预应力UHPC槽形节段与整体式混凝土板组合梁受剪性能

将预制的UHPC槽形节段通过干缝连接和预应力张拉形成槽形梁,再与整体现浇的混凝土板组合成的组合梁,称为预应力UHPC槽形节段与整体式混凝土板组合梁(PUCS-MCS组合梁)。它是一种能充分发挥不同材料的性能、施工方便且整体性能好的新型桥梁结构。为探究其抗剪性能,开展了9根模型梁的试验。分析了接缝数、接缝处剪力键数、剪跨比、UHPC钢纤维体积率、配箍率和纵筋率等参数对试件变形、破坏模式、抗剪承载力的影响;基于试验研究结果,提出了PUCS-MCS组合梁抗剪承载力计算方法。结果表明:PUCS-MCS组合梁均为剪压破坏,所有梁在开裂前的荷载-挠度曲线差异不大,在开裂后刚度不断下降;PUCS-MCS组合梁的抗剪承载力随接缝处剪力键数、UHPC钢纤维掺量、配箍率和纵筋率的增大而增大,随干接缝数量增加和剪跨比的增大而减小,其中影响最显著的是干接缝和剪力键,影响最小的是钢纤维掺量和配箍率,因此PUCS-MCS组合梁可不配箍筋,并可采用较低钢纤维掺量的UHPC。

钢-混组合梁荷载-温度效应的统一解析模型

基于欧拉伯努利梁理论,提出非均布荷载、轴向力、梁端弯矩和非线性温度分布共同作用下的有滑移组合梁统一解析模型,推导组合梁挠度、界面剪力、滑移及截面应力的计算公式,开展简支组合梁和连续组合梁算例分析,讨论界面刚度和温度作用对界面滑移和挠度的影响.研究结果表明,组合梁温度作用产生的挠度与界面滑移由等效温度滑移应变和等效温度曲率决定,可以通过将桥面板与钢梁的温度分布各自分解为有效温度、竖向线性温差和残余温度等相互独立的3部分进行计算.简支梁和2跨连续梁算例在温度作用下的界面滑移沿梁长呈现反对称分布,滑移主要集中在距端部小于2 m的范围内,受滑移的影响,组合梁端部桥面板底面的拉应力水平较高,可以超过2 MPa,增加了底面混凝土开裂的风险.提出了温度作用下界面滑移组合梁的挠度影响系数,可以用于组合梁挠度的快速计算,其大小不仅与界面完全连接与界面无连接时组合梁的抗弯刚度比和组合效应系数有关,还受温度作用系数的直接影响.

问题导向的“钢结构设计原理”课堂理论教学改革

“钢结构设计原理”是道路桥路与渡河工程专业的核心专业课程,扎实提升课堂理论教学效率和效果是该课程教学改革的重要任务和目标。细致分析“钢结构设计原理”的课程内容特点以及由此导致学生学习过程中存在的问题,有针对性地提出从多层次网格模块化教学内容、建立“思维主线”、引入真实工程案例、坚持精确理论推导与定性分析相结合、开展课程横向比较等方面开展课堂理论教学改革,进而从根本上提升课堂理论教学的效率与效果。

预应力混凝土梁桥短线匹配法的抗差估计方法

针对预应力混凝土梁桥短线匹配法线形控制问题,充分考虑节段梁控制点测量值中可能出现的随机误差与粗差,提出一种附有条件限制的总体最小二乘抗差估计方法,适用于短线匹配法线形控制;推导了解算方法,并给出了具体的解算步骤;以黄茅海跨海通道工程6×60 m连续刚构中的某一跨为基准进行了数据模拟。结果表明:该方法可以实时地修正施工中各类误差导致的预制线形变化,有效地阻止了施工误差与测量误差在后续节段梁中的不断积累;与既有算法相比,所提算法的计算结果准确度最高,不仅在终端节段末端与基准线形的差值均值最小,而且在代表整体线形连续性的偏差平方和均值上与最小二乘法的结果相近,优于传统的选点控制方法。

中小跨径简支钢板组合梁桥荷载横向分布研究

为评价经典荷载横向分布计算方法对中小跨径简支钢板组合梁桥的适用性,首先利用实桥荷载试验结果,验证了基于ABAQUS软件的三维有限元模拟方法;然后以计算跨径、主梁数量、主梁间距为研究参数,设计了108个分析模型,分别采用修正的刚性横梁法、刚接梁法、G-M法以及有限元法计算荷载横向分布影响线,进而得到单车道和多车道作用下各主梁的荷载横向分布系数;最后基于线性相关系数、横向分布影响线吻合程度指标及横向分布系数相对误差,进行横向分布线性判断及各理论计算方法的误差分析。结果表明:当钢板组合梁桥宽跨比B/L小于0.34时,各主梁在荷载作用下挠曲呈直线变形,即认为钢板组合梁桥B/L<0.34时为窄桥;利用理论计算方法计算横向分布系数时,单车道布载下,当B/L<0.2,宜采用修正刚性横梁法、刚接梁法、G-M法,当0.2<B/L<0.3,宜采用刚接梁法、G-M法,当0.3<B/L<0.75,宜采用G-M法;多车道布载下,当B/L<0.3,宜采用修正刚性横梁法、刚接梁法、G-M法,当0.3<B/L<0.45,宜采用刚接梁法、G-M法,当0.45<B/L<0.75,宜采用G-M法;提出了修正的刚性横梁法、刚接梁法、G-M法计算精度判定条件,控制理论计算结果与有限元计算结果相对误差在10%以内;研究成果可为中小跨径钢板组合梁桥的荷载横向分布计算方法选取提供依据。

钢桥表面相对湿度的边界条件计算方法

表面相对湿度是决定钢桥腐蚀速度的重要因素,精确计算表面相对湿度的关键在于选取合适的温度场边界条件,因此进行了拱肋模型相对湿度测试试验,利用有限元分析软件ABAQUS的DFLUX与UVARM子程序实现了钢桥表面相对湿度计算,并对比分析了不同太阳辐射、辐射换热及对流换热的计算方法对钢桥表面相对湿度模拟结果的影响。结果表明:太阳辐射强度对表面相对湿度的影响主要集中在日出、日落时段,采用Hottle模型计算的日总太阳辐射偏大,导致表面相对湿度偏低,建议使用实测太阳辐射数据计算太阳辐射热流密度;天空及地面的辐射换热对表面相对湿度的影响不容忽视,利用简单的大气辐射换热替代天空、地面辐射换热,会导致结构吸收热量增加,表面相对湿度显著减小,建议在计算辐射换热热流密度时考虑天空温度、地面温度的影响;白天对流换热对结构有降温作用,促使表面相对湿度升高,夜晚对流换热作用对结构有升温作用,促使表面相对湿度降低,目前对流换热系数计算方法多基于混凝土结构开展,后续可进行适用于计算钢桥表面相对湿度的对流换热系数研究。

钢桥大气腐蚀微环境与长寿基因

为探究钢桥不同构件腐蚀速率差异原因,通过文献综述、桥例分析和数值模拟等方法,研究了影响大气腐蚀速率的环境因素。利用构件表面温度、表面湿润时间及表面污染物沉积量表征钢桥微环境,明确了微环境是决定钢桥大气腐蚀速率的关键因素,灰尘、雨、露等通过影响钢桥微环境间接影响大气腐蚀速率;对比了桥位环境和钢桥微环境的监测方法及监测结果,发现了桥位环境与构件微环境的差异、构件之间微环境的差异,厘清了桥位处建筑物与地形、污染源、结构特征、构件劣化对微环境的影响机制,明晰了微环境在钢桥全生命周期的演化特征,即微环境在设计中赋予、施工中造就、运营中恶化、养护中优化;设计阶段确保构件可检、可达、可养,并采用疏通构造、阻隔构造、除湿装置,施工阶段减少板件制造的初始缺陷、避免构件之间的拼接误差,均可改善微环境,减缓腐蚀速率,延长构件的服役寿命,为结构注入长寿基因。

矩形钢管K型节点复合型应力强度因子计算方法研究

相比圆形钢管桁架,矩形钢管桁架在施工方面具有一定的技术经济优势,并已广泛应用于桥梁工程中,鉴于断裂力学法评估该类结构疲劳性能的需要,该文探讨矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的应力强度因子计算方法。提出带表面裂纹矩形钢管K型节点有限元建模方法,并与试验进行验证;通过参数分析,研究节点和裂纹几何参数对节点几何修正系数Y的影响;多元回归分析拟合得到矩形钢管K型节点应力强度因子计算公式及其修正后的设计计算公式,并通过算例分析给出基于断裂力学的钢管节点剩余疲劳寿命评估方法。结果表明:有限元结果与试验结果比值均值为1.012,变异系数为0.034,两者最大差值仅为5.5%,表明有限元计算结果可靠;节点几何参数2γ、τ与Y呈正相关,θ与Y呈负相关,其原因主要在于节点相贯线处刚度和受拉荷载变化,改变了裂纹尖端应力场,从而影响了裂纹扩展速率,裂纹几何参数c/a与Y呈正相关,但影响不明显,a/t0与Y呈负相关;提出的应力强度因子计算公式与有限元计算结果吻合良好,且修正后用于设计的计算公式具有95%的可靠度;圆形钢管节点应力强度因子高于矩形钢管节点,平均提高24.9%,说明在相同荷载工况下,圆形钢管节点裂纹扩展速率更快,算例分析也进一步验证该结论,圆形钢管节点剩余疲劳寿命为2.1×105次,低于矩形钢管节点的剩余疲劳寿命2.3×105次。

基于效率系数的组合钢桁梁优化设计方法

组合钢桁梁具有桁架结构的受力特征,同时还受节点性能和板桁组合作用的影响,受力机理复杂。传统有限元优化方法无法兼顾杆件和节点,为对组合钢桁梁设计方案进行快速、准确地优化,提出了一种基于效率系数的优化设计方法。在采用杆系有限元模型进行初步分析基础上,根据结构内力分布相似的假定,以杆件和节点承载力效率系数为优化指标对构件进行优化,再将优化方案代入有限元模型进行验证。以矩形钢管混凝土组合桁梁连续梁桥既有通用图集为依托工程,进行设计方案优化。结果表明:组合钢桁梁空间效应等因素产生的弯曲应力可达组合应力的15%~42%,弯矩产生的影响不可忽略,在计算杆件效率系数时应将弯矩和轴力同时考虑在内;效率系数可直观反映组合钢桁梁构件应力状态,快速定位优化构件,还可依据杆件截面特征将优化方案细分至板件层面;所提优化设计方法可对组合钢桁梁的节点和杆件进行统筹优化,避免反复进行有限元试算,显著提高优化计算效率。

变截面圆钢管混凝土短柱轴心受压性能研究

为研究变截面圆钢管混凝土短柱的轴压性能,开展6个变截面和2个等截面圆钢管混凝土短柱的轴压试验,试验参数包括变角度和套箍指标。从短柱整体轴压性能(破坏形态、荷载-位移曲线和变形能力)和截面轴压性能(钢管应变)两个层面对比分析变截面与等截面圆钢管混凝土短柱的异同,并得到各设计参数对整体和截面轴压性能的影响。在此基础上,建立了变截面圆钢管混凝土的截面轴压承载力计算方法,并通过对比所提计算方法和规范计算公式计算得到的轴压承载力与试验实测值,验证了计算方法的准确性。结果表明:试件上部截面的钢管纵向应变和环向应变发展较下部截面更快,弹塑性阶段和下降阶段试件整体的受力性能更多取决于试件的顶部区域和顶截面;相比于等截面短柱,在相同荷载作用下变截面圆钢管混凝土短柱中间截面的钢管纵向和环向应变更大;变截面圆钢管混凝土的钢-混相互作用非常明显;提出的计算方法不仅能考虑圆钢管与混凝土的相互作用,而且能合理考虑钢-混相互作用随变角度的增大而逐渐增强这一特性,计算得到的轴压承载力与试验值吻合较好;与其他规范相比,GB 50936—2014和CECS 28:2012中公式的计算结果更加准确,考虑到其简单实用,也可用来偏于安全地计算变截面钢管混凝土构件的截面轴压承载力。

考虑弯曲应力占比的矩形钢管K型节点疲劳评估

为提高S-N曲线法与断裂力学法等疲劳评估方法的准确性,探讨了矩形钢管K型节点在支管拉压平衡荷载作用下的弯曲应力占比计算方法。首先建立了矩形钢管K型节点有限元模型并结合试验进行了验证,然后通过大量的参数分析得出了节点几何参数对弯曲应力占比的影响,最后通过多元非线性回归分析推导出弯曲应力占比的计算公式及考虑工程实际应用偏安全的修正公式,给出了基于断裂力学法的矩形钢管K型节点断裂评估算例。结果表明:建立的模型与试验值相比,弯曲应力占比平均值为1.051,均方差为0.167,两者最大差值仅为7.5%,说明建立的有限元模型可靠;提出的弯曲应力占比计算公式与有限元计算结果相比,其均值为1.073,均方差为0.055,变异系数为0.051,相对差值在10%之内,验证了拟合公式的可靠性;考虑实际工程偏安全应用,在99.73%的保证率下提出乘以0.93倍的安全系数对弯曲应力占比计算公式进行修正;当热点应力相近,弯曲应力占比降低39.3%时,疲劳寿命会降低10%,膜应力变大时会导致其裂纹尖端具有更大的应力强度因子而加快了裂纹扩展的速率。

基于Buck-Boost的电池组分时域闭环均衡策略

针对串联锂电池组常规主动均衡控制策略中精度差和速度慢的问题,提出一种基于Buck-Boost的电池组分时域闭环均衡控制策略。硬件上,在均衡拓扑中增加均衡电流采样电路;算法上,在分时域控制策略中加入均衡环路比例积分(PI)控制器调节均衡电流,既可避免电感磁滞饱和又能提升均衡速度。实时检测均衡电流,把均衡转移的能量计入荷电状态(SOC)估计中,以SOC为均衡变量,依次进行相邻电池组间均衡,可提高均衡控制的精度。搭建实验平台,对4节串联锂电池在充电、放电、静置3种条件下进行均衡实验,各单体电池能快速达到平衡且SOC差值在2%以内,实验结果表明所提方法的有效性。

桥梁结构日照温度作用研究综述

为深化对桥梁结构日照温度问题的认识,从桥梁结构日照温度场分布特性、研究方法、温度作用模式与取值方式等方面,综述桥梁结构日照温度作用国内外研究现状,探讨后续的研究重点和发展方向。研究结果表明:桥梁温度场有着典型的周期性时程特征和不均匀空间特征,主要受结构形式、气候和地理环境3类因素的影响,存在明显的桥型间和地域性差异;桥梁日照温度场以数值模拟与实桥测试为主要研究方法,数值模拟中太阳辐射和对流换热的选取尚不统一,基于气象数据开展长期实桥测试十分必要,且应重视测点布置以充分反应桥梁温度非线性分布规律;现有研究多采用多次抛物线、指数曲线和多折线来描述桥梁的温度梯度形式,普遍基于气象参数相关性和统计分析来获得温度作用取值;桥梁日照温度作用的主要发展方向应关注于组合构桥梁温度场的实桥测试与温度作用模式的研究、不同地域和复杂地形条件下桥梁温度作用实测分析,以及大跨复杂结构桥梁日照温度场精细化模拟。

单边索斜塔钢—混凝土结合梁斜拉桥塔梁根部应力分析

采用板 (壳 )、梁及三维实体单元相结合 ,对长沙市浏阳河洪山庙大桥塔梁根部区域进行空间有限元分析。分析表明 :主梁根部过渡段钢箱梁及混凝土的应力满足规范的限值要求 ,行车道板的剪力滞效应明显 ,徐变对主梁应力的分布影响显著 ;塔根部混凝土在施工过程及运营阶段均处于全截面受压状态 ,与试验结果相比较 。

刚性悬索加劲钢桁梁桥施工阶段全桥模型试验研究

东江大桥是国内首座双层桥面三桁刚性悬索加劲钢桁梁桥,其造型新颖独特、受力复杂,并且施工过程中存在着体系转换与内力调整。为研究这种新型结构的体系转换过程和结构整体受力性能,利用全桥模型试验模拟了实桥施工全过程。介绍了模型试验的目的、设计原则、相似关系、测点布置以及试验工况等。通过各工况下试验数据与理论数据比较,可以看出两者比较吻合,从而从试验和理论两方面证明了该桥的桥型设计及施工方法是合理的。同时发现,通过体系转换能使后安装的加劲弦较好地参与整体结构受力,以及纵向内力调整效果良好。而节点横向连接刚度较小使得横向内力调整效果与理论相差较大,因此在实桥有限元模型计算时应考虑半刚性节点的影响,同时在施工时应加强此工况的监控。

钢管混凝土界面抗剪粘结滑移力学性能试验

为探讨钢管混凝土界面抗剪粘结滑移性能,研究钢管混凝土界面应力分布规律,确定界面抗剪粘结应力和粘结滑移本构关系,进行了方、圆钢管混凝土试件的纵向抗剪粘结性能试验研究,试验结果表明:钢管纵向应变沿长度方向基本成呈三角形分布,粘结应力沿钢管混凝土界面均匀分布;方、圆钢管混凝土界面粘结—滑移曲线具有相似的变化规律,圆钢管混凝土界面抗剪粘结强度较方钢管混凝土要大,基于试验结果,提出了平均粘结应力和相对滑移的本构关系。分析比较了钢管混凝土界面粘接性能的主要影响因素,粘结强度受混凝土强度的影响不明显;随混凝土龄期的增大而略有增大;随钢管长径比的增大而增大;随钢管径厚比(宽厚比)的增大而减小。

PBL加劲型矩形钢管混凝土界面粘结-滑移性能

对开孔钢板连接件(PBL)加劲型钢管混凝土构件界面粘结性能进行研究,以PBL加劲肋的开孔间距、开孔孔径、混凝土粗骨料粒径为参数,进行了该类试件抗剪性能的推出试验,并与普通钢管混凝土试件进行了界面粘结强度、抗剪刚度等参数的对比分析,提出了钢管混凝土内PBL加劲肋承载力受混凝土粗骨料含量影响的修正计算方法。结果表明:通过设置PBL加劲肋可以明显提高钢管混凝土的界面抗剪承载力和刚度,其粘结强度受加劲肋开孔参数的影响;引入的PBL抗剪承载力公式修正系数与开孔板内混凝土榫的粗骨料面积比呈线性关系。

无背索斜塔斜拉桥荷载试验

为了探讨和验证无背索斜塔斜拉桥的设计理论和实际工作性能,对其进行了静动力荷载试验,并结合三维有限元模型的理论计算,对比分析了试验荷载工况下该桥位移、应力和索力的变化规律以及模态频率、阻尼比和冲击系数等结构动力特性,探讨了13 m长悬臂钢-混凝土组合梁结构的扭转性能。研究结果表明:桥梁结构动静力实测值与理论值吻合良好,桥梁整体工作性能好;扭转工况下,组合梁端部上下游位移差较大,抗扭刚度相对较低;结构前两阶阻尼比较大,对振动有较好的衰减作用;荷载试验验证了分析理论的正确性和施工技术的可靠性,可为同类桥梁的设计提供参考。

现代木结构桥梁及其结构形式

基于现代木结构桥梁自重小、施工便捷、绿色环保、综合经济性好等优点,从木构件加工、连接技术、耐久性能等角度出发,分析了现代木结构桥梁的特点和应用前景,探讨了现代木结构桥面板和桥梁常用的结构形式。结果表明:现代木结构桥梁形式多样,性能优良,应用前景广阔,能够丰富中国现代桥梁结构的形式。

矩形钢管混凝土T、Y型节点受压性能试验

为研究矩形钢管混凝土T、Y型节点受力性能,进行了7个矩形钢管混凝土T、Y型节点和1个矩形钢管Y型节点的受压试验,对节点的破坏模式及支主管宽度比β、内填混凝土对节点受压性能的影响进行了分析。试验结果表明:主管内填混凝土对矩形钢管混凝土T、Y型节点受压性能的影响明显,主管内填混凝土后,主管侧壁局部鼓曲这一破坏模式得到了避免,随支主管宽度比的减小,节点区域局部变形越明显,节点刚度越小;矩形钢管混凝土T、Y型受压节点承载力根据相应的破坏模式进行计算,当弦杆长度很短、支主管宽度比很小时,采用局部承压破坏模式进行计算;当弦杆长度较长时,往往发生弦杆弯曲破坏。