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。

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.

波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭性能研究

以波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁为研究对象,开展抗扭性能试验和理论分析,并与波形钢腹板-钢管桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管混凝土弦杆组合箱梁抗扭性能进行对比;研究波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的扭曲破坏形态、截面类型、管内混凝土对组合梁抗扭性能的影响,并探讨波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭承载能力计算方法。结果表明,波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁可等效为闭口箱形截面。扭曲破坏形态为混凝土桥面板沿与梁轴线呈45°方向斜向开裂,且纵向钢筋发生屈服。管内混凝土对组合梁抗扭刚度和抗扭承载能力具有一定的贡献度。基于线性刚度叠加方法,提出钢管混凝土组合抗扭刚度计算方法。根据波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁可能发生的四种扭曲破坏形态,提出波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭承载能力计算方法,并将采用该文所提出的组合梁抗扭承载能力计算方法得到的理论计算结果与试验和有限元分析结果进行对比,误差不超过8.5%。

考虑吊杆断裂动力作用的钢管混凝土拱桥等效静力计算方法

为简化吊杆断裂后拱桥剩余结构动力响应计算过程,提升中、下承式钢管混凝土(CFST)拱桥断索时的强健性,采用动力系数考虑断索过程的动力效应,建立一种考虑断索动力作用的中、下承式CFST拱桥等效静力方法;设计并制作跨径20m的下承式CFST拱桥大比例缩尺试验模型,研发一种电磁铁断索触发装置实现了吊杆瞬间断裂模拟,开展吊杆断裂后拱桥剩余结构的动力响应试验研究;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立可考虑吊杆断裂过程的有限元模型,并进行试验与有限元结果的对比分析。构建11种不同跨径的中、下承式CFST标准拱桥,通过不同动力系数下标准拱桥断索时静力效应与动力效应的对比分析,确定各标准拱桥在不同吊杆断裂时的动力系数取值。研究结果表明:研发的电磁铁断索触发器可实现0.1s内断索,准确模拟实际吊杆断裂过程;吊杆断裂对纵梁位移与应力的影响远大于对拱肋的影响,长吊杆断裂对纵梁和拱肋的位移与应力的影响大,次短吊杆断裂对相邻吊杆索力的影响大。采用等效静力计算方法进行中承式CFST拱桥受力分析时,纵梁和吊杆的动力系数均可取1.8,进行下承式CFST拱桥受力分析时,纵梁和吊杆的动力系数可分别取1.8和1.7。

大跨混合连续箱梁桥钢混结合段传力机理试验与分析

依托福州马尾大桥设计制作了几何缩尺比为1∶3.5的钢混结合段大比例模型,采用精细化实体有限元方法,开展不同设计荷载组合工况下的静力加载分析,以揭示此类新型钢混结合段在大跨混合连续箱梁桥中的传力机理.结果表明:承载能力极限最大弯矩组合工况下,试验模型混凝土梁段全截面受压,结合面处顶板混凝土最大压应力为-23.6 MPa、底板钢板最大拉应力为115.8 MPa,均小于材料的设计强度;加载至1.4倍承载能力极限状态工况,钢混结合段试验模型并未出现明显破坏,各关键截面测点的荷载-位移/应变曲线基本呈线性关系,结构始终处于弹性工作状态,表明该钢混结合段的设计具有充足的安全储备;同时钢混结合段沿纵桥向分布的各截面竖向变形没有明显突变,说明该钢混结合段传力平顺,可保证主梁刚度从混凝土箱梁段到钢箱梁段的平稳过渡.相关研究成果可为今后此类混合连续箱梁桥的设计与施工提供参考.

目形钢箱拱肋截面承载力计算方法

以某大桥主副拱结合处的目字形截面为研究对象,采用有限元软件ABAQUS建立目形截面钢箱拱肋局部计算模型,进行目形截面承载力和截面屈曲变形研究,并分析了钢箱高度比、中板厚度及加劲肋数量变化对截面承载力的影响。结果表明:目形截面靠近角点处的变形大于板件中间部分的变形,靠近角点处的加劲肋设计是目形截面设计关键;目形截面的承载力折减系数受中板板厚及中板纵向加劲肋划分中板份数的影响较大;我国规范和日本规范不适用于目形截面承载力折减系数计算;根据参数分析结果进行拟合,提出了适用于计算考虑局部屈曲的目形钢箱截面承载力折减系数的计算公式。

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。

刚性拼接不等高布置空心板桥受力性能研究

为了研究刚性拼接不等高布置空心板桥受力特性,以某座采用刚性拼接结构的新旧桥主梁不等高布置的空心板桥为对象,进行全桥足尺模型试验和非线性有限元分析,研究荷载作用下拼接结构的传力路径、受力机理和破坏模式。结果表明:刚性拼接结构能有效地传递荷载,将新板与旧板刚性连接成整体受力,且不改变新旧空心板的承载能力,拼接结构晚于空心板开裂,说明拼接结构设计合理;拼接结构与新桥边板的预埋钢筋和与旧桥边板的植筋,均不会发生破坏。拼接结构的破坏模式是弯曲产生的纵向拉应力引起拼接结构跨中截面底部混凝土开裂,继而端部拼接结构与新板处是拼接结构与空心板发生竖向剪切破坏。

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。

无配筋机制砂UHPC井盖受力性能试验研究

采用机制砂替代石英砂,可制备低碳环保、成本相对低廉的UHPC.将机制砂UHPC应用于A级井盖结构中,具有高强高韧、高抗冲磨与高耐久性等特征,无需配筋工序及后期维养、施工效率高,具有良好的工程应用前景.为此,开展机制砂UHPC配合比设计与基本力学性能研究,并进行无配筋机制砂UHPC井盖模型试验、数值模拟计算与经济效益分析.结果表明,随着水胶比的增加,机制砂UHPC抗压强度和弹性模量逐渐减小,抗拉强度呈先增大后减小的趋势;当石粉含量逐渐提高时,抗压/拉强度及弹性模量呈先提高后降低的变化;随着细度模数和钢纤维掺量的增加,抗压/拉强度及弹性模量均有所提高,但提升的幅度均逐渐趋缓;未添加钢纤维时,井盖呈脆性破坏,当添加钢纤维后,由于钢纤维具有显著阻裂效应,导致井盖的结构整体刚度和延性均有所提升,表现出明显的弹塑性破坏特征;随着钢纤维掺量的增加,井盖的裂缝荷载与破坏荷载逐渐增大,但增大幅度逐渐趋缓;与传统UHPC井盖、球墨铸铁井盖、普通钢纤维混凝土井盖相比,无配筋机制砂UHPC井盖成本可节省11%~66%;无配筋机制砂UHPC井盖可采用厚度20 mm、直径400 mm~600 mm、钢纤维掺量2%的设计参数,以满足A级井盖受力需求.

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。

宽幅钢箱梁受力性能与设计参数分析

宽幅钢箱梁-蝴蝶形钢拱组合桥造型优美,近年来备受桥梁设计师们青睐。针对实际工程,开展宽幅钢箱梁受力性能与设计参数分析,对比分析了纵横梁不同设计参数的变化对宽幅钢箱梁力学性能的影响程度。结果表明:纵梁的荷载横向分布影响线均因小纵梁道数变化而受到显著影响,且小纵梁横向分布影响线的影响大于主纵梁;在最不利车道布载作用下,小纵梁道数的变化对主纵梁关键截面的内力和挠度影响较大,而小纵梁道数的增加有助于改善宽幅钢箱梁的受力,建议采用5道小纵梁的布置方式;在横向荷载作用下,横梁间距布置不同对横梁应力有影响,尤其是在非拱梁结合段跨中截面和拱梁结合段1/4跨截面处,应力最大值出现在拱梁结合段跨中截面,而主纵梁应力也仅在非拱梁结合段与拱梁结合段的跨中截面处影响较大;大桥横梁间距可与吊杆位置对应,即每隔6 m设置一道横梁,可满足结构横向受力要求。

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。

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。

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。