案,采用ABAQUS软件分别建立相应的有限元模型,选取塔底支座反力中平面内外弯矩绝对值相加最大的组合进行模拟计算及其结果比较和对标检验。研究结果表明:承压-传剪组合式结合部可以大幅度减小桥塔根部、基座及其中锚箱的应力,使其合理满足相关规范要求。就塔根最大位移和应力幅而言,均为传剪式最大、组合式最小。组合式方案中承压板厚度较承压式减小1/3,应力虽有上升却未超限,材料利用率提高。承压式、特别是传剪式构造方案中,混凝土基座最大主拉应力远超规范限值,无法满足抗裂要求。传剪式方案中锚箱钢板Mises应力也超限22%,且与其竖向压应力和混凝土主拉应力的最大值处于同一位置。传剪式方案不适用的原因是,锚箱中侧面竖板间距太小,矩形板与柱壁连接屈从于不利构造特点,形成大转折。无论应力大小还是变形控制,组合式方案都值得优先选择。研究成果直接服务于本工程,对类似工程也有一定的参考价值。

预制拼装铁路重力式桥墩的抗震性能研究

为适应中国铁路建设向高烈度震区快速发展的需要,解决传统预制拼装桥墩墩柱及承台连接位置薄弱等问题,提出一种灌浆波纹管连接的模块化预制拼装桥墩体系,通过设置承台与墩身塑性区域共同浇筑及墩底局部无黏结段增强桥墩的抗震性能。制作1个局部无黏结整体现浇铁路重力式桥墩模型和1个局部无黏结预制拼装铁路重力式桥墩模型开展拟静力试验,并结合有限元分析,进行预制拼装铁路重力式桥墩抗震性能研究。结果表明:局部无黏结预制拼装桥墩整体连接性能稳定,可通过墩底塑性区域破坏与墩身及节段间的摇摆实现共同消能,其破坏模式表现为墩底塑性区域的弯曲破坏,未发生破坏位置转移现象;局部无黏结预制拼装桥墩等效塑性区域高度比整体现浇桥墩降低,抗侧向水平承载力与耗能能力提升显著,位移延性能力良好,可适应更大加载位移,最终累积耗能增长64.3%;结构接缝位置连接稳定可靠,同等加载位移下等效刚度基本一致,抗震性能得到明显提高;预制节段划分对预制拼装铁路重力式桥墩抗震性能的影响不大。

平钢板-UHPC组合桥面板纵向抗负弯性能试验研究

某大桥次边跨及中跨主梁为钢-UHPC组合梁,钢-UHPC组合梁的桥面板首次采用一种通过PBL剪力键将8 mm平钢板与15 cm的UHPC层连接起来的新型组合桥面体系。为了探究该桥新型钢-UHPC组合桥面板抗负弯矩性能与安全性,完成了2块足尺模型的静力性能试验,进行了桥梁整体受力和桥面板局部受力计算,以及桥面板抗负弯矩极限承载力构成分析。结果表明:UHPC名义开裂强度达8.90 MPa以上,其值远大于实桥荷载作用下UHPC层上缘的纵桥向最大拉应力,组合桥面板负弯矩抗裂性能良好,能满足工程需求;组合桥面板抗负弯承载力的计算,UHPC受拉本构宜采用三折线模型,抗负弯承载力简化计算的UHPC受拉区等效均布应力折减系数可取0.76,抗负弯承载力状态的受压钢板受力仍处于线弹性阶段,抗负弯破坏模式与抗正弯明显不同,为受拉钢筋拉断;PBL剪力键能保证了钢板与UHPC板整体共同受力;组合桥面板在负弯矩作用下的延性良好,裂宽增长缓慢,UHPC的名义极限强度达名义开裂强度的4.1倍以上,到达极限荷载后,组合板承载力没有明显下降。

中等跨径钢板组合梁截面布置优化

为了实现钢板组合梁的标准化设计,达到进一步推广应用的目的,以跨径30 m的先简支后桥面连续钢板组合梁桥为研究对象,结合目前中国钢-混组合梁桥的设计规范,以全桥造价及全桥钢材用量为目标函数,以钢板组合梁截面尺寸布置参数和主梁数量为设计变量,并以应力、变形、局部稳定和规范构造要求为约束条件,建立钢板组合梁截面参数的优化模型,并采用遗传算法展开优化分析.优化结果表明:所提算法稳定可靠、效率高,依托工程的结构截面布置有较大的优化空间.当桥宽和车道布置不变时,采用6梁式截面的全桥造价最少,相对原始设计截面可节省约13%的费用;采用4梁式截面的全桥钢材用量最少,为128.65 kg/m^(2),相对原始设计截面可节省约27%的钢材用量.优化结果可为中等跨径钢板组合梁桥的截面设计提供参考.通过经济性分析发现,当主梁间距分别取约2.3、3.2、4.8 m时,跨高比的经济取值分别为20~23、18~21、14~17.

点蚀效应下超强钢丝疲劳损伤演化及寿命预测

主缆作为悬索桥不可更换的关键承重构件,其钢丝的疲劳寿命将直接影响桥梁的安全性和耐久性。由于主缆通常暴露于侵蚀环境中,往往会产生不同形式的腐蚀效应,其中点蚀是一种破坏力强且十分典型的腐蚀损伤,通常会成为疲劳裂纹萌生的初始点,从而显著降低构件的疲劳寿命。为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明:采用元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型可以很好地展现真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处会发生应力重分布现象,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加;在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命减少约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。研究结果可为腐蚀环境下超高强钢丝的疲劳寿命评估和提高桥梁的耐久性提供参考。

钢-UHPC组合桥面板横向负弯矩区受弯性能研究

为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明:开孔板(perfobond leiste,PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16%~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明:PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。