跨海铁路桥梁深水基础冲刷数值模拟

拟建头门港铁路支线(头门港站—头门港东站)二期工程位于浙江省东部海域,跨海铁路头门港大桥所在海域潮汐现象显著,波高较大,基础冲刷明显。首先选择7个典型桥墩,分别采用经验公式(孙志林公式和韩海骞公式)、JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》公式、美国HEC-18公式及数值模拟方法计算桥墩冲刷深度,基于百年一遇水位采用Das公式计算冲刷坑范围。然后采用半经验半理论的冲淤计算公式,计算冲淤平衡后水深变化量。通过与理论公式计算的局部冲刷深度对比,验证了数值模拟方法用于桥墩局部冲刷分析的可行性。结果表明:不管桥墩承台顺桥向尺寸如何变化,孙志林公式和HEC-18公式计算的冲刷深度偏大,韩海骞公式计算值最小,因此桥梁设计时宜采用规范公式计算冲刷深度;总体上桥墩承台顺桥向尺寸越大,冲刷坑面积越大;桥梁建成后水深下降了0.3~0.7 m,一般冲刷深度在3~5 cm,故分析该桥址处局部冲刷时可不考虑一般冲刷的影响;承台顺桥向尺寸在8~11 m时,与孙志林公式计算的局部冲刷深度相比,数值模拟值和规范公式计算值更接近,可采用数值模拟方法进行桥墩局部冲刷分析。

大跨铁路混凝土梁矮塔斜拉桥结构体系研究

为研究不同结构体系对大跨铁路混凝土梁矮塔斜拉桥力学性能的影响,并寻求最优的结构体系,以崇凭铁路上金左江双线特大桥为背景,采用MIDAS Civil和ANSYS软件建立主桥有限元模型及车-轨-桥耦合动力学模型,对半飘浮体系、刚构体系、塔梁固结体系和塔梁固结-刚构组合(高墩塔墩梁固结、矮墩纵向设置双排活动支座)体系方案进行比选,分析典型工况下主桥的静、动力特性。结果表明:在列车活载和温度作用下,采用塔梁固结-刚构组合体系的桥梁受力性能良好,采用较小的梁高即可满足桥梁结构的刚度要求;CRH2列车编组通过时不同结构体系的桥梁结构和列车编组的动力响应值均满足要求,考虑温度变形影响时不同结构体系对列车运行的安全性和舒适性的影响较小。基于力学性能计算结果,上金左江双线特大桥主桥最终采用塔梁固结-刚构组合体系。

大跨度铁路桥梁端位移精细化计算研究

为针对大跨度铁路桥选择合适的梁端伸缩装置,保障列车行车的安全性,提高桥梁的使用性能,依据多座大跨度桥梁端位移实测值演化规律以及结构计算,开展温度荷载、列车荷载、风荷载及风与温度荷载组合引起的梁端位移精细化计算研究。提出温度荷载的取值类型和取值范围;明确列车荷载引起梁端位移的计算工况和计算方法;确定桁式主梁风荷载摩擦系数取值和所引起梁端位移的计算工况;结合风荷载、风与温度荷载联合分布模型,提出风与温度荷载组合时风荷载的折减系数。以某斜拉桥为背景,对比本文方法和常规方法计算梁端位移的结果。结果表明:温度荷载引起梁端位移可仅考虑体系温度,体系降温工况各结构的温度按大气温度取值;体系升温工况索结构和一半主梁结构考虑热辐射效应,桥塔结构和另一半主梁结构按大气温度取值;应考虑阻尼器、支座等边界阻力效应,采用动力时程法计算列车荷载引起的梁端位移,计算值与实测值吻合良好;对于采用桁式主梁的桥梁,分别按风偏角45°、90°计算风荷载引起的梁端位移,取两者最不利值;计算风与温度荷载组合下梁端位移时,风荷载引起的梁端位移可相应折减;常规方法所得的梁端位移较为保守,梁端位移的精细化计算更有利于选择合适的梁端伸缩装置。

基于桥梁响应的高速铁路简支梁离心力折减方法

为分析规范离心力计算公式中竖向活载折减系数的理论来源,建立列车-曲线桥-墩系统的空间模型进行车桥耦合振动仿真计算。提出以桥梁动力响应与设计离心力产生的静力响应之比作为竖向活载折减系数的方法,结合反向传播神经网络分析列车车速、桥梁墩高、跨度、曲线半径等因素对折减系数的影响程度。结果表明:车速对折减系数的影响最大,其次为桥梁跨度;竖向活载折减系数反映了列车荷载图式中设计活载与运营列车轴重的差异,折减系数应与列车荷载图式、实际运营列车相匹配;现行规范中竖向活载折减系数公式对中国高速铁路ZK荷载具有良好的适配性,能满足高速铁路简支梁离心力设计的要求。

公铁混合布置大跨度斜拉桥主梁断面形式研究--以赣江公铁大桥西支主桥设计为例

以赣江公铁两用大桥西支主桥设计为例,研究一种适应上层8车道公路、下层对称双线铁路+4车道公路混合布置的主梁断面形式。提出带挑臂双索面箱桁组合断面、带挑臂单索面箱桁组合断面、矩形箱桁组合断面、矩形钢桁梁断面4种主梁断面方案,采用有限元软件分析各方案静动力性能及受力特点,综合考虑方案构造特点、技术指标、工程数量、公铁运营安全、景观效果等,确定该桥选用带挑臂双索面箱桁组合断面。该桥斜拉索最大索力16000 kN,锚固在下层钢箱梁两侧,通过有限元实体分析对锚拉板和钢锚箱式两种索梁锚固形式进行比选研究,钢锚箱形式受力合理、应力水平低、经济性好,设计采用钢锚箱形式。带挑臂双索面箱桁组合断面桥面空间布置合理、下层公铁行车干扰小、梁端竖向变形最小、经济性好,是一种适应公铁混合布置大跨度斜拉桥主梁断面形式。

部分斜拉桥线形控制及无砟轨道铺设技术研究

针对高速铁路无砟轨道静态铺设精度要求高、大跨桥梁线形控制难度大的问题,本文以池黄(池州—黄山)高速铁路太平湖特大桥主跨2×228 m三塔部分斜拉桥为研究对象,建立有限元模型分析主梁刚度、斜拉索二次张拉次序、铺轨基准温度等设计参数对主梁线形的影响,提出主梁线形控制方案。结合现场条件全过程追踪无砟轨道铺设施工过程,逐级优化理论设计参数及主梁线形。轨道铺设完成后,实测轨顶标高与设计标高偏差值及轨道静态高低不平顺均满足无砟轨道静态铺设精度要求。

大跨度铁路桥梁线-桥垂向变形映射模型

以大跨度铁路桥梁线-桥系统为研究对象,通过推导理论公式建立桥梁与有砟轨道的垂向变形映射模型,并通过算例对变形映射模型的正确性进行验证。结果表明:将大跨度桥梁线-桥系统划分为桥梁,有砟道床和轨枕,扣件和钢轨三个子系统开展垂向变形映射关系研究是可行的;通过线-桥垂向变形映射模型计算大跨度悬索桥、斜拉桥的钢轨垂向变形与有限元仿真结果一致,证明了本文提出的映射模型是正确的;通过线-桥垂向映射模型计算钢轨变形,可以避免在有限元模型中建立轨道结构,从而减少模型单元数量,提高计算效率。

高速铁路大跨钢桁加劲连续刚构桥长期变形影响因素研究

为研究钢桁长度和高度以及合龙顺序和顶推力对钢桁加劲连续刚构桥长期变形的影响,以某在建钢桁加劲连续刚构桥为对象,采用有限元软件建立实体模型,考虑混凝土收缩徐变作用,对恒载作用下运营20年内的变形进行分析,系统分析钢桁长度和高度对连续刚构桥长期变形的影响程度,同时利用结构力学原理推导不同合龙顺序下的顶推力解析式,探讨合龙顺序和顶推力对连续刚构桥长期变形的影响。结果表明:钢桁长度和高度的增加均可使挠跨比下降,均能提高桥梁的整体刚度,考虑到实际结构受力及施工难度,建议钢桁长度在桥梁中跨长度的3/4~7/8范围内选择,挠跨比下降42.3%~44.1%,为避免出现设计过于保守的情况,建议钢桁高度取12 m,挠跨比下降43.8%;推导出不同合龙顺序下的顶推力解析式,只与桥墩和主梁的参数有关,计算简便、概念清晰,可指导实际工程中顶推力的确定;不同合龙顺序对钢桁加劲连续刚构桥长期变形的影响较小,施加顶推力后可明显改善钢桁加劲连续刚构桥的长期变形,建议在施工过程中采用先中后边的合龙顺序,同时施加顶推力,在运营20年时边跨和中跨最大竖向变形分别下降34.6%和34.2%。

碳化与疲劳耦合作用下铁路桥梁的结构动力响应研究

为研究碳化与疲劳荷载耦合作用对既有铁路桥梁结构动力响应的影响,建立混凝土碳化与疲劳荷载耦合损伤模型;以朔黄铁路线上一典型预应力混凝土简支T梁为例,提出碳化与疲劳荷载耦合作用下主梁的碳化深度影响因素及随年限发展模型,并结合实测桥梁碳化数据,验证耦合损伤模型的准确性;利用有限元软件计算不同服役年限下既有铁路桥梁结构的动力响应,研究碳化与疲劳荷载耦合作用对既有铁路桥梁结构动力响应的影响。结果表明:提出的碳化与疲劳荷载耦合损伤模型计算结果与实测碳化深度吻合较好,表明耦合模型的可靠性。当桥梁服役年限为10年以内时,疲劳荷载对桥梁结构的碳化影响不大;随着服役年限的增长,疲劳荷载对桥梁结构碳化的影响越大;当服役年限为100年时碳化与荷载疲劳耦合作用下的碳化深度为仅碳化时的3倍。桥梁跨中截面竖向位移和动应变峰值随服役年限的增加而减少,加速度响应峰值随服役年限的增加有一定波动,整体趋势将减少。

高速铁路桥梁车致加速度响应监测数据分类方法研究

为提高不同列车过桥时基于车致加速度响应的桥梁结构损伤识别准确性,提出了一种基于加速度传感器的高速铁路桥梁车致加速度响应监测数据分类方法。该方法根据桥梁结构健康监测系统中加速度传感器监测数据幅值的变化趋势,在监测数据时程曲线中确定2个标记点,将标记点对应的时间分别作为列车抵达和驶离传感器的近似时间,然后通过2个不同位置加速度传感器的标记点识别出高铁列车的相对车速、行驶方向和编组数量,并据此对桥梁结构车致加速度响应监测数据进行分类。将该方法应用于商合杭客专裕溪河特大桥健康监测系统中,实现了对不同列车荷载作用下的桥梁结构车致加速度响应监测数据的程序化自动分类,识别出的列车编组数量和行驶方向与现场视频监控结果一致。

主跨160m铁路网状体系拱桥设计参数影响研究

为研究铁路网状体系拱桥的结构受力性能,以某主跨160 m双线铁路网状体系拱桥为研究背景,采用有限元方法,建立桥梁结构的三维空间仿真分析模型,对比吊杆根数、吊杆倾角、拱肋倾角和矢跨比4种设计参数对桥梁静力性能的影响,讨论结构位移、轴力、弯矩、应力等响应的变化规律。结果表明:吊杆根数的增大能减小活载引起的桥梁竖向位移,但拱圈压应力有所增大;桥梁的最大拉应力和最大压应力均随着吊杆倾角的减小而增大,最大压应力出现在拱肋拱脚位置,吊杆倾角为40°和50°时,吊杆所受拉应力大于钢材容许应力,吊杆倾角大于50°时,梁端短吊杆受压;随着拱肋倾角增大,拱桥拉应力近乎线性增大,压应力有所减小;矢跨比越大,活载作用下跨中挠度越小,桥梁最大轴力和弯矩有一定程度减小,吊杆受到的拉应力也越大,矢跨比为0.14~0.20时,拱桥最小应力绝对值随着矢跨比的增大而减小,而当矢跨比从0.20增大至0.22时,最小应力绝对值则显著增大。

大跨度铁路钢-混组合梁负弯矩区桥面板抗裂措施研究

为研究铁路荷载作用下大跨度钢-混组合梁负弯矩区桥面板开裂情况及抗裂技术,以某主跨168 m的铁路钢-混组合连续刚构桥为背景,采用MIDAS Civil软件对桥面板受力情况进行建模分析,并开展抗拔不抗剪连接件技术及预应力技术对桥面板抗裂性能影响的研究,结合抗裂措施工作原理及施工可行性,提出适用于减小负弯矩区桥面板裂缝宽度的实施方案。结果表明:采用普通栓钉连接、桥面板常规配筋条件下的钢-混组合梁,运营阶段主力及主力+附加力工况下负弯矩区桥面板裂缝宽度均不满足规范要求;墩顶处桥面板与0号块固结及非固结2种形式下,抗拔不抗剪连接件桥面板抗裂方案均不适用,抗拔不抗剪连接件的适应性受桥面板与0号块连接构造及桥面板整体与钢桁架上弦杆顶面连接形式影响较大;对桥面板配置纵向预应力筋能有效降低拉应力水平,设后浇带预应力筋张拉方案负弯矩区桥面板最大拉应力较桥面板浇筑成型后张拉预应力筋方案更低,更能充分发挥预应力效应,且便于工程实施,建议工程应用中宜控制湿接缝占比小于10%,预应力筋锚固断面拉应力突变值宜控制在2 MPa以内。

尖扎黄河特大桥减隔震措施合理布设研究

尖扎黄河特大桥采用(141+366+141)m连续钢桁拱跨越黄河,其建设环境复杂,抗震设计根据两水准设防和两阶段设计的抗震原则,将设计地震作为功能性验算水准,将罕遇地震作为安全性验算标准,以实现“中震不坏、大震可修”的目标。本文探讨了不同抗震约束体系方案,经计算比选,采用横向双固定支座方案,能够降低水平地震作用。通过比较黏滞阻尼器和双曲面球型减隔震支座两种抗震措施方案,对墩台内力、滞回曲线进行分析计算,结果表明黏滞阻尼器耗能效果更好。通过在活动主墩设置可自动泄压速度锁定器,形成多墩协同抗震体系,牢牢结合抗震设防的性能要求,使得桥梁的抗震性能大幅提升,并有效减少了震后的修复工作,确保结构安全。

半穿式铁路应急钢梁抗震性能分析与评估

为评估铁路应急钢梁在多维地震作用下的抗震性能,以一座56m半穿式铁路应急钢梁为研究对象,借助ANSYS有限元软件,以材料应变和支座位移为损伤指标,确定各个损伤状态对应的指标限值.通过增量动力分析,采用10组地震动作为三向地震动输入样本,进行非线性时程分析,对应急钢梁各构件和结构整体进行易损性评估.研究结果表明,半穿式铁路应急钢梁横向刚度低于竖向刚度;结构在强震作用下,支座为最易损伤构件;结构整体出现严重损伤概率较低.

平转施工桥梁转体角速度及角加速度合理取值分析

关于水平转体施工桥梁的转体角速度限值问题存在较大的争议,现有标准提出的0.01~0.02 rad/min的平转角速度限值偏于保守,造成部分转体桥无法在正常的铁路天窗时间内完成转体,而一些工程实际采用的转速大幅超过现有标准,但并未对结构安全造成任何影响。本文对转体角速度和角加速度与结构效应的对应关系进行理论分析,对国内相关研究成果进行归纳总结,并结合襄北编组站大桥的模型试验数据,按照转体悬臂长度提出转体角速度和角加速度合理取值范围。推荐取值为:悬臂长度不大于40 m时,角速度宜控制在0.05 rad/min以下;悬臂长度大于80 m时,角速度宜控制在0.025 rad/min以下;悬臂长度在40~80 m时,转体角速度的上限值可内插取值;转体角加速度宜控制在2.2×10^(-5)~4.2×10^(-5)rad/s^(2)。

高烈度区高墩连续刚构桥抗震性能研究

以高烈度近场震区铁路桥为依托,采用Midascivil软件建立了不同墩高的桥梁结构力学模型,针对多遇地震及罕遇地震2种地震工况进行数值模拟,以桥墩高度为主要参数,以模型自振频率、桥墩墩顶、墩底位移及内力变化、阻尼器作用效果等方面对其抗震性能进行评价。研究结果表明:墩高增加时,桥梁整体的振型周期增大,对于多遇地震和罕遇地震无阻尼情况下墩底的弯矩纵横向弯矩变化幅度不大,而轴力增加明显;随着墩高增加,阻尼器对于桥墩墩顶墩底的弯矩减小比例较大,减震效果比较好。

高速铁路高低塔斜拉桥减隔震装置研究

通过分析各类减隔震装置对高速铁路高低塔混合梁斜拉桥的减隔震作用,从而选取合理减隔震装置。以阜淮(阜阳—淮北)新建高速铁路跨颍河主跨230 m的高低塔混合梁斜拉桥为研究对象,建立铅芯橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座、黏滞阻尼器有限元模型,采用非线性时程分析法对塔底弯矩、梁端水平位移等目标函数进行地震响应分析。结果表明:采用铅芯橡胶支座,塔底弯矩降幅达到49.9%;采用摩擦摆减隔震支座,塔底弯矩降幅达到54.3%;采用黏滞阻尼器,塔底弯矩降幅达到62.0%。对于高速铁路高低塔混合梁斜拉桥而言,黏滞阻尼器减隔震装置更合理,并给出合适设计参数。

铁路桥梁桩基补桩后受力性能研究

旧桥改造在桥梁工程中应用越来越广泛,当新建线路与既有线路在平台上有较小移动时,将既有线路上的梁体移至新建线路上是我国既有铁路桥梁改扩建工程中常见的施工方法之一。为满足支撑梁体的要求,工程中常采用桩基补桩和承台帮宽的措施。补桩引发新老桩基及土体间相互作用,需对补桩后桩基的受力性能进行研究。故通过理论计算和数值模拟分析了补桩前后桩基的受力性能。结果表明:补桩后单桩极限承载力有所下降,约为补桩前的90%;增补2根桩后,桩基承载力约提高20%;在同等侧向荷载下,补桩后边桩和中桩的最大弯矩较补桩前分别减小了13.23%和12.50%,补桩后边桩和中桩的最大侧向变形较补桩前分别下降了6.30%和7.19%。

南广铁路桂平郁江双线特大桥主桥桥式方案研究

研究目的:南广铁路桂平郁江双线特大桥为全线重点控制工程,受郁江通航净空和净高控制,如何采用合理的桥式方案,以降低线路标高,减少引桥长度,达到既能满足郁江通航要求、又能节省投资的目的。研究结论:通过对钢桁斜拉桥、连续钢桁拱桥和连续刚构斜拉桥三种桥式方案的研究,推荐采用36+96+228+96+36m钢桁斜拉桥。

基于IDA的铁路超高墩地震易损性分析

为探究铁路超高墩结构的抗震性能并对其在双向水平地震作用下的易损性进行评估,以西部山区某高速铁路超高墩结构为研究对象,根据结构自身动力特性,以材料应变状态对应的截面曲率作为损伤指标,描述其不同的损伤破坏状态并确定不同损伤状态所对应的指标限值。基于IDA方法,从PEER数据库中选取10组远场地震动作为双向地震动输入样本,以ANSYS为平台建立超高墩有限元模型进行非线性动力时程分析,得到不同强度地震动对应的结构地震响应。结合能力需求比的对数回归分析,建立超高墩各控制截面的概率地震需求模型对其易损性进行评估,并采用一阶界限法计算超高墩整体损伤概率并建立易损性曲线。结果表明:H形双柱式薄壁空心超高墩在强震作用下各部位均会发生一定程度的损伤,其中墩底部位损伤最为严重,在PGA为1.0g时墩底部位轻微损伤、中等损伤和完全损伤的超越概率分别为98.71%、96.92%和36.02%;结构完全损伤概率较小,满足三水准抗震设防要求并具有良好的抗倒塌能力;易损性分析能够准确地反映超高墩的真实抗震性能,为实际工程中既有超高墩的震后损伤加固或新墩设计提供理论依据。