考虑锚杆预应力作用下隧道围岩力学分析及参数设计

隧道工程中锚杆设计多依靠经验法和类比法,为研究预应力锚杆支护体系下围岩的力学效应,建立预应力锚杆与围岩力学耦合模型,考虑围岩开挖损伤效应,通过弹塑性力学理论推导出隧道开挖后围岩应力分布及径向位移解析表达式,采用有限差分软件FLAC3D进行算例验证并分析预应力锚杆参数对围岩状态的影响。研究结果表明:理论解析和数值模拟中最大切向应力和围岩塑性区半径分别为4.77 MPa、15 m和4.49 MPa、15.86 m,理论解析与数值模拟所计算隧道围岩应力分布、位移基本一致,在Ⅳ、Ⅴ级围岩地层中验证了理论解析解的合理性;随着预紧力增大,处于塑性区的围岩径向位移及塑性区半径逐渐减小,弹性区基本不受影响;当锚杆自由段长度位于塑性区时,随着锚杆长度增加,围岩塑性区径向位移及塑性区半径逐渐减小。在实际工程中应尽量增大锚杆预紧力,锚杆长度增加对围岩位移以及塑性区的发展控制效果有限,应控制锚杆自由段长度在塑性区内。

配筋率与质量比对FRP-RC梁冲击响应与损伤的影响

基于考虑应变率效应的三维数值模型,对玄武岩纤维增强复材筋混凝土(BFRP-RC)梁的抗冲击性能进行了研究.分析了冲击体与FRP-RC梁质量比、配筋率等因素对冲击响应的影响规律.结果表明,随着质量比增大,FRP筋混凝土梁的破坏模式从弯曲破坏转变为剪切破坏,但是配筋率的改变并不影响梁的破坏模式.由于BFRP筋弹性模量低,并且没有屈服阶段,故即使在梁损伤比较严重的情况下,BFRP筋的应变和BFRP筋梁的位移也会发生较大恢复.在冲击过程中,冲击力时程曲线的形状与质量比之间的规律不随配筋率而改变.此外,以剩余承载力为基准,建立了以频率变化、损伤因子和峰值位移为指标的损伤评估方法,为实际工程中FRP筋混凝土梁构件的灾后处置提供理论基础.

风屏障透风率对强风作用下重载铁路刚构-连续梁车桥耦合振动响应的影响

为探究风屏障透风率对强风作用下重载铁路刚构-连续梁车桥耦合振动的影响,先通过节段模型风洞试验获取桥上设置0%,20%,40%,60%和无风屏障5种不同透风率风屏障时车桥系统的三分力系数,再根据弹性系统动力学总势能不变原理建立风-车-桥耦合振动仿真计算分析模型,对不同车速下重载货运列车通过设置不同透风率风屏障刚构-连续梁桥开展风-车-桥系统动力学仿真计算与分析研究。结果表明:在列车上桥初期,桥梁横向位移峰值随透风率的增大而明显减小,而当列车运行趋于满布桥梁时,桥梁的横向位移峰值随透风率的增大变化不明显;列车的动力响应峰值随风屏障透风率的增大而增大,相比于满载编组列车,空载和轻重混编编组列车的动力响应对风屏障透风率的变化更加敏感。综合桥梁动力响应和列车走行安全性评价指标(脱轨系数和轮重减载率),该桥梁应设置40%透风率的风屏障。

配筋率对钢箱-UHPC组合梁裂缝特征的影响

为研究钢箱-超高性能混凝土(UHPC)组合梁负弯矩区裂缝特征,设计制作了3根配筋率分别为1%、2%和3%的UHPC翼板部分充填砼窄幅钢箱组合梁,通过对不同配筋率的试验梁进行反向加载试验研究组合梁的裂缝发展特征,并对最大裂缝宽度、裂缝间距及开裂荷载进行对比分析。研究结果表明:试验梁在不同配筋率条件下,UHPC面层裂缝发展明显不同,配筋率越高最大裂缝宽度越小,裂缝越密集,开裂荷载越大;与配筋率为1%的试验梁相比,配筋率为2%和3%的试验梁的开裂弯矩分别提高了30.3%和65.2%;可根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)中的裂缝宽度计算公式乘以0.78的修正系数,来计算窄幅钢箱-UHPC组合梁负弯矩区的裂缝宽度。

集中力活载作用下悬索桥变形及内力的解析算法

悬索桥作为一种柔性结构,活载下的响应是长期以来被研究的重点内容。该文针对悬索桥提出了一种集中力活载作用下结构变形及内力的解析计算方法。以已知成桥状态参数和活载参数为基础,首先分析了主缆变形、主梁变形、主缆和主梁的关系、桥塔变形。随后建立了4类控制方程,分别为各段主缆的无应力长度守恒、各根吊杆的力与变形协调、各跨跨径及高差闭合和主梁的受力平衡,从而使得控制方程的总数与基本未知数的总数相等。最后将控制方程合并成一个目标函数,并进行规划求解。找到基本未知量的取值,使得全部控制方程同时成立,进而推导出所有其他参数,并表达出结构变形后的状态。以一座主跨1 080 m的悬索桥作为算例,验证了方法的可行性和有效性。活载作用下变形及内力的结果都具有良好的精度,与有限元的结果相一致。

基于气象大数据的大跨桥梁温度效应预测方法

为了提高结构健康监测的经济性,扩大其应用范围,提出了一种基于气象站大数据信息的大跨度桥梁结构温度场预测方法,从而实现轻量化和可持续性的桥梁温度场及温度变形计算.以某大跨钢拱桁架桥为研究对象,通过气象数据平台获取气象站大数据信息(包括天气、气温和风速信息),利用Elbadry等改进的凯尔别克辐射模型计算桥梁关键构件各表面受到的辐射强度,基于热交换传递理论计算结构热分析边界条件,结合有限元分析方法进行结构瞬态热分析,从而获得目标桥梁关键构件的时变温度场.温度场的计算结果与桥梁上实测温度在时间历程和结构竖向分布上均吻合良好,平均误差在3%以内.将计算得到的结构温度施加到桥梁结构整体有限元模型上,得到桥梁结构的温度变形,桥梁支座纵向位移的计算值与实测值吻合良好,平均误差在13 mm以内.验证了所提出的基于气象站大数据的桥梁结构温度场预测方法是可行的,利用该方法可进一步得到桥梁结构的温度变形.

铁路混合梁钢-混结合段受力及理论计算

为研究铁路混合梁钢-混结合段结构的受力及其理论计算公式,在既有公路桥梁钢-混结合段计算公式的基础上,提出铁路混合梁钢-混结合段截面应力、顶底板剪力连接件、承压板传力验算公式;并以主跨335 m汉巴南铁路嘉陵江特大桥为研究背景,采用有限元分析的方法探究结合段受力特性及应力纵、横向分布规律,进而开展结合段受力理论与数值计算对比分析。数值计算结果表明,结合段混凝土均处于受压状态,不同截面位置处结合段钢、混应力横向分布均存在一定的不均匀性。公式验算结果表明:结合段混凝土应力均受压,满足截面应力验算要求;剪力连接件的抗力系数介于1.30~4.49,结合段剪力连接件具有良好的安全储备;承压板抗力系数介于3.18~10.08,表明前后承压板抗力远大于计算传力荷载,并具有优化的空间。理论公式计算的结合段顶底板混凝土应力、剪力钉应力与有限元计算结果总体相近,在修正后可用于钢-混结合段的防开裂/脱离、抗剪受力计算。

非圆弧拱面内自由振动实用解析

针对非圆弧拱面内线性自由振动没有解析的现状,提出了一种变系数平衡微分方程近似解析方法来解决该问题。基于笛卡尔直角坐标系下非圆弧拱线性应变与Hamilton原理,推演了非圆弧拱面内自由振动变系数平衡微分方程;基于陡拱与浅拱面内振型没有显著差异的基本假定,将该变系数平衡微分方程对应的常系数平衡微分方程的通解,代入变系数平衡微分方程,得到该变系数平衡微分方程的不平衡差;当该不平衡差沿全拱积分为零时自振频率误差最小,进而得到非圆弧拱面内自振频率高精度实用解析。基于所提出的变系数平衡微分方程近似解析方法,推演了非圆弧两铰拱与无铰拱面内自振频率实用解析,并阐明了非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的逻辑关系。抛物线、悬索线、悬链线与组合线等常用非圆弧两铰拱与无铰拱自由振动算例结果表明:该研究的基本假定得到了严格检验;自振频率与有限元结果吻合较好,非圆弧拱前十阶自振频率中,两铰拱自振频率最大相对误差为7.71%,无铰拱自振频率最大相对误差为4.34%;非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的比例系数,可为行业规范条文修订提供参考。

基于压弯破坏曲面的桥墩可靠性分析

非对称桥梁结构悬臂施工期间会对下部结构产生较大的不平衡弯矩,为分析钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)墩柱在不平衡弯矩导致的双轴压弯下的可靠性,提出了基于压弯破坏曲面的可靠性分析方法。该方法使用倪克勤公式作为功能函数,并通过钢筋与混凝土本构关系求解倪克勤公式所需要的轴心受压承载力与单向偏压承载力,将RC墩柱的材料特性、几何特性、所受外部荷载作为随机变量,基于可靠指标物理意义,使用罚函数法将可靠指标求解问题转化为无约束最优化问题,利用遗传退火算法求解RC墩柱的可靠指标。采用该方法对文忠路上跨合肥东站改扩建工程主桥46号桥墩进行可靠性分析,结果表明:在悬臂施工至自重不平衡弯矩最大状态下,P1~P3支墩可靠指标分别为5.44、5.05、5.94;对可靠指标影响程度较大的随机变量依次为结构自重、钢筋强度和混凝土抗压强度,而风荷载对可靠指标影响相对较小。

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%。

混凝土梁斜截面抗剪承载力上限值计算理论修正

文章从力学机理和理论推导过程出发,针对混凝土桥梁规范中斜截面抗剪承载力上限值计算理论的不足进行研究,对混凝土梁斜截面抗剪承载力上限计算公式进行分析。通过文献试验数据对比分析,发现现行桥梁设计规范对受弯构件混凝土截面抗剪承载力上限值计算存在一定的局限性,有必要根据实际工程中抗剪钢筋的配置形式对计算公式进行修正,保证斜截面抗剪承载力上限计算的合理性和准确性,为规范使用和工程实践提供了进一步的参考。

大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托,采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果,结合计算流体动力学(CFD)静态绕流模拟,对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法.研究表明:主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象,且振幅超过规范允许值;间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振,但竖向涡振振幅仍不满足规范要求;上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振,而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限.气流经主梁原设计断面上层桥面分离后,在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡,并在上层桥面后部再附,这是主梁发生竖向涡振的主要诱因;上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面,消除了周期性的旋涡脱落,并在其上表面形成一段狭长“回流区”,从而有效抑制了涡振的发生.

基于层叠式残差LSTM网络的桥梁非线性地震响应预测

提出了一种基于层叠式残差长短时记忆神经网络(residual long short-term memory neural network,ResLSTM)的数据驱动建模方法,实现桥梁非线性地震响应预测。该方法利用长短时记忆(long short-term memory, LSTM)网络在长序列回归中的优势,并采用残差连接结构降低深度神经网络中的梯度回传难度,提高了有限数据下的深度网络预测性能。同时,通过采用层叠式序列结构,降低深度神经网络隐藏层节点数目,进一步提升深度神经网络的预测精度。随后,通过两跨预应力混凝土连续梁桥与组合梁斜拉桥的数值算例对该方法进行验证。神经网络的训练样本与测试样本均源自桥梁有限元模型的增量动力分析结果。此外,采用该方法成功预测了美国Meloland Overpass桥的地震响应,并与历史监测数据进行对比验证。结果表明:ResLSTM网络是一种鲁棒性良好、计算效率高的非线性地震响应预测方法,能够利用少量数据快速准确地预测桥梁结构在地震作用下的动力响应,在桥梁抗震性能评价中具有重要的应用潜力。

大跨度斜拉桥模态参数长期追踪及其变异性分析

为了丰富大跨度斜拉桥模态参数的实测数据库,依托苏通大桥结构健康监测系统采集的数据,采用所建立的模态自动识别和追踪方法,获取了2010年期间该桥的模态参数值,并据此分析了在温度和风速作用下桥梁模态参数的变异性。研究结果表明,大桥主梁模态频率的变化受温度和风速共同影响,随着温度的升高而降低,随着风速的升高而增加。大桥主梁模态阻尼比的变异性显著大于模态频率,低风速下主梁一阶侧弯阻尼比在0.5%~15%之间波动,风速大于9 m/s时逐渐降低并稳定在2%左右。大桥主梁前四阶竖弯阻尼比受气动阻尼的影响较大,在风速较小时随着风速的增加略有增加。研究结果可为大桥的服役性能评估与运营管理提供参考。

开口断面钢-混结合梁悬索桥颤振特性及颤振形态研究

为准确评估开口断面双边箱钢-混结合梁悬索桥颤振性能和多模态参与效应,以典型的钢-混结合梁悬索桥——怀化洞庭溪沅水特大桥为背景,开展风洞模型试验及数值分析。制作加劲梁节段缩尺模型并进行风洞试验,测试原桥梁结构的颤振性能,分析调整阻尼比、采用气动措施及结构措施对结构颤振特性的影响,采用三维和二维两种颤振分析方法分析设置中央扣结构的颤振模态及多模态参与效应。结果表明:该钢-混结合梁悬索桥存在较明显的颤振起振点,且颤振是以扭转为主的弯扭耦合振动,同时其扭转和竖向振动存在较大的相位差(相差近180°);节段模型风洞试验与三维和二维颤振分析一致得到设置中央扣后,频率较高的正对称扭转模态先于反对称模态发生颤振,且三维与二维颤振分析结果相差不大。

高速铁路主跨320 m钢-混部分斜拉桥无砟轨道适应性研究

南玉高铁六景郁江特大桥设计将钢-混部分斜拉桥结构引入时速350 km高速铁路领域,而300 m级以上大跨度桥上无砟轨道的竖向变形极易超限,影响列车通过的安全性和舒适性,因此,系统研究在此大跨桥梁结构上铺设无砟轨道的适应性十分必要。通过建立有限元及动力学模型,分析不同组合工况下无砟轨道结构的变形特点及动力特性,运用60 m弦测法探究各工况下无砟轨道的线形变化规律,从而确定大跨度钢-混部分斜拉桥铺设无砟轨道的适应性,并对设计和施工提出合理化建议。主要结论如下:在各种不利组合荷载作用下,桥上无砟轨道结构强度满足规范要求,列车通过大桥的各项安全性与舒适性指标均满足规范要求;混凝土收缩徐变和斜拉索升降温是影响无砟轨道线形标准的两大主因,应在无砟轨道施工前确保足够的沉降观测期和收缩徐变释放期,并充分考虑拉索的保温设计;在温度组合荷载作用下,桥上无砟轨道的60 m弦测不平顺幅值为6.79 mm,满足高速铁路静态验收标准;但在叠加列车荷载和收缩徐变后,变形弦测值均出现Ⅱ级及以上超限,通过合理设置预拱度后可有效改善轨道平顺性标准。

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD(computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施(下中央稳定板、导流板与风嘴)对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明:该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结果对比的数据集,以期更为准确、快捷地完成气动措施的选型.

连续刚构箱形-双薄壁组合式主墩及其刚度匹配设计方法

文章针对因受到建设条件制约而不得不采用主墩高度相差较大的连续刚构桥梁,应用箱形-双薄壁组合式桥墩作为主墩结构,提出了对应的主墩刚度匹配设计方法,并对刚度计算过程进行了推导,得到了组合式桥墩墩顶顺桥向抗推集成刚度的计算公式,用实桥计算示例对提出的主墩设计和传统设计的结果进行了对比。结果表明,文章提出的箱形-双薄壁组合式主墩刚度匹配设计方法能有效地避免主墩高度差引起的内力不均匀分配问题,从而改善高、低主墩连续刚构桥梁在温度、制动力等水平荷载下的力学表现,提高结构的抗震性能。

大跨斜拉桥双层桁架主梁施工状态的阻力系数

针对规范中对大跨径桁架桥的双层主梁阻力系数在取值上的局限,提出一种主梁阻力系数计算方法,以施工阶段节段模型的风洞试验结果为基础,对双层桁架主梁进行模型简化后,使用CFD计算得出其三分力系数.采用不同迎风面特征尺寸,桁架片数以及桁架间距,分析了迎风面特征尺寸对主梁的阻力系数的影响.讨论了桁架间距以及片数不同对主梁的阻力系数的影响趋势.结果表明:迎风面特征高度与特征宽度对主梁阻力系数影响的变化规律并不相同,对此提出以桁架纵高比为变量的双层桁架桥梁主梁的阻力系数拟合公式;当桁架间距较小时,桁架片数对主梁阻力系数无影响,但当桁架间距与桁架高度比值达到3时,桁架片数的变化会对主梁的阻力系数产生较大的影响.

波形钢腹板梁焊接残余应力分布及试验验证

为研究波形钢腹板梁焊接残余应力的分布规律,通过有限元软件建立其三维热弹塑性模型,利用热-力耦合分析技术对其焊接温度场和应力场进行有限元数值仿真,采用双椭球体热源和修改单元材料属性的方法实现能量输入和焊缝填充,并将模拟计算结果与实测值进行对比分析.结果表明:有限元预测的波形钢腹板梁残余应力分布与实测结果具有相同趋势,在波形钢腹板梁焊缝的弯折角处,残余应力发生一定幅度的连续应力波动;底板和腹板的残余应力峰值均出现在焊缝中心区域,其值分别为材料屈服强度的1.30倍和1.26倍;底板纵向残余拉应力在焊缝中心线两侧78 mm范围内急速下降后缓慢过渡为压应力,在底板较窄一侧压应力线性增大,最大值约为材料屈服强度的0.61倍;在底板较宽一侧压应力线性减小,并在边缘处转化为拉应力;焊接速度对残余应力分布扰动不大,而对残余应力峰值影响较显著;当焊接速度从150 mm/min增加至250 mm/min时,横向和纵向的残余应力最大值分别增加了27.11%和5.88%.