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。

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。

地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁行车安全性分析

为研究地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的行车安全性,以干海子特大桥为研究对象,建立考虑地震作用的车桥耦合振动方程,并将计算方法添加到基于梁单元的双重非线性有限元程序NL_Beam3D中,实现地震作用下车桥系统相互作用的耦合计算。考虑车辆倾覆指标和桥梁横向变形的影响,进行行车安全性分析。结果表明:有限元计算得到的基频和不同车速下最大动挠度与实桥荷载试验得到的结果接近;与已有振动台试验结果相比,位移时程曲线形状吻合,位移幅值满足相似比关系,验证了计算模型和方法的有效性。柔性高墩轻型桥梁对地震波有滤波效应,地震波传至桥梁时强度明显减弱;最不利的重型货车的倾覆指标阈值大于E1多遇地震时的桥面最大横向加速度,即不存在车辆侧倾现象;墩顶位移满足设计要求,干海子特大桥行车安全性能良好。部分墩顶横向位移在地面峰值加速度达到1. 6倍E1多遇地震动时,将超过《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》给出的限值。桥面最大加速度在地面峰值加速度为2倍E1多遇地震动时,倾覆指标阈值小于桥面最大横向加速度,重型货车存在倾覆可能;对应的桥墩墩顶最大横向位移与墩高比例系数达1/198,大于指南限值1/300,说明该指南对桥墩墩顶位移限值规定相对比较保守。

钢管混凝土拱梁组合桥整体架设施工受力性能分析

针对钢管混凝土拱梁组合桥在整体架设过程中,钢系梁稳定性差、混凝土系梁需配置较多预应力钢束的缺点,提出采用钢管劲性骨架系梁的整体架设施工方法。为研究钢管劲性骨架系梁在施工过程中对拱梁组合桥各主要构件的内力分配影响效果,以某公路下承式钢管混凝土拱梁组合桥为背景,采用MIDAS Civil和Abaqus软件分别建立实际桥梁的整体杆系有限元模型和拱脚结点实体有限元模型,对施工阶段各主要构件进行受力性能分析。结果表明:通过分批张拉钢管劲性骨架中的系杆,可以减小各施工阶段钢管劲性骨架的钢管应力;钢管劲性骨架可以有效分担施工过程中的拱肋应力,使拱肋和钢管劲性骨架受力均匀;拱脚结点以纵向受压为主;拱肋受力均匀,稳定计算满足要求;靠近拱脚的吊杆应力稍大于跨中的吊杆应力,吊杆应力满足要求。

钢管混凝土箱形叠合墩振动台试验研究

以腊八斤特大桥11号主墩为原型,进行几何缩尺比例为1∶9.43的钢管混凝土(CFST)箱形叠合墩模型振动台试验,并结合空间杆系非线性有限元分析,开展强震作用下CFST箱形叠合墩的地震响应特性和地震破坏机理研究。结果表明:E2设计地震动作用下,缩尺模型和原型桥墩墩底塑性铰截面大部分处于受压状态,墩身表面未发现裂缝,结构处于弹性工作状态;地震动特性对CFST箱形叠合墩的地震响应有显著影响,9条经典地震波(PGA=0.05 g)中,Wenchuan-NS地震波作用下墩顶加速度响应和位移响应均达到最大,分别为最小地震响应工况的1.8倍和5.4倍;随着Wenchuan-NS地震波强度按照0.05 g的增量逐级增大,墩顶加速度响应和墩顶位移响应基本呈线性增加,且加速度动力放大系数基本保持在6左右;采用基于纤维梁柱单元的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,进一步开展的非线性时程分析可知,PGA=0.30 g时墩底潜在塑性铰区域外包混凝土受拉侧发生开裂,在PGA=0.75 g时受拉侧钢管开始屈服;与单向地震作用相比,双向地震作用下墩顶位移响应峰值增大约6%,墩底截面最大内力响应增大约4%,说明双向地震同时作用对CFST箱形叠合墩地震响应的影响较小,在进行CFST箱形叠合墩的地震反应分析时,可沿顺桥向和横桥向分别输入水平地震动。

钢混组合梁半整体桥设计与施工

以钢混组合梁半整体桥为研究对象,分析其结构体系和构造形式,进而介绍我国钢混组合梁半整体桥的设计与施工.采用半整体悬挂式桥台和混凝土桩,上部结构采用耐候工字钢-混凝土板组成的组合梁,结构简支、桥面连续,全桥取消伸缩缝与伸缩装置.成桥监测表明,其纵向变形很小,可在中小跨径钢混组合梁无缝桥建设中推广.

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。

钢管混凝土扇形组合塔部分斜拉桥传力机理研究

位于福建平潭的安海澳大桥是一座主跨150 m的三跨部分斜拉桥,设计方案在国内外首次采用了由5片钢管混凝土拱形塔柱和弧形钢管拼装成的扇形组合桥塔.为研究此类异型主塔部分斜拉桥的空间传力机理,制作了1∶25缩尺的全桥试验模型,进行了静力加载试验,并结合实桥空间有限元分析结果,探讨了各单项荷载作用下主塔、主梁和拉索的受力状态和传力机理.研究结果表明:钢管混凝土扇形组合塔通过拉索承担约10%的汽车荷载作用,主塔与主梁的活载分配比例维持在1∶9;与连续梁桥相比,汽车荷载作用下部分斜拉桥的主梁最大应变和跨中挠度可减少约10%;随着荷载等级增至2.0倍等效车道荷载,主梁挠度、主梁应变、拉索索力增量和主塔塔柱应变的变化趋势基本一致,均呈线性变化.汽车荷载或基础沉降作用下,此类扇形组合塔的中塔柱和次塔柱整体应力水平较高,承担拉索传递的大部分荷载,中塔柱、次塔柱、边塔柱各自承担的荷载比例约为10∶10∶1;塔柱曲线段与直线段的顺接点处截面和塔柱底部截面的钢管受力最大.相比汽车荷载与基础沉降作用,钢管混凝土扇形组合塔对温度作用比较敏感,各塔柱整体应力水平相当,塔柱顶部截面钢管受力最大.

墩梁半刚性连接节点受力性能与计算方法研究

提出一种不传递弯矩的墩梁半刚性连接节点,开展12个分别考虑不同影响参数的足尺节点模型拟静力试验,对比研究节点传力机理,分析刚度变化规律;采用验证后的有限元模型开展主要影响参数扩展分析,通过数值拟合方法,建立考虑半刚性节点剪切刚度和抗弯刚度计算方法。结果表明:水平荷载作用下,节点先平动再转动,该构造能利用钢棒的弯曲能力和橡胶套的压缩能力来实现桥梁上、下部结构连接处的半刚接性能。橡胶套厚度与钢棒直径是影响半刚性连接节点剪切刚度和抗弯刚度的主要因素,同时钢棒的根数与节点剪切刚度和抗弯刚度成近线性倍数关系,钢棒高度和橡胶垫厚度对节点受力性能的影响可以忽略不计。随着钢棒直径增大,半刚性节点平动位移逐渐减小,剪切刚度和抗弯刚度呈非线性递增关系。随着橡胶套厚度增大,半刚性节点平动位移逐渐增大,剪切刚度和抗弯刚度呈非线性递减关系。考虑钢棒直径和橡胶套厚度双参数变化的刚度计算公式,可用于墩梁半刚性连接节点设计。

钢管混凝土桁梁—格构墩轻型桥梁车振性能分析

为研究钢管混凝土组合桁梁—格构墩轻型桥梁在车辆荷载作用下的响应特性,以干海子特大桥为研究对象,采用考虑路面不平整的桥梁与车辆相互作用力学模型,对轻型桥梁的恒活载作用比例、基本动力特性以及移动车辆作用下的动力性能进行分析,并对冲击系数和行车舒适性进行讨论。研究结果表明,采用双轴车辆模型可较保守地评价轻型桥梁的动力特性,其动力响应随着车速增大而增加;移动车辆作用下,干海子特大桥主要产生竖向与横向振动,其卓越频率分别为2.501 Hz与0.275 Hz,多车作用下的动力响应远大于单车作用;干海子特大桥活载作用比例较常规钢筋混凝土桥梁有较大幅度增加;数值计算得到的干海子特大桥冲击系数略低于按规范计算得到的结果;建议采用Sperling指标和小堀·梶川指标进行干海子特大桥的行车舒适度评价。

某过江提水工程160m三角桁式拱管桥设计分析

为协调跨江管道桥兼具景观、通航等需求,某过江提水工程管道桥采用截面为正三角形三肢钢管桁架结构,一跨过江。全桥计算跨径160 m,矢高25 m,矢跨比1/6.4,拱肋截面采用3根Ф1000 mm钢管组成,壁厚24 mm。弦杆间的连接腹杆钢管外径均为400 mm,壁厚16 mm。在拱脚4 m范围内采用外包混凝土形式,钢管外20 cm等间距布置剪力钉,并配抗裂钢筋,厚度450 mm。拱座采用圬工混凝土扩大基础,拱座基础以中风化基岩为持力层。采用空间有限元程序MIDAS/Civil对拱管桥进行计算,结果表明,主拱结构强度、稳定性,K型节点和焊缝强度,基础抗滑、抗倾覆计算均满足规范要求。目前,拱管桥运营状况良好,达到预期目标,可为今后过江管道桥设计提供参考。

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁振动台阵试验研究

为了研究钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的抗震性能,以干海子大桥为原型,设计制作了几何缩尺比例1∶8的两跨钢管混凝土组合桁梁-格构墩试验模型,利用福州大学地震模拟振动台台阵系统,采用实桥的设计地震波,进行了该轻型桥梁的基本动力特性试验、抗震性能试验及破坏特性研究。结果表明,模型实测频率和位移与实桥满足相似比关系;在横向或纵向地震作用下,桥墩格构式区域加速度放大效应明显,减小了主梁混凝土顶板的加速度响应;相同强度下,横桥向地震作用桥墩应变大于纵桥向地震作用,同时可以不考虑纵、横向地震力共同作用。在设计地震动作用下,墩顶位移满足位移限值的规定;模型未出现开裂和破坏现象,表明钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁具有良好的抗震性能。

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁非线性地震响应分析

以干海子大桥第二联为原型,建立基于纤维单元的三维有限元简化模型,分析该钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁在地震作用下的响应特性,讨论进入非线性后桥墩屈服顺序和内力重分布效应。通过与精细有限元模型、实桥测试、振动台试验比较验证了该文建立的简化单梁计算模型的正确性。以桥墩柱肢钢管边缘应变为判断标准,确定了水平最不利地震动输入方向为两端支座连线的法线方向,同时需要考虑竖向地震动的影响。通过地震响应分析表明,在设计地震动下桥梁处于弹性状态;进入塑性后,格构墩和复合墩以面内受力为主,轴力增幅小于地震动增幅,墩顶位移增幅大于地震动增幅;复合高墩面内弯矩增幅大于矮墩,有利于全桥的抗震。