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。

钢筋混凝土薄壁空心高墩塑性铰长度计算方法

针对我国现行抗震设计规范尚未明确给出钢筋混凝土(RC)薄壁空心高墩塑性铰长度计算方法的问题,首先收集整理了既有RC桥墩塑性铰长度计算方法以及试验数据,分析影响塑性铰计算长度的主要因素;同时对实际桥梁工程采用的RC薄壁空心墩构造参数进行统计归纳.在验证有限元建模方法准确性后,采用ABAQUS软件建立了高度为40~120 m的8种典型RC薄壁空心高墩的精细化有限元模型,并开展非线性推覆分析,得到不同高度桥墩的等效塑性铰长度.最后讨论不同塑性铰长度计算方法的适用性,发现Eurocode 8规范的计算公式精度最高,可用于计算RC薄壁空心高墩的塑性铰长度.

预应力CFRP平板式锚具优化设计与应用

针对平板式锚具存在需在混凝土表面开槽、有效行程短、不可重复利用等问题,开展了平板式锚具优化设计与应用研究,提出了一种无须在结构基面设置扣槽,占用空间小、碳纤维增强材料(CFRP)板有效利用长度更长,轻质高强、可重复利用的预应力CFRP平板式锚具。有限元分析表明:在计算荷载作用下,锚具性能满足预应力CFRP加固需要,锚固支座、锚板和锚栓最大应力值分别为133、76、94 MPa,总体应力分布均匀,均小于其屈服强度,最大变形值为0.056、0.024、0.028 mm,保证锚具不先于结构破坏。随着锚栓直径与锚板厚度增大,锚具内部应力与变形均有所改善,其中锚栓直径变化对锚栓与锚板接触部分受力影响较大;锚板厚度对混凝土表面与锚栓接触部分受力影响较大,故建议锚栓直径为18 mm,锚板厚度为20 mm。实际工程应用表明该锚具使用效果良好。

界面焊接环向钢筋的钢管混凝土叠合柱抗剪性能研究

为研究界面焊接环向钢筋的钢管混凝土叠合柱的抗剪性能,以环向钢筋的布置间距和直径为研究参数,对6根叠合柱试件进行了横向剪切静力试验和数值模拟,分析了各参数对试件的破坏过程、破坏形态、荷载-跨中挠度曲线以及抗剪承载力的影响规律。研究结果表明:界面环向钢筋布置方案不同的叠合柱试件破坏形态基本相同,均发生斜压破坏;试件的受力过程可划分为弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段和破坏阶段四个阶段;随着界面环向钢筋布置间距的减小,试件的抗剪承载力提高显著,最大增幅达22%;增大界面环向钢筋的直径可提高试件的抗剪承载力,但作用效果有限,最大增幅仅为6.1%。通过试验数据对有限元模型的有效性进行验证,并进一步分析了不同阶段有限元模型的应力状态,明确了此类叠合柱的受剪机理。

路面平整度PSD和IRI评价方法比较

为了分析路面平整度功率谱法(PSD)和国际平整度指数法(IRI)之间的关系,采用AR模型模拟满足路面平整度功率谱的路面不平整状态,采用Newmarkβ法计算国际平整度指数,采用最小二乘法得到了PSD法与IRI法之间的关系方程式。研究结果表明:IRI值与路面平度系数的关系为幂函数式,为了与《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)所规定的IRI值相对应,建议在《公路养护技术规范》(JTJ073-96)的路面平整度评定等级中增加"极优"项目。

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。

新西海桥的振动特性及舒适性评价研究

以日本首座公路钢管混凝土拱桥——新西海桥为对象,进行该桥的自由振动特性分析,采用考虑路面不平整的桥梁与车辆相互作用力学模型,分析了在移动车辆作用下该桥的动力特性,包括冲击系数和舒适度评价。研究结果表明,在移动车辆作用下钢管混凝土拱桥主跨的拱肋和桥面冲击系数都较小,钢管混凝土拱肋的振动小于主桥桥面的振动。从振动舒适性的观点看,采用纵横梁格构桥道体系的新西海桥在车辆荷载作用下拱肋、桥面和人行桥均满足舒适性要求,具有较好的行车性能。

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。

下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥吊杆断裂动力分析

以一座下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥为研究对象,采用ANSYS/LS-DYNA软件建立有限元模型,通过接触碰撞的方式进行吊杆断裂的模拟,分析吊杆断裂前后拱桥各结构构件受力状态的变化,判断结构可能发生的破坏形态。分析结果表明,吊杆断裂过程中吊杆、钢管混凝土拱肋和桥道系均会受到断索冲击的作用;与断裂吊杆相邻的吊杆受到断索冲击的作用最大,其轴力变化量为初始轴力的3倍以上,需要考虑由于吊杆断裂过程中产生的大于静力响应的动力作用;吊杆断裂对主梁产生的影响远大于拱肋,拱肋内力变化较小;由于横梁两侧与纵梁连接处焊缝强度不足发生破坏可能导致桥道系局部坍塌。

墩梁半刚性连接的钢-混组合梁整体桥设计

湖州北刘屋桥为墩梁半刚性连接的钢-混组合梁整体桥,桥长38.2m,桥宽12.14m,跨径布置为(0.5+12+0.6+12+0.6+12+0.5)m。该桥主梁采用耐候工字钢和现浇混凝土桥面板组成的钢-混组合梁;在主梁与盖梁之间设置橡胶衬垫以适应主梁的弯曲变形;在盖梁中设置外包橡胶套的钢棒,并与端横梁现浇成整体,形成墩梁半刚接并取消墩上支座;采用整体式桥台去除伸缩缝,实现全桥无伸缩缝和支座。采用MIDAS Civil软件建立该桥有限元模型,分析其受力性能,结果表明:恒载作用下,采用整体式桥台,能更有效地发挥混凝土桥面板和钢梁各自的材料性能;桥墩位置无论采用墩梁铰接还是墩梁半刚接,均不影响整体桥主梁应力分布;温度荷载作用下,墩梁半刚接整体桥与墩梁铰接整体桥在墩顶位置处的应力分布有所不同。

钢管混凝土箱形叠合超高墩设计与静力性能分析

为了解钢管混凝土箱形叠合超高墩的设计理念和结构静力性能,以金阳河特大桥为背景,分析该类桥墩各部分作用和受力特性,并开展静力性能研究。该类桥墩内部的钢管混凝土格构柱为主要受力结构,并作为外包钢筋混凝土施工的劲性骨架;各柱肢钢管外包薄层钢筋混凝土以提高桥墩承载力;连接各柱肢的钢筋混凝土腹板参与抗剪。采用MIDAS Civil软件分析对比钢管混凝土箱形叠合超高墩和钢筋混凝土薄壁空心超高墩的静力性能。结果表明:最大悬臂施工阶段和成桥阶段,钢管混凝土箱形叠合超高墩的一阶弹性稳定系数大于钢筋混凝土薄壁空心超高墩;从墩顶向墩底分段增大钢管管径和壁厚,可使钢管和外包混凝土应力沿墩高方向不变;外包混凝土应力远小于钢筋混凝土薄壁空心超高墩,可采用较薄的低强度混凝土。

泉州晋江大桥动力性能分析

以一座墩塔梁固结体系的独塔预应力混凝土斜拉宽桥——福建泉州晋江大桥为对象,根据实桥环境脉动试验和空间杆系有限元模型进行了主梁-主塔基本动力性能分析;采用振动法进行了斜拉索的固有频率和索力测试,并进行了拉索安全性能评价;根据实桥车辆强迫振动试验和考虑了路面平整度的桥梁与车辆相互作用的计算模型,分析了在移动车辆荷载作用下桥梁的动力特性,包括振动加速度计算和舒适性评价。研究结果表明,采用墩塔梁固结体系的晋江大桥面内振动频率较高,主跨或边跨均出现相互独立或影响较小的振动模态;斜拉索索力分布均匀,安全系数符合规范规定;在移动车辆荷载作用下,主梁竖向振动加速度较小,在设计行车速度下可保持较好的行车舒适性。

塔桅结构的斜索面内固有振动计算的修正Irvine方程

针对Irvine方程计算斜索面内固有振动的不足之处,在推导出整体割线坐标下斜拉索的动力平衡方程式的基础上求得了能简单计算斜索固有振动特性的修正Irvine方程。通过与用Galerkin法得到的精确解进行的对比表明,利用该修正方程能较准确地计算出斜拉索的面内固有振动频率和固有振型。

新西海桥的非线性地震响应分析

本文讨论了日本第一座公路钢管混凝土拱桥——主跨230m的新西海桥的非线性地震响应特性。采用三维有限元计算模型,用纤维单元法考虑钢管混凝土的材料非线性,用P-δ效应考虑几何非线性,讨论了在纵桥向地震作用、横桥向地震作用以及纵、横桥两方向同时作用情况下该桥的非线性地震响应特性和抗震性能。计算表明,在纵桥向地震作用时轴力的作用显著,拱脚附近产生的内力较大;而横桥向地震作用时轴力和面外弯矩作用显著,拱脚以及拱肋与桥面连接附近产生的内力较大;横向地震响应远大于纵向地震响应;应考虑纵、横桥向地震力共同作用的影响。

阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能研究

为研究阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型(CFST KS)节点疲劳性能,进行CFST KS节点和不布设内栓钉的钢管混凝土K型节点(CFST K)足尺模型的疲劳试验和有限元研究,对比分析了2种节点的热点应力分布、疲劳裂纹扩展过程和疲劳破坏模式,研究了内栓钉布设区域与排布方式对热点应力的影响,采用基于热点应力的S-N曲线探讨疲劳寿命的判定标准与疲劳寿命评价方法。结果表明:CFST KS节点的热点应力宜采用3点外插法计算,最大热点应力位于冠点处;CFST KS节点的疲劳性能演化过程可以分为疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏三个阶段,CFST KS节点较CFST K节点在裂纹扩展阶段荷载反复次数更高,在裂纹破坏阶段疲劳裂纹的扩展速率更低,由于布设了内栓钉,疲劳裂纹扩展至鞍点附近后不再继续沿着相贯线方向扩展,而往主管环向且与主管轴线呈一定角度发展;建议采用CFST K节点冠点应变峰值变化15%对应的荷载反复次数作为疲劳破坏的判定基准;提出了基于热点应力的CFST K节点疲劳设计S-N曲线,并依据S-N曲线预测在同等热点应力幅下,布设内栓钉可以使CFST K节点的疲劳寿命提高45%;减少支管侧内栓钉的轴向间距和径向间距可以提高节点的疲劳性能,非支管侧的栓钉布置、栓钉的尺寸以及栓钉的轴向布置范围对疲劳性能的影响较小,栓钉的轴向布置范围对栓钉自身的受力状态有所影响;基于CFST KS节点静力与疲劳性能提出了内栓钉的合理布置形式。

多肢钢管-钢管混凝土复合主塔钢混结合段受力性能分析

某部分斜拉桥的异型主塔采用多肢钢管-钢管混凝土复合结构,在其塔底钢混结合段5根钢管混凝土塔柱相贯焊接在钢筋混凝土塔座的加劲板上,结构十分复杂。为分析钢混结合段的受力性能,利用通用有限元软件ABAQUS建立精细化三维实体有限元模型,并充分考虑结构复杂的空间几何形状、网格划分精度材料非线性、部件之间的接触关系以及边界条件等问题。最不利荷载工况下的荷载分析结果表明:钢混结合段整体受力较为均衡,变形连续协调;塔柱钢管应力均小于屈服强度,中塔柱与次塔柱相贯处出现较为明显的应力集中现象,管内混凝土局部出现较大的拉应力;管底钢板和加劲板的应力由边缘至中心逐渐增加,最大应力点均位于中塔柱和次塔柱交界处;混凝土塔座未出现开裂或压碎现象,但与管底钢板和加劲板相交处易出现应力集中现象。研究结果可为其他相似工程中钢混结合段的设计与施工提供参考。

蒸汽养生下预制箱梁预应力张拉控制条件研究

为缩短预制周期提高施工效率,结合相关规范及设计要求提出蒸汽养生条件下预制箱梁的预应力张拉条件。以实际工程4片箱梁为研究对象,通过对蒸汽养生条件下梁体预应力张拉后有效预应力连续测试,得到同龄期下预制梁跨中上拱度相对变化量以及混凝土抗压强度和弹性模量的测试结果。结果表明:蒸汽养生条件下预应力箱梁混凝土的抗压强度和弹性模量在龄期为40 h时达到设计值要求的90%,预应力损失在龄期5 d后基本趋于稳定,龄期9 d内跨中累计上拱度在1 mm以内,验证了蒸汽养生条件下预制梁混凝土抗压强度和弹性模量均达到设计值要求的90%及以上可一次性预应力张拉的合理性,为工程推广提供数据支撑。

考虑吊杆断裂过程的下承式钢管混凝土拱桥动力分析

收集并分析62座下承式钢管混凝土(CFST)拱桥的主要参数,构建6种不同跨径的下承式CFST标准拱桥.采用MSC.Marc有限元软件模拟缩尺试验模型吊杆断裂的全过程,讨论动力系数计算方法及其取值.确定6种不同跨径下承式CFST标准拱桥在短吊杆、次短吊杆及长吊杆分别断裂时剩余吊杆及加劲纵梁的动力系数取值.研究结果表明:采用有限元软件MSC.Marc模拟下承式CFST拱桥吊杆断裂,最大误差仅为11.25%.各吊杆分别断裂时,拱肋和加劲纵梁各截面均为断裂吊杆所对应位置动力响应最大;剩余吊杆为断裂吊杆的相邻吊杆动力响应最大.下承式CFST拱桥剩余吊杆和加劲纵梁动力系数取值分别为1.75和1.80时,采用静力法计算结果与动力计算最大值基本一致,且计算结果偏于安全.

考虑吊杆断裂的拱梁组合桥动力响应分析

针对拱梁组合桥吊杆断裂动力响应问题,建立一种考虑吊杆断裂作用的拱梁组合桥等效静力计算方法.通过构建具有代表性的标准拱梁组合桥,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行吊杆断裂冲击作用下拱梁组合桥动力分析.分析结果显示,拱梁组合桥的长、短吊杆断裂,对剩余吊杆与系梁的影响较大,对拱肋的影响较小;短吊杆对剩余吊杆应力的影响程度更大,长吊杆对系梁的动力响应影响更大.采用考虑吊杆断裂作用的等效静力法计算拱梁组合桥动力响应时,短吊杆断裂时动力系数可偏安全地取为0.8,长吊杆断裂时动力系数根据跨径按公式取值.

钢管混凝土拱桥强健性设计

为解决中、下承式钢管混凝土拱桥桥面系强健性不足的问题,从概念设计和结构设计的角度提出强健性设计的要点。总结结构强健性的概念及其在桥梁工程中的应用,按严重程度将拱桥断索事故分为三级,据此提出吊杆不破断、桥面系在吊杆破断时不落梁的强健性设计要求。基于强健性将不同结构的桥面系分为五类,在此基础上对桥梁主结构的强健性设计提出建议:对于吊杆,应进行强健性设计对应的破坏安全极限状态设计计算;对于第四类桥面系,其加劲纵梁需要具备足够的刚度与承载力;对于刚架系杆拱,应加强系杆的强健性设计,并应使下部结构具有足够的抗水平推力的安全储备。