钢板-混凝土组合结构桥塔研究及应用综述

桥塔是大跨缆索支承桥梁中重要的受力构件,尤其是多塔斜拉桥中塔对刚度和承载力同时提出了较高的要求。钢板-混凝土组合结构桥塔丰富了桥塔结构形式的选择,对于解决多塔斜拉桥中塔刚度不足等关键技术问题具有重要意义。首先对组合结构桥塔的整体应用现状进行调研汇总,目前组合结构在桥塔中多作为局部结构或以钢管混凝土结构形式应用于中小跨径桥梁,大跨径缆索支承桥梁中需要的大截面尺寸钢板-混凝土组合桥塔目前研究较为缺乏。对保证钢、混凝土协同工作性能的连接件及双钢板-混凝土组合结构形式的已有研究和现状进行了调研分析,现有小尺度组合结构试验及常规连接件研究成果不适用于组合桥塔,有待针对桥塔受力特性开展进一步研究。提出双钢板-混凝土组合结构桥塔及薄开孔板连接件,通过试验研究及理论分析研究给出了组合桥塔受力机理及设计理论。最后,结合依托工程南京五桥经验提出组合结构桥塔设计建议及方法,组合桥塔在算例分析中与混凝土桥塔、钢桥塔相比显示出了在受力性能、经济性能及施工便利性方面的优势。研究与实践均表明,新型组合结构桥塔体系具有较为显著的性能优势,取得了令人满意的综合经济效益,为大跨缆索支承桥梁工程建设提供了崭新的思路和选择,有力地推动了组合结构在桥梁工程中的应用。

望东长江公路大桥上部结构装配化架设方法研究

望东长江公路大桥主桥为主跨638m的双塔双索面组合梁斜拉桥,其上部结构采用工厂化、装配化的方案架设。为解决组合梁整体吊装施工时存在的桥面板开裂及梁段不匹配的问题,采用RM2006和ANSYS软件分别建立全桥及梁段局部有限元模型,对斜拉索分次超张退张法和防错台架设法进行研究,提出一种基于节段全过程状态(内力状态、几何状态)优化的上部结构装配化架设方法。结果表明:斜拉索分次超张退张法可优化节段施工全过程内力,解决了新梁段起吊对前序梁段引起的较大桥面板拉应力问题;通过斜拉索张拉与钢主梁工地连接工序的优化调整,改善了已架设梁段与待架设梁段匹配时的几何状态,保证了梁段匹配的可靠性。

预应力混凝土连续箱梁底板崩裂破坏的机理及其对策

对某主跨为85 m预应力混凝土连续箱梁桥的合龙段底板崩裂情况进行了调查与分析,运用BAP、ANSYS等有限元软件进行了仿真模拟,分析了箱梁底板混凝土崩裂的机理,并提出了处理类似问题的对策。

崇启大桥主桥钢箱梁高腹板设计

崇启大桥主桥采用(102+4×185+102)m六跨变截面钢箱连续梁桥,主桥钢箱梁最高达9m。在该桥高腹板设计过程中,对国内、外相关标准和规范进行研究,制定高腹板结构设计和验算思路。腹板在顺桥向不同区段采用4种不同的板厚,在箱梁内侧保持平齐。腹板横肋纵向间距1.4m,加劲肋均采用T形构造;腹板纵肋采用扁钢构造。墩顶附近梁段靠近底板的腹板纵肋与横肋焊接,其余部位腹板纵肋在横肋处断开。按照规范方法对腹板强度、最小厚度及纵肋设置位置合理性、纵肋刚度、横肋间距和刚度、区格局部稳定性进行验算,并采用ANSYS建立半桥板单元模型,对腹板强度和局部稳定性进行校核,结果表明,腹板设计满足规范要求。

桥梁结构体系的研究、优化与创新

近年来,随着桥梁美学理念的提升和景观要求的提高,桥梁造型不断创新。但与此同时,因规范、地域差异和设计师对结构设计与施工的认识偏差,出现了不少不合理的结构体系,造成造价升高、安全降低、施工麻烦、养护困难的现象。结构体系的合理性及其优化和创新问题突显,对桥梁结构体系的研究显得越加迫切与重要。首先明确结构体系的概念——"结构体系是结构功能、外形及其受力形态的统一",并讨论桥梁结构体系研究的内容与意义,为开展桥梁结构体系的研究奠定基础。在此基础上结合工程实例,介绍体系优化与创新的方法,也为工程师在设计工程中进行合理的体系创新与优化提供借鉴。

斜拉桥钢桥塔极限承载力分析

斜拉桥钢桥塔相对于混凝土桥塔而言一个值得注意的问题是,钢桥塔还关注局部稳定对结构整体稳定性的影响。当无法了解结构在复杂的初始缺陷、温度荷载等非线性因素作用和整体-局部相关稳定作用下的临界荷载时,只能靠放大安全系数来保证结构的安全,这样进行钢桥塔的设计以及建造,存在较大的盲目性,势必造成大量的隐患和浪费。以某斜拉桥为例,通过空间杆系模型和板壳元模型的对比分析,考虑不同的失稳判定准则和整体、局部缺陷及非线性温度影响,对钢桥塔的极限承载力进行研究,为大跨度斜拉桥钢桥塔的极限承载力分析及设计提供一定的理论依据。

大跨斜拉桥宽幅PK组合梁节段吊装精确匹配技术

望东长江公路大桥主桥为(78+228+638+228+78)m的双塔双索面组合梁斜拉桥。主梁采用分离双箱PK组合梁,采用桥面吊机节段吊装施工。针对主梁吊装过程中已安装梁段横断面竖向变形导致新吊梁段与已安装梁段无法正常匹配连接的问题,采用ANSYS软件分析梁段吊装拼接过程中产生变形差的原因,提出梁重置换法匹配和T形反力架纠偏的精确匹配技术。通过张拉斜拉索使其承受新吊装梁段的自重,卸载桥面吊机吊装新梁段时产生的前支点力,使已安装梁段的横断面竖向变形回弹归零;然后通过T形反力架施加千斤顶力消除桥面吊机自重引起的竖向变形,使已安装梁段与新吊梁段实现精确匹配。采用梁重置换法和T形反力架纠偏后,该桥施工过程中新吊梁段与已安装梁段实现精确匹配连接。

大跨度缆索支承桥梁基础冲刷动力识别方法

为快速评估运营阶段桥梁基础冲刷状态,提出一种基于实测模态与模型更新的冲刷动力识别方法,并在杭州湾大桥桥塔冲刷检测中进行应用.分别于2013年、2016年对杭州湾大桥上部结构进行了两次环境振动下的加速度数据采集工作,并进行模态分析,得到两次测试所对应的结构自振频率与振型.同时利用有限元分析软件采用鱼骨模型进行上部结构数值建模,采用土弹簧进行下部结构桩土效应的模拟.首先利用冲刷非敏感模态的实测自振频率对数值模型中的桩侧等效弹簧刚度进行模型更新,直至得到与实际相符的桩土边界条件.进而利用冲刷敏感模态自振频率的实测变化值,对有限元模型中的基础冲刷深度进行模型更新,直至数值模拟变化值与实测变化值相一致,从而定量识别出3 a内基础冲刷深度的发展.最后,利用水下地形测量数据完成对该冲刷识别方法准确性的验证.研究结果表明:该方法利用桥梁上部结构实测模态变化进行下部结构基础冲刷模型的更新是可行的,基础冲刷深度的识别是准确的,可解决长期以来需要水下作业才能完成桥梁基础冲刷检测的技术难题.

流变改性材料在超高桥塔高强混凝土中的应用

应用流变改性材料制备超高桥塔用高强混凝土,研究了流变改性材料掺量对新拌砂浆流动度与流变性能的影响规律,试验探究了流变改性材料对混凝土工作性能和力学性能的影响。结果表明:掺加流变改性材料能提高新拌砂浆的流动度,尤其可显著降低其塑性黏度;能增大混凝土坍落度,缩短倒筒时间,有效提高混凝土2 h经时工作性保持能力,同时可降低混凝土塑性黏度,提高混凝土泵送性;适量掺加流变改性材料对混凝土的力学性能基本无影响。

花瓶墩墩顶配筋设计

以实际工程为例,对钢筋混凝土花瓶墩进行了空间受力分析,揭示了花瓶墩墩顶主要的受力特点,总结出一套可供实用的配筋设计方法,以供花瓶墩墩顶设计参考借鉴。

采用多段杆单元的斜拉索数值模拟方法

针对超大跨径斜拉桥中的斜拉索计算问题,以一系列不同水平投影长度的斜拉索为研究对象,利用多段杆单元模拟斜拉索非线性特性,将计算结果与解析解结果进行对比,以此确定10单元是合理的多段杆单元数目,完全可以满足设计要求。

基于统计理论的桥梁应力趋势预测与评估方法

针对监测应力的复杂构成及监测数据较低的使用效率,提出一种基于统计理论的新型桥梁应力趋势预测评估方法.该方法主要基于统计理论,将季节性荷载、随机性荷载产生的应力从应力监测值中分离,然后准确观测并拟合结构退化所引起的应力变化趋势,最后对结构退化过程给出理论预测,并以此准确量化评估结构安全性能.该方法在整个评估过程中可充分利用每一个监测数据,并可实时根据新的观测数据进行评估修正.通过在实桥的成功应用,证明了基于统计理论的新型桥梁应力趋势预测评估方法的优势性.

望东长江公路大桥主桥设计

望东长江公路大桥是目前国内外已建最大跨度组合梁斜拉桥,主桥设计为(78+228+638+228+78)m双塔双索面半漂浮体系。主梁设计为PK箱组合梁,采用了在预制桥面板中预先埋设部分横隔板的钢混组合梁一体化设计方案。大桥主塔设计为钻石型桥塔,塔高216m。塔柱下横梁与下塔柱结合部位采取圆弧过渡,设计为外挑7.15m的大悬臂结构。桥塔基础塔采用矩形承台及群桩基础。全桥共设224根斜拉索,采用4×28对扇形空间索面布置。

超2000 m级悬索桥重力式锚碇抗滑安全度设计方法

超2000 m级悬索桥已超过现行桥梁设计规范的适用范围,传统安全系数法仅从均值或标准值角度反映设计安全度,未能真实反映抗力小于荷载导致失效的概率或风险。基于荷载、抗力以及设计关键参数的数据统计特征与变异性,利用可靠度分析理论,对悬索桥重力式锚碇滑移构建承载能力极限状态设计方程,重点计算基于目标可靠度的抗力项分项系数合理取值,并推导目标可靠度等效的抗滑安全系数表达式。最后以主跨2300 m世界第一跨径悬索桥为背景工程,构建超大跨径悬索桥重力式锚碇抗滑实用设计表达式,并与传统安全系数设计方法进行安全度对比分析。结果表明:利用极限状态(分项系数)设计方法,与现行规范锚碇设计方法相比,可显著降低超大跨径悬索桥重力式锚碇抗滑设计等效安全系数取值,大幅提升其安全设计的科学性与经济性,并为编制超2000 m级悬索桥设计规范提供基础理论与技术支撑。

张靖皋长江大桥新型组合索塔设计

张靖皋长江大桥南航道桥为主跨2 300 m的双塔双跨吊悬索桥,主塔高350 m。该桥塔具有塔高、塔顶压力大、结构体量大、基础地质差等特点。为适应建设条件特点,结合悬索桥索塔受力特点,创造性提出了钢箱—钢管约束混凝土组合索塔。索塔外部设钢箱结构,内置4根直径为3.6 m的钢管混凝土,通过纵横腹板、横隔板等构件相互联系形成整体。该索塔充分利用了钢管混凝土的承压性能,利用外壁钢板承弯,采用工厂化、装配化快速化建造方法,并利用钢管的约束效果提升了管内混凝土单次浇筑高度,具有轻型化、高承压、承弯强、工效高等优势。该索塔充分发挥了两种不同构件的性能优势,传力途径明确、受力合理,抗震性能优异,拓展了大跨径悬索桥索塔型式。

自平衡装配式主索鞍设计

张靖皋长江大桥南航道桥为主跨2 300 m的双塔双跨吊悬索桥,为适应建设条件特点,结合悬索桥索塔受力特点,创造性地提出了主缆缆力自平衡体系。自平衡装配式主索鞍是实现自平衡体系的关键构造,从张靖皋长江大桥自平衡装配式索鞍功能需求出发,综合考虑摩擦系数、结构受力、制作安装难度、施工过程需求、维护保养等问题,对自平衡装配式主索鞍的合理型式选择、结构设计、滚动副选材等问题进行阐述,为类似工程提供参考。

张靖皋长江大桥锚碇基础软土夹层蠕变特性试验及分形蠕变模型研究

张靖皋长江大桥锚碇基础位于中国南方临江富水且软土夹层深厚地区。该层软土的蠕变特性对桥梁基础的变形稳定性有着重要的影响,不容忽视。利用GDS应力路径三轴试验系统,采用分别加载方式开展了一系列三轴固结排水剪切蠕变试验,研究了江苏临江软土的蠕变特性。试验结果表明,软土蠕变分为瞬时应变、衰减蠕变及稳定蠕变3个阶段,呈现出典型的非线性蠕变行为且随时间和应力增长表现出稳态蠕变的特征。通过拟合不同应力水平下的试验结果,基于分形导数理论,引入分形黏壶代替传统Abel黏壶,建立了适用于江苏临江地区软土的非线性分形Burgers蠕变模型。相比于传统模型,该分形Burgers模型参数少、精度高、物理意义明确。研究结果对于预测基础变形和制定控制基础变位的措施具有一定意义,可为中国南方沿江地区的工程应用提供参考。

张靖皋长江大桥南航道桥主桥塔静气动力系数研究

张靖皋长江大桥南航道桥主桥塔塔高超过300 m,采用倒角矩形截面设计,风荷载效应突出。为对该桥塔气动性能进行精细分析,采用缩尺比为1∶100的分段刚性模型进行风洞测力试验,研究桥塔各段静气动力系数随风偏角的变化规律,并分析塔柱间的遮挡效应和横梁对静气动力系数的影响,结果表明,主塔上、中、下3段最大阻力系数为1.125,最大升力系数为1.329,塔柱间的遮挡效应在风偏角0°~20°时对阻力系数影响较大,横梁对塔柱升力系数和扭矩系数影响较大。研究成果对300 m级超高桥塔设计具有一定的参考意义。

主跨2300m悬索桥自平衡体系及其力学特性研究

张靖皋长江大桥南航道桥推荐采用梁跨布置(2 300+717)m的双塔两跨悬索桥方案,活载及温度下,在南塔塔顶产生较大不平衡水平力,提出了释放塔顶不平衡水平力的新型缆塔约束体系--悬索桥主缆自平衡体系。采用自平衡滚轴式主索鞍结构,实现温度、汽车荷载等常遇荷载作用下,两侧主缆不平衡水平分力和索鞍滚动摩擦力三者自平衡。基于试验与有限元分析了合理摩擦系数、滑动限位值以及自平衡体系力学特性。结果显示,主缆缆力自平衡体系可显著减小索塔塔底纵向弯矩;不滚动状态时,塔与索鞍锁定,结构处于安全状态;结构失稳模态为横桥向,弹性屈曲系数大于8.2,非线性屈曲系数大于2.0;索鞍有限位移滑动,对桥梁频率、颤振检验风速等基本无影响,索塔无涡振现象。

望东长江公路大桥的结构体系设计研究

针对组合梁结构应用在千米联长级大跨度斜拉桥存在的技术难题,以望东长江公路大桥为工程背景,提出一种纵向多阶约束竖向弹性支承的斜拉桥结构体系。通过辅助墩处设置竖向弹性支座,利用支座处产生弹性变形,降低后期荷载产生的弯矩以及在辅助墩处主梁桥面板所引起的应力幅,解决了辅助墩处组合梁桥面板的受力问题。通过在主梁与主塔间设置E型动力耗能装置,有效控制各个荷载下索塔顶部位移和塔底弯矩,确保索塔偏心受压稳定性,特别显著降低结构地震响应,减小基础规模与工程造价。利用有限元模型分析,分别从静力与动力性能两方面对以上方案进行比选,结果表明:所提出的纵向多阶约束竖向弹性支承斜拉桥结构体系,解决了大跨径组合斜拉桥梁塔柱偏心受压稳定、地震响应大、辅助墩处桥面板受力复杂等一系列技术问题,拓宽了组合梁斜拉桥的经济跨径范围,为后续该类桥梁的设计与应用提供了理论基础与经验储备。