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。

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。

铁路空心高墩弹塑性地震反应特征

以某铁路高墩大跨简支梁桥的矩形空心截面桥墩为研究对象,构建了4种墩高的计算模型。考虑了纵筋、分段配筋、加强筋截断位置及加强筋设置数量等因素,采用OpenSees软件建立单墩计算模型进行了增量动力分析,总结了铁路高墩弹塑性地震反应特征,对抗震设计提出了建议。结果表明:纵筋配筋率在0.63%~0.89%条件下,当墩高小于42.0 m且纵筋通长布置时,空心墩底截面为薄弱部位;当墩高大于67.0 m且纵筋分段配筋时,则空心墩底截面、纵筋截断处截面以及墩中某一截面均可能为薄弱部位,但空心墩底截面均为首先出现塑性铰的区域;墩中塑性铰需要较大地震动激励才可能产生,纵筋配筋方式的选择应考虑地震动峰值加速度的影响;增加墩底加强纵筋数量总体上对降低墩底截面的塑性程度是有利的,但强震作用下未必能提高桥墩整体的抗震性能;对于高墩,当墩身出现两个或多个塑性铰区时,建议采用曲率延性系数作为评价指标。

钢管混凝土劲性骨架拱桥施工工艺多维度分析

拱圈外包混凝土浇筑过程是主拱圈施工中最重要的环节,第一环外包混凝土浇筑过程是其中操作难度最大、风险性最高、耗时较长的一道工序。为了更好地解决大跨度桥梁建设过程中所遇到的浇筑难题,依托渔塘特大桥提出了一种带混凝土底板同步预制吊装施工新工艺,并基于现场施工过程中遇到的难点,给出了新工艺的改进思路,可解决在空中作业时钢筋绑扎与侧模封闭困难的问题。针对施工新工艺及其改进思路,分析比较了新旧工艺对施工安全和施工环境的影响,并进一步分析比较了新旧工艺两者的工期、成本及其经济性。结果表明:采用新工艺可节约工程成本30%,缩短工期25%;且在保证施工人员安全的同时,解决了混合水下落的污染问题。

瓮马铁路乌江特大桥设计关键技术研究

新建瓮马铁路乌江特大桥跨越两山之间深谷,地形复杂、设计难度大。为研究该桥梁方案,首先阐述了主桥的方案构思和结构设计,然后通过空间有限元软件对本桥进行静、动力仿真分析,总结了大跨铁路劲性骨架混凝土拱桥构造和受力特性。结果表明:主跨337 m上承式劲性骨架混凝土拱桥具有刚度大、徐变小、后期养护维修工作量小等优点,主拱圈采用小矢跨比设计,兼顾安全、经济、环保和美观,能够满足铁路桥梁跨越山区“V”形峡谷的要求;主拱圈由劲性钢管混凝土骨架外包C55无收缩混凝土构成,通过分层分段浇筑方案改善拱圈各构件的内力;拱上结合梁采用两片工字形钢与混凝土桥面板相结合的形式,钢梁栓焊结合,便于制造、运输和施工;拱座采用梯形断面扩大基础,基础开挖永临结合,有效降低施工风险;数值分析表明该桥结构的刚度、强度、稳定性均能满足规范要求,能够满足客货共线铁路的安全性和乘坐舒适性要求。可为其他山区铁路桥梁桥式研究提供参考。

长阳天池口清江特大桥主拱圈悬臂浇筑斜拉扣挂系统设计

长阳天池口清江特大桥主桥为净跨径242 m的非对称上承式钢筋混凝土拱桥,主拱圈采用单箱单室截面,宽9.5 m、高4.0 m。资丘岸和五峰岸半跨主拱圈各分为24个和21个节段,第1个节段采用支架现浇,其余节段采用斜拉扣挂悬臂浇筑法施工。扣索采用星式和扇形组合方式布置,位于墩顶和扣塔的扣索为星式布置,位于交界墩墩身的扣索为扇形布置,并将墩身上的扣锚索设计成连续索以避免在墩身上搭设张拉平台;扣塔由8根∅800 mm×16 mm钢管组成,两岸扣塔分别高52.68 m和60.12 m;根据锚索最大索力,设计了能承受800 kN张拉力的岩锚索。建立主拱圈悬臂浇筑施工阶段MIDAS Civil有限元模型,对斜拉扣挂系统扣锚索索力进行计算,通过拆除部分扣索和调整扣锚索索力,施工期间主拱圈截面最大拉应力、扣塔最大偏位、主拱圈成拱后线形均满足要求。

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。

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。

考虑双重非线性的梁-柱结构荷载-变形预测解析方法

既有梁-柱结构的服役荷载主要形式以轴力产生的偏压荷载以及垂直于梁柱结构轴线的服役荷载为主。目前,针对细长结构压弯耦合荷载导致的稳定性问题,主要采用2种方法进行结构分析,即特征值法和荷载-挠度法。由于实际桥梁构件存在一定的几何缺陷和材料刚度退化,采用忽略非线性的特征值法会高估承载能力。以任意截面形式组成的简支梁为例,基于Ritz法,并结合能量平衡条件,分别建立了考虑几何非线性和材料非线性的简支梁-柱结构在偏压荷载和多种竖向作用耦合作用下的第二类稳定解析分析模型,并建立了不同初始缺陷的变截约束混凝土柱有限元分析模型。研究结果表明:解析模型结果与有限元结果相比较,二者吻合良好。建立的解析模型可以精确考虑双重非线性的二阶效应。

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。

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。

高烈度区长联PC连续梁桥减隔震措施分析

为了明确高烈度区长联预应力混凝土(prestressed concrete,PC)连续梁桥滑动摩擦摆式支座的减隔震性能,针对设防烈度为9度的某长联PC连续梁桥,利用CSiBridge软件建立大桥空间梁单元非线性分析模型,以普通球型钢支座地震响应为基准,对比分析铅芯橡胶支座与滑动摩擦摆式支座的减隔震性能,并对滑动摩擦摆式支座的摩擦系数和支座曲率进行参数分析。结果表明:在长联连续梁桥中,相比于铅芯橡胶支座,滑动摩擦摆式支座减隔震效果更好,固定墩内力与变形更小,全桥受力更加均匀合理;对于滑动摩擦摆式支座,摩擦系数越大,长联连续梁固定墩墩底弯矩与墩顶位移越大,摩擦系数变化20%,固定墩墩底弯矩最大值变化约1.67%,墩顶位移极值变化约1.45%;支座曲率半径对长联连续梁地震响应的减隔震性能影响较小,曲率半径增大1.5 m,固定墩墩底弯矩最大值增大约0.97%,固定墩墩顶位移增幅约为0.37%~1.39%。

几何初始缺陷与初应力对钢管混凝土拱桥的影响研究

为探讨拱圈拱轴线的几何初始缺陷和钢管初应力对拱桥结构内力与应力的影响,基于实际工程案例,建立了4个有限元模型,分为2组,一组包括2个模型,考虑了拱轴线的几何初始缺陷影响;另一组也包括2个模型,首先考虑拱轴线几何初始缺陷,然后在此基础上考虑初应力影响,进行拱桥内力和应力分析对比。结果表明:几何初始缺陷对拱圈轴力影响较小,增幅<1%,但对拱圈的弯矩和应力分布影响较明显,特别是在拱顶部分,在拱顶处弯矩减小高达91.31%,而拱脚处增加17.03%,拱脚和拱顶上缘的混凝土应力增加23.19%,下缘的混凝土应力减小51.95%;考虑初应力影响后,拱桥内力分布发生显著变化。拱脚处轴力增加65.5%,拱圈弯矩最大减小68.21%,拱圈截面上缘应力增加幅度高达113.7%。因此,实际施工阶段,必须充分考虑拱圈拱轴线几何初始缺陷影响,并根据实际施工顺序准确模拟初应力。

大跨径石拱桥动力特性分析与有限元模型修正

【目的】研究云南省开远市长虹桥动力性能及得到较为准确的有限元分析模型。【方法】通过环境激励法对长虹桥进行动力特性测试,并分析该桥实测模态参数;根据实测模态参数结果,对有限元模型中的弹性模量、泊松比等参数进行修正;基于理论与实测的模态分析结果,得出长虹桥较为准确的有限元分析模型。【结果】结果表明:石拱桥的跨中、L/4、3L/4、L/8和7L/8处的振动变形较大,在运营监控和检测时,应该在这5个位置布置测点,以便进行实时监测;在环境激励下,该桥没有产生侧向弯曲振动和竖向弯曲振动强度相当的扭转振动,说明结构具有良好的抗扭刚度;各阶阻尼比均在合理范围内。利用模态参数修正后的频率相关性从55.2%降至最低0.6%,数值计算结果与试验结果基本一致,参数依然具有物理意义,修正后的有限元模型能够较为准确地反映结构低阶动力特性。相关性最大为-2.4%,最小为0.6%,满足相关性在±5%以内,可作为桥梁后续检测工作的理论模型。【结论】长虹桥动力性能良好,修正后的有限元模型贴合实际桥梁。

考虑双重非线性的大跨度钢桁梁拱桥稳定性能评估

为评估钢桁梁拱桥稳定性能,优化结构构造,以岐江河大桥为背景,建立考虑几何与材料非线性的钢桁梁拱桥弹塑性计算模型,考察矢跨比f/L、宽跨比W/L、初始线形偏差、钢材屈服强度对钢桁梁拱桥稳定性影响,探究横撑构造与数目、横梁与横撑抗弯刚度对结构稳定性的优化效果。分析结果表明:f/L介于0.20~0.25时,钢桁梁拱桥稳定性相对优越;保持桥梁跨度不变而增加宽度能提高结构稳定性,当W/L由1/8增加至1/4时,稳定系数提高1倍;初始线形偏差明显影响结构稳定性,当初始横向变形量控制在l/3 000~l/1 000时稳定系数下降5%,而当变形量>l/1 000时稳定系数下降18%;钢材屈服强度对结构稳定性影响较小,250~350MPa 5种强度下的稳定系数相差<7%;现有横撑中,双米撑稳定性最好,其次为米撑、X撑、双K撑、K撑;相同用钢量下,采用米撑构造比K撑构造性能更好;增加横撑数目或增加横梁、横撑抗弯刚度可提高钢桁梁拱桥稳定性。

基于环境振动试验的系杆拱桥模态参数识别

对桥梁开展环境振动测试,可以获得桥梁的模态参数如固有振型、自振频率以及阻尼比。桥梁性能评定、损伤识别、健康检测和基准有限元模型建立以这些参数为主要依据。将实测的加速度数据进行模态分析,获得桥梁的自振频率和振型,并与有限元模型理论计算结果进行对比分析,结果表明:通过试验得到的桥梁实际自振特性与有限元模型理论计算结果吻合良好,为以后桥梁定期检测、状态评估和日常养护提供基准参数。文章内容可为同类型桥梁提供参考。

大跨三片式钢箱桁肋拱桥结构参数敏感性分析

为保证大跨三片式钢箱桁肋拱桥施工过程安全及顺利合龙,成拱线形与理想裸拱线形误差尽可能小,以宜宾至昭通高速公路白水江特大桥为工程背景,通过有限元数值法,研究拱肋自重、拱肋刚度、扣锚索索力、扣锚索刚度、扣塔刚度及温度等结构参数的敏感性,探讨上述参数在单一变量法下,对拱肋成拱线形造成的竖向挠度差。结果表明,拱肋自重、扣锚索索力及温度属于主要敏感参数。大跨三片式钢箱桁肋拱桥拱肋拼装中,要严格复核拱肋质量,控制张拉索力误差,同时要避免极端温差对拱圈线形可能造成的影响,保证合龙顺利及合龙后拱肋线形平顺。

大跨度蝴蝶拱空间受力性能参数分析

以某蝴蝶拱桥为研究对象,采用有限元方法开展蝴蝶拱的空间受力性能研究,对比分析斜拱肋、直拱肋、有无副拱等不同结构体系对拱肋内力、挠度以及稳定性的影响,讨论拱肋倾角、主拱刚度、副拱刚度等关键参数对蝴蝶拱受力性能的影响程度与影响规律。结果表明:恒载和活载作用下,外倾式拱肋的主副拱拱脚面外弯矩和挠度均显著增大;去除副拱肋会显著增大主拱肋的轴力和拱肋挠度;拱肋倾斜与否对拱肋稳定性影响较小,副拱肋可一定程度提高拱肋稳定性。主副拱肋的内力和挠度均随着拱肋倾角的增大而增大,拱肋稳定性随着拱肋倾角的增大而减小,建议设计时拱肋倾角小于12°;主副拱刚度从0.50EI增大到1.25EI时,有利于结构受力,而从1.25EI增大至2.00EI时,对结构受力优化效果不明显。对于背景桥梁建议主拱和副拱的倾角为12°,主拱和副拱的刚度提高至原结构刚度的1.25倍,优化后主副拱肋挠度降幅约36%,效果良好。

曲线条件大跨度拱加劲连续梁设计

贵南高铁二塘双线特大桥采用90m+180m+90m拱加劲连续梁结构。大桥位于曲线上,梁体采用分段直线布置,悬灌施工;主拱采用哑铃形钢管混凝土拱肋,钢管直径1 m,拱肋全高3 m;采用整束挤压钢绞线吊杆,全桥拱设置36组吊杆;纵向活动主墩通过构造措施,形成半刚构结构体系,限制部分梁体问题伸缩变形;大桥采用先悬灌主梁,后在主梁上搭设支架原位拼装拱肋方式施工。经论文研究计算结果表明,该桥刚度、受力等均满足规范要求。

宽幅下承式空间多索面异型系杆拱桥设计关键技术

以外秦淮河大桥为工程背景,采用Midas Civil对该异型拱桥进行仿真模拟,首先探讨了不同主梁刚度、拱肋刚度两个参数条件下的拱桥结构受力性能影响规律;其次考虑异型拱桥结构最不利情况,进行了强度、刚度验算分析;另外计算了桥梁结构前五阶振型及自振频率,分析了其动力特性;最后针对拱肋可能会发生的失稳情况,进行了拱肋稳定性设计分析.结果表明:主梁与拱肋的变形、应力均满足设计要求;在10%~20%范围内改变主梁、拱肋结构刚度对结构受力影响较小,外秦淮河大桥作为城市交通景观桥梁,主梁与拱肋构造设计仍有一定的优化空间;桥梁前5阶的自振频率在0.49~1.25 Hz之间,动力性能较好,为抗震设计提供了参考;该异型拱桥结构具有较好的稳定性能.