大倾角钢箱提篮拱桥总体设计

考虑施工技术、经济性和景观效果等方面,陕西蔡家坡渭河特大桥主桥采用(35+210+35) m大倾角钢箱提篮拱桥。该桥采用摩擦摆和环向钢丝绳阻尼支座综合减隔震约束体系,以降低结构的地震响应。拱肋为单室等宽钢箱截面,采用主、副拱肋2条悬链线,主、副拱肋共面,设计为横向内倾20°的大倾角,在提高桥梁景观效果的同时,又有效提高了结构的整体稳定性;拱肋设钢-混结合段连接拱脚与混凝土拱座。桥面系采用自重较轻的正交异性钢桥面板结构。吊杆采用抗拉强度1 860 MPa的环氧柔性钢绞线。基础采用Φ2.5 m的钻孔灌注群桩,以抵抗软弱地质条件下荷载的竖向及水平作用力。该桥总体采用先梁后拱的施工方案。整体及局部有限元分析结果表明,桥梁结构力学性能均满足规范要求,设计安全可靠。

近远场地震下RC大跨轻柔拱桥减隔震支座方案优化

为探明不同地震动输入对某大跨轻柔拱桥减隔震的影响,通过非线性有限元模型分析近远场地震下桥梁结构的响应规律,得到大桥支座的优化布置方案.首先,基于模态分析,对比该桥与传统钢筋混凝土(RC)拱桥动力特性差异;其次,选取不同脉冲周期的近场地震动、近场无脉冲及远场长周期地震动记录;最后,研究近远场地震下拱桥的响应行为和损伤演化路径,得到优化桥梁的减隔震支座设计方案.研究结果表明:近场脉冲及远场长周期地震下的桥梁结构响应大于无脉冲地震响应;纵竖向地震下高墩柱剪力及弯矩包络曲线呈“S”形,墩身中部易形成塑性铰,高阶振型影响显著;桥梁纵桥向先于横向震损,损伤路径依次为矮柱、高墩柱及拱肋实心-空心截面段;摩擦摆支座减震效果最佳但位移较大,高阻尼支座方案在近场中长脉冲周期及远场长周期地震下仍会发生损伤,板式橡胶支座方案因无法保证支座同步滑移而不能形成准隔震体系;“高阻尼+摩擦摆”混合方案的支座位移小,拱肋及墩柱均处于弹性,是近断层大跨轻柔RC拱桥的优选减隔震方案.

高速铁路系杆拱桥检测方法及应用

根据高速铁路系杆拱桥的结构特点、受力特点和养护条件,研究制定了外观缺损检测、吊杆体系专项检测、结构姿态检测、材料性能检测、动力特性测试、承载能力检算等测试内容及采用方法,并应用于京沪高速铁路一座实桥检测中。检测结果表明:该桥除外观上存在少量病害外,结构整体受力性能良好,相对于桥梁建成初期没有明显的变化,验证了本文检测方法的有效性和可实施性。

钢筋混凝土拱桥加固施工次序方案及效果评价

为研究钢筋混凝土拱桥最优的加固施工次序,以一座在役4跨箱形拱桥的加固方案为背景,设计了3组针对性的加固方案,并对不同拆除加固施工次序下的主拱圈力学性能进行了分析;采用恒载应力变化率(αD)和荷载效应变化率(αN)评价了施工中拱圈的应力变化规律及加固后原拱圈的荷载效应。研究结果表明:拱上结构的拆建次序对加固后主拱圈的力学性能影响较小,但对加固过程中主拱圈的受力状态影响较大;拱顶对称拆除时αD<0,结构处于“卸载”状态,有利于拱桥施工中的受力;αN随着拱上结构恒载减小而增大,且增速减缓,故加固层材料利用率也随拱上结构恒载减小而增大,且增幅变缓;αN越大,则加固效果越好。

异型单肋双索面人行钢拱桥吊杆张拉方案研究

为实现异型人行拱桥梁施工各阶段合理受力状态,需探索合理的吊杆张拉方案。以云溪桥-异型单肋双索面人行钢拱桥为研究对象,根据桥梁自身特点确定出吊杆张拉方案的合理性原则和多种吊杆张拉方案,建立桥梁有限元模型进行桥梁施工阶段分析,采用正装迭代法得到各施工阶段的吊杆张拉控制力,探讨多种吊杆张拉方案对桥梁主要构件施工阶段受力及变形的影响。结果表明:从拱肋受力与变形角度来看,从两边拱脚向中间拱顶顺序张拉吊杆方案对桥梁结构更有利;初始张拉双根吊杆措施更适合从中间拱顶向两边拱脚顺序张拉吊杆;同时张拉内外侧吊杆比先张拉外侧吊杆后张拉内侧吊杆更有利于拱肋、主梁受力与变形;双批次先外侧后内侧张拉吊杆使主要受力构件应力及变形峰值更小、变化过渡更为平缓,优于单批次内外侧同时张拉吊杆方案。桥梁内侧吊杆设计索力较小,不宜分批次张拉,外侧吊杆设计索力稍大,可进行二批次吊杆张拉。

近断层脉冲型地震作用下大跨拱桥动力响应分析

为了研究近断层脉冲型地震动的速度脉冲特性和参数对大跨拱桥动力响应的影响规律,首先引入分解叠加(record-decomposition incorporation,RDI)法合成人工近断层脉冲型地震动,对比研究了不同等效脉冲模型的准确性,进而优化和验证了合成方法;然后以某大跨拱桥为工程背景,采用优化后的RDI方法合成了具有不同参数特征的人工近断层地震动,探讨了脉冲成分与残余分量对拱桥动力响应的影响机制;最后研究了不同脉冲参数对拱桥动力响应的影响规律。研究表明:优化后的RDI合成方法能有效模拟原始近断层脉冲型地震动,并得到具有不同脉冲参数的人工地震动;近断层地震记录的高频成分对拱桥结构动力响应具有显著的不利影响;随着脉冲幅值的增大,向前方向性效应和滑冲效应对拱桥动力响应的影响均明显增大;随着脉冲周期的增大,两种脉冲效应对拱桥动力响应均有显著的不利影响;对于脉冲个数的影响,双向脉冲的近断层地震动相比多向脉冲会引起拱桥更大的面内响应。

半分离式斜腹板双箱梁大跨单肋拱桥颤振临界风速分析

为研究低扭弯频率比大跨度桥梁的颤振性能,以某主跨180 m的半分离式斜腹板双箱梁大跨单肋拱桥为背景(主梁扭弯频率比接近1.0),进行颤振临界风速分析。采用有限元法分析该桥动力特性,计算桥梁颤振稳定性;对比《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)推荐的3组理想平板颤振临界风速估算公式,基于Scanlan半逆解法的理想平板颤振临界风速,考虑主梁形状与攻角修正系数确定颤振临界风速范围;采用强迫振动数值模拟识别颤振导数,获得精确颤振临界风速,进一步计算半分离式斜腹板双箱梁的形状和攻角系数。结果表明:该桥主梁扭弯频率比较低,颤振稳定性低于500 m级大跨度双肋拱桥;规范推荐的理想平板颤振临界风速估算公式在小扭弯频率比时差异较大;半分离式斜腹板双箱梁形状修正系数小于分离式双箱梁而大于P-K梁、带斜腹板箱梁,攻角修正系数略大于这3种形式主梁。

空间异形拱桥振动台试验设计

振动台试验是研究大型结构复杂动力特性和地震响应的有效手段,由于振动台尺寸和载重的限制,合理设计缩尺模型结构是振动台试验成功的关键。基于量纲相似法及弹性相似律,取1∶20的几何相似比,以某空间异形拱桥为原型,开展了其关键参数动力缩尺模型设计。首先,通过有限元数值分析,分析了动力作用下原桥模型与缩尺桥模型的动力特性、关键部位内力与位移等响应,以验证缩尺模型的合理性;并在选取合理地震动作用下,开展了结构时程响应分析。研究结果表明:缩尺模型桥与原型桥前10阶模态完全吻合且频率误差小于7%,关键截面内力、位移和加速度等响应误差未超过10%,缩尺模型桥可较好地反映原桥动力特性和响应特点。研究成果可为空间异形拱桥振动台抗震设计提供技术支撑并为同类桥梁振动台试验提供参考。

大跨度上承式钢管混凝土拱桥受力性能分析

研究目的:为系统地掌握西北地区大温差、峡谷风、高震区共存的复杂建设条件下上承式钢管混凝土拱桥的力学性能,以一座净跨400 m的公路同类型拱桥为例,按照现行设计规范,采用统一模量法建立三维杆系有限元模型,对概率极限状态设计方法要求的静力性能、稳定性、动力特性、抗震性能的组合工况进行全面、系统地分析和计算,为同类型桥梁设计提供参考。研究结论:(1)温度效应大于汽车荷载效应,拱脚处横风效应突出;(2)双向偏压、偏拉组合受力为单弦杆控制设计状态,拱顶为桁式拱肋承载力的薄弱位置;(3)腹杆、横撑、平联等构件与弦杆构造匹配性较好时,承载力及疲劳性能等易满足受力需求;(4)温度、徐变预拱度比车道荷载大很多;(5)主拱圈在材料、几何、双重非线性下稳定性分别下降了5.5%、11.9%、17.1%;(6)振型相对密集、频率值较小,主振型为面外弯扭振动,具有多方向和多角度耦联性;(7)时程分析结果大于反应谱分析结果,但小于静力工况,拱桥抗震性能好;(8)上承式钢管混凝土拱桥在复杂建设条件下具有良好的受力性能。

超大跨劲性骨架拱桥缩尺模型试验方案设计研究

为对超大跨劲性骨架拱桥缩尺模型试验方案进行合理设计,以计算跨径600 m的劲性骨架拱桥——天峨龙滩特大桥为背景,围绕模型缩尺比、结构设计、材料及加载系统等关键环节,开展主拱圈缩尺模型试验方案设计研究。最终确定模型拱缩尺比为1∶10,劲性钢骨架采用单肋形式,采用与实桥主拱圈性能相近、便于施工的材料,采用阵列式滑轮组加载系统实现模型拱和实桥主拱圈的应力等效,还原外包混凝土分环分段浇筑施工,并简化劲性钢骨架与管内混凝土施工。将模型拱外包混凝土应力实测值、ANSYS建模计算得到的模型拱理论值及实桥主拱圈理论值进行对比,结果表明:模型拱和实桥主拱圈外包混凝土在施工阶段的应力变化趋势基本相同,最大绝对误差在2 MPa以内,模型拱应力实测值和理论值也吻合较好,缩尺模型试验方案设计合理。

基于点云切片算法的铁路钢桁拱桥线形分析

铁路桥梁线形测量对于桥梁健康检测与确保铁路安全运营具有重要作用。为提高运营铁路钢桁拱桥线形测量效率,以某3跨钢桁拱桥为例,运用地面激光扫描(TLS)技术对桥梁杆件进行整体化扫描,从桥梁线形测量精度、扫描完整性、点云个数等3方面,分析出最佳的桥梁扫描测站数为10个。运用3DNDT点云配准算法将各测站一一配准,桥梁点云配准精度为2 mm,将桥梁点云投影至xoy平面,用半径滤波器进行噪声点的去除,得到完整“纯净”的桥梁点云模型。提出点云等距切片与点云平面切片算法提取桥梁线形,并将线形点云数据导出在AutoCAD中拾取坐标。将点云切片法提取的TLS测量值、全站仪法测量结果与原始成桥线形做比较分析,结果表明:在桥面线形分析中,两方法均在跨中处A5点测量出最大变形,分别为12.69 mm、10.29 mm,两方法的最大相互较差R为2.4 mm,相关系数优于99.93%;在拱轴线线形分析中,点云切片法与全站仪法在主桁上弦跨中B4点位测量的最大变形为6.2 mm、3.9 mm,在主桁下弦跨中B10点位测量的最大变形为5.9 mm、3.5 mm,两方法的最大互相较差R为3.2 mm,相关系数优于99.87%,验证了点云切片算法的有效性与TLS测量的高精度性。拱轴线横向线形未出现明显侧移,点云等距切片得到的19个吊杆垂直度保持良好,未发生扭转与偏移。该成果对于运营铁路钢桁拱桥的线形分析与点云处理方法可提供相应的思路和参考,具有重要的实用价值。

钢筋混凝土拱桥主拱圈加固方式及效果研究

目的 寻求钢筋混凝土拱桥主拱圈最佳加固方式,以改善加固效果,给同类危旧拱桥加固提供参考。方法 基于某实际加固桥例提出3种不同卸载方式的加固改造方案,采用Midas civil软件建立有限元模型,分析不同加固方式的影响规律;对原拱圈初始应力水平、施工阶段内力、成桥状态下应力、内力及挠度进行分析;利用加固层最大应力比、荷载置换率和挠度变化率对加固效果进行评价。结果 方案三的加固层最大应力比分别比方案一、二大45.12%与52.74%,荷载置换效果最显著,最大值达3.82,挠度变化率最大。结论 选择拱上建筑拆除得越多的方式进行加固,加固效果越好;对钢筋混凝土拱桥进行加固时,应基于加固方式制定加固施工方案,同时需考虑施工工期与加固成本。

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。

基于准静态应变影响线的拱桥吊杆损伤识别及评估

为解决拱桥吊杆损伤的精确识别难题,建立了一种下承式系杆拱桥简化力学模型,并通过力法推导得到了下承式系杆拱桥吊杆应变影响线解析式,据此提出了一种基于下承式系杆拱桥吊杆准静态应变影响线指标的损伤识别方法。借助有限元法验证了该方法对于常规吊杆数目拱桥的适用性,并利用有限元模型算例研究了测试噪声、损伤位置、损伤程度、损伤类别对损伤评估结果的影响,提出了科学的车辆加载实施方案。研究结果表明:在10%的测试噪声内,准静态应变影响线差值曲率法能精准定位拱桥吊杆的局部损伤位置,并可定量评估其损伤程度,在系梁、风撑、拱肋等其他结构损伤时,该方法仍具有良好的识别效果。

吊杆断裂破坏安全极限状态下中、下承式拱桥悬吊桥面系简化计算方法

为简化吊杆断裂后中、下承式拱桥剩余结构动力响应的计算方法,提出悬吊桥面系强健性设计破坏安全极限状态,开展了大比例缩尺模型试验,采用ANSYS/LS-DYNA建立不考虑拱肋的悬吊桥面系结构有限元模型,提出弹性支撑悬吊桥面系简化计算模型,并采用五弯矩普通方程式,对弹性支撑悬吊桥面系计算长度进行简化,推导得到了悬吊桥面系简化计算方法;构建18种不同跨径标准拱桥的分析结果验证简化计算方法精度。研究结果表明:破坏安全极限状态恒载γG和活载γQ分项系数分别为1.2和0.9,1车道、2车道、3车道及以上的荷载横向分布系数分别取1.0、0.75和0.52,钢筋和钢结构强度分别取1.25倍和1.05屈服强度、其他材料强度取标准值;不考虑拱肋的悬吊桥面系结构有限元简化计算模型最大正误差仅为11.7%;建议短吊杆、次短吊杆以及长吊杆断裂工况下弹性支撑连续梁模型计算长度分别取D+2L、D+3L和4L,其偏差率分别为2.89%、2.40%、3.66%。吊杆断裂破坏安全极限状态下中、下承式拱桥悬吊桥面系简化计算方法的最大正误差分别为11.4%和10.1%,计算结果具有良好的精度且偏于安全。

高震区大跨度上承式CFST拱桥桥面系分联和约束体系研究

为研究高震区的上承式钢管混凝土拱桥合理的桥面系分联和约束体系,以一座净跨径400 m的公路桥梁为例,采用非线性时程分析方法,对不同分联的桥面系和支座体系下的结构响应进行对比分析。结果表明:1联桥面系显著降低了联端位移及交界墩弯矩,且立柱弯矩均匀;钢支座体系拱顶段和联端剪切力显著增大,交界墩及立柱弯矩较大且分布不均匀;高阻尼橡胶支座体系交界墩及立柱弯矩均显著减小且分布趋于均匀。当采用1联桥面系和高阻尼橡胶支座约束体系时,立柱、支座和交界墩受力协同度高,各构件内力的均值和标准差的差距均显著减小,说明该结构设计的合理性。

基于响应面法的钢管混凝土系杆拱桥有限元模型修正

为探讨将钢管混凝土系杆拱桥有限元模型修正方法应用于实际工程性能评估的有效性,以某80 m单拱面钢管混凝土系杆拱桥为工程背景,采用Midas Civil与ANSYS有限元软件分别建立全桥梁格模型与拱脚精细化数值模型,基于径向基函数网络的响应面法对此多尺度模型进行修正。首先根据结构特点和实桥试验选取修正参数与目标函数,以中心复合试验设计构造不同修正水平下的修正参数样本,通过桥梁有限元模型计算得到对应的目标函数样本,并利用F检验法对修正参数的显著性水平进行判断;然后,以修正参数样本与目标函数样本分别作为响应面的输入输出,对径向基函数网络进行拟合训练;最后在修正范围内随机生成修正参数样本,并利用训练好的径向基网络预测对应的目标函数,采用期望度函数D进行优化处理以完成有限元模型的修正。研究结果表明:对于单拱面钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型,可以通过径向基函数网络的响应面法进行修正,对比实测数据,修正后的模型误差有明显下降,可作为结构再分析的基准模型;对于使用不同程序建立的多尺度桥梁有限元模型,模型修正方法依旧有效,修正后的参数具有明确的物理意义,其误差可降到工程实践接受范围之内。研究结果为建立与修正钢管混凝土系杆拱桥的有限元模型提供参考。

考虑高阶振型效应的大跨度钢桁拱桥瑞利阻尼参数取值研究

为了解高阶振型效应对大跨度钢桁拱桥地震反应的影响机制,以及在采用直接积分法时构建合适的瑞利阻尼矩阵,以某490 m跨径钢桁拱桥为背景,采用SAP 2000软件建立全桥弹性动力计算模型。针对主拱圈上(下)弦杆轴力、弯矩,研究振型参与质量最大的7阶(第1、4、8、11、13、23、49阶)振型反应与总反应的占比关系,并对构建瑞利阻尼矩阵的特征频率选取方法展开研究。结果表明:主拱圈上、下弦杆拱脚区域的轴力主要由1阶振型(第1阶)控制,由拱脚向拱顶过渡,逐渐转变为由2~4阶振型控制,高阶振型效应显著;同一阶振型对主拱圈上、下弦杆轴力贡献率及分布规律的影响不同;对于复杂钢桁拱桥,采用振动方向上振型参与质量较大的2阶振型特征频率构建瑞利阻尼矩阵可能因高估了高阶振型阻尼比,导致除拱脚区域以外的拱圈弦杆杆件轴力计算结果偏小,结构偏于不安全;采用直接积分法对复杂钢桁拱桥进行地震反应分析时,建议选取多阶控制振型构建相应的瑞利阻尼工况,并对其计算结果取包络用于抗震设计。

斜拉扣挂悬臂浇筑拱桥扣索力与锚索力确定方法研究

为解决钢筋混凝土拱桥拱圈悬臂浇筑施工过程中,由悬浇节段自重和挂篮重引起的部分拱圈截面拉应力与塔架偏位过大的问题,提出扣索力与锚索力确定方法。该方法基于应力叠加原理和影响矩阵确定扣索力,给出当拱圈截面拉应力不满足要求时的扣索拆除判定方法;提出通过锚索力修正系数主动调控扣索力与锚索力,使塔架产生与拱圈悬浇阶段数值接近、方向相反的偏位,给出能同时满足拱圈应力、塔架偏位和成拱线形要求的扣索力与锚索力的计算流程。以净跨径180 m的混凝土拱桥——毕节白甫河管桥为背景,开展扣索力、锚索力以及锚索力修正系数的计算,对扣索力、锚索力、拱圈应力、成拱线形和两岸塔架偏位的计算值和实测值进行对比验证。结果表明:利用所提方法得到的扣索力、锚索力与实际张拉力最大相差6.02%,该桥施工时,依次拆除5组扣索,使拱圈截面拉应力均满足设计要求;塔架偏位实测最大值为3.3 cm,满足小于最大容许偏位4.0 cm的要求;拱圈截面实测最大拉应力为1.74 MPa,满足小于1.8 MPa的拉应力设计要求,成拱线形与裸拱线形最大偏差为0.5 cm,拱圈线形良好,验证了所提方法的可行性。

高烈度震区大跨径中承式钢箱系杆拱桥减隔震技术研究

为了研究高强度地震作用下大跨径中承式钢箱系杆拱桥地震响应及减隔震技术,以西双版纳黎明大桥为工程背景,选取类似场地的实际地震动记录作为输入地震波,采用非线性时程分析法,研究支座类型及参数变化对拱桥结构的减隔震效果。结果表明:相比于普通支座,减隔震支座能大幅降低结构内力,但纵向位移有所增加,且摩擦摆支座的减隔震效果要强于铅芯橡胶支座;摩擦摆支座+黏滞阻尼器联合抗震体系能够有效降低纵向和横向位移,进一步能提升桥梁的抗震性能;对联合抗震体系进行参数敏感性分析可知:最佳的参数范围是:摩擦因数为0.04,曲率半径在3 200~4 200 mm,阻尼系数为6 000,阻尼指数在0.2~0.4;在最优抗震体系下,结构位移和内力均显著降低,最大减震率分别达到了75.3%和82.3%,表明该体系大幅提高了拱桥抵抗地震的能力,为同类桥梁减隔震设计提供参考。