Nonlinear Stability Analysis of Long Span Continuous Rigid Frame Bridge with Thin Wall High Piers

By utilizing the current finite element program ANSYS, two types of finite element models (FEM), the beam model (BM) and shell model (SM), are established for the nonlinear stability analysis of a practical rigid frame bridge—Longtanhe Great Bridge. In these analyses, geometrical and material nonlinearities are simultaneously taken into account. For geometrical nonlinearity, updated Lagrangian formulations are adopted to derive the tangent stiffness matrix. In order to simulate the nonlinear behavior of the plastic hinge of the piers, the multi lines spring element COMBIN39 is used in the SM while the bilinear rotational spring element COMBIN40 is employed in the BM. Numerical calculations show that satisfying results can be obtained in the stability analysis of the bridge when the double coupling nonlinearity effects are considered. In addition, the conclusion is significant for practical engineering.

CFRP及EWSS复合加固震损双层高架桥框架式桥墩恢复力模型研究

为研究碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)及外包型钢(Externally Wrapped Steel Section,EWSS)复合加固震损双层高架桥框架式桥墩的恢复力模型,对1榀原型对比试件、1榀无预损加固试件和2榀遭受不同地震损伤加固试件进行了低周往复加载破坏试验,获取了滞回曲线并提取骨架曲线,分析其滞回特性,提出一种弹性段和强化段为双折线、下降段为指数函数且考虑初始损伤的骨架曲线模型;采用试验数据回归拟合方法,定量描述了试件滞回曲线卸载刚度的退化规律,考虑了同级加载承载力退化和定点指向特征,建立了恢复力模型。研究结果表明:复合加固试件滞回曲线捏缩现象明显,呈倒S型,各滞回环分别相交于骨架曲线上正向、负向荷载为屈服荷载0.25倍的点,峰值荷载后EWSS产生包辛格效应;所提出的骨架曲线模型对中度震损和重度震损加固试件下降段指数函数的参数k建议取值分别为3.6和3.4;所建立的骨架曲线模型和恢复力模型计算结果与试验实测结果吻合较好,可为该类结构弹塑性地震反应分析提供依据。

外包钢套加固震损双层高架桥框架式桥墩地震损伤分析与评估

为了对外包钢套加固震损双层框架式桥墩的地震损伤进行分析与评估,基于已有试验,应用OpenSees开放平台,以损伤指数折减材料性能参数模拟地震损伤,建立了双层框架式桥墩非线性有限元模型,对其进行低周往复加载,对比模拟与试验得到的滞回曲线和骨架曲线,验证了所建模型的可行性。采用Pushover分析方法,结合能力谱法求得4榀双层框架式桥墩试件在不同地震烈度下的性能点以及层间位移角,基于改进的Park-Ang损伤模型对桥墩试件的地震损伤进行分析。研究表明:当遭遇8度地震时,试件FP-2和试件FP-3最大层间位移角相对原型对比试件FP-0分别减小了26.4%和22.5%;当遭遇9度地震时,分别减小了26.5%和22.2%;当遭遇6度和7度地震时,各试件基本完好或造成轻微损伤;当遭遇8度和9度地震时,原型对比试件FP-0处于重度损伤,试件FP-2和试件FP-3均处于中度损伤,说明震损加固试件的损伤程度相较于原型对比试件均得到不同程度的减小。

多跨连续刚构桥合龙顶推方案优化

为了能更好地减少多跨连续刚构桥成桥后期各个桥墩墩顶的纵桥向水平位移和结构附加内力,提出由中到边合龙依次顶推的优化方案,作出了相应的计算图示且推导了相关的理论计算公式,同时根据顶推力理论计算公式的需要,推导了变截面的主梁和桥墩的抗弯惯性矩的理论计算公式,以某六跨连续刚构桥为例,建立有限元模型,通过理论计算公式和有限元模型分别计算了优化方案的顶推力数值并进行了对比分析,验证合龙优化方案顶推力理论计算公式的有效性,然后将由边到中的原合龙顶推方案和先中后边的优化合龙顶推方案作对比,验证合龙优化方案的合理性。结果表明:相较于原方案,使用优化方案虽然增加了顶推次数,但是其每次顶推力的数值较原方案中一次顶推力的数值都有大幅减少,从而能够有效地减少顶推处的局部应力水平;优化方案能更好地调控各个墩的变形,尤其是距离主梁中点较远的桥墩,因此优化方案对墩顶的纵向水平位移和墩底的弯矩改善效果更加明显;优化方案理论计算公式计算得到的顶推力数值相比于使用有限元模型推算的顶推力数值偏大,但总的来说相差不大,满足实际工程的要求;不同的顶推方案主要的影响是桥墩的变形与内力,顶推施工对成桥后主梁的收缩徐变以及线形的影响不大。

三水河特大桥桥墩温度场及温度效应研究

为研究温度效应对连续刚构桥空心薄壁墩受力行为的影响,以(98+5×185+98)m变截面预应力混凝土连续刚构桥——三水河特大桥主桥为背景,通过现场温度场测试,研究桥墩垂直温度场和水平温度场的分布规律,并以实测温度场为依据,选取对桥墩刚度影响较大的桥墩高度、顺桥向宽度和壁厚作为关键参数,分析整体均匀温度T和梯度温度ΔT对空心薄壁墩受力的影响。结果表明:实测桥墩垂直温度场随着墩高的变化分布差异较小,水平温度场受日光照射影响较大,桥墩夏季的梯度温度值约为冬季的2倍。墩高对桥墩温度应力的影响基本呈反比关系,顺桥向宽度对墩底温度应力的影响呈线性增长趋势,壁厚与温度应力呈反比关系。对于长联刚构桥,为减小桥墩的温度效应,建议边主墩高度不宜小于60 m,桥墩顺桥向宽度宜尽量减小,桥墩壁厚宜取80~100 cm。

不等高双薄壁墩结构参数对连续刚构桥力学行为影响分析

对于因地形和地貌原因而使双薄壁墩连续刚构桥相邻桥墩高度相差较大的情况,设计常采用不等高双薄壁墩。相比常规双薄壁墩,不等高双薄壁墩结构设计及优化可供借鉴和参考的成果不多。以某不等高、不等厚双薄壁墩预应力混凝土连续刚构桥为工程依托,基于有限元数值分析方法,改变低墩壁厚和墩间距,针对结构恒载作用、最大悬臂状态稳定及结构自振,采用单因素分析方法研究薄壁墩结构参数对连续刚构桥结构力学行为影响。结果表明:恒载作用下,低墩壁厚对主梁根部弯矩影响很小,对跨中弯矩影响相对较大;增大双肢间距可明显降低主跨跨中、根部弯矩。低墩稳定安全系数对壁厚更敏感;墩参数变化不改变失稳模态。随着低墩壁厚和间距增加,结构自振频率增大,壁厚、双肢间距影响结构一阶振动模态,且壁厚对一阶自振影响最显著。分析结论可供不等高双薄壁墩连续刚构桥结构设计和优化参考。

铁路快速建造式框架墩设计技术研究

新建铁路常采用框架墩跨越运营铁路,现有框架墩特别是立柱施工对运营铁路影响较大,如何快速高效地完成施工、减少对运营铁路的影响值得研究。以铁路快速建造式框架墩为研究对象,通过理论分析、有限元计算、方案对比和工程应用验证等方法,开展结构形式、连接形式、设计计算和施工方法等研究。主要研究成果如下:(1)快速建造式框架墩横梁采用钢结构,立柱采用混凝土立柱、钢混组合立柱、钢立柱及钢混混合立柱,采用全装配化施工,可适应不同横梁跨度、高度的框架墩快速建造需要;(2)提出快速建造式框架墩横梁与立柱间、立柱与基础间等新型形式,可实现现场快速化拼装;(3)通过计算分析,快速建造式框架墩的强度、刚度、疲劳、连接性能等均满足受力要求;(4)研究成果在工程上成功实施,实现了减少施工对运营铁路影响、降低行车安全风险的目标,具有较好的推广价值。

悬臂施工的连续箱梁桥框架墩横梁监控技术的研究

大跨径框架墩连续箱梁桥施工过程中可能存在不平衡荷载使框架墩横梁受扭,为了消除框架墩的受扭一般采用配重方式进行施工监控。以广佛肇高速公路上的一座主墩采用墩梁固结的框架墩大跨径连续箱梁桥为工程背景,采用结构力学方法推导出框架墩横梁端部截面倾斜角随不平衡弯矩变化的理论计算式和框架墩立柱水平变位与不平衡弯矩关系的计算公式,同时给出了与水箱配重相关的计算公式,并提出了对框架墩横梁监控的两种监控方法。理论计算公式通过在实际工程的应用,对比了该桥梁的框架墩横梁施工监控中采用有限元数值分析计算获得的数值拟合公式,两者公式中的常系数基本相等,验证了提出的框架墩横梁受扭监控计算理论公式的正确性。并对采用监测横断端部倾斜角的监控方法与采用监测立柱水平变位的监控方法进行了对比分析。研究成果可为同类工程的施工监控提供帮助。

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。

高墩大跨连续刚构桥施工全过程稳定性分析

本文以三门峡国道209上跨陇海铁路立交桥为研究对象,采用MIDAS/Civil建立裸墩、最大双悬臂和成桥合龙3种状态下的有限元模型,对主墩进行线性屈曲分析和几何非线性屈曲分析,计算出稳定性系数,探讨不同荷载工况下稳定性的影响因素。通过调整桥墩主要设计参数,对主墩进行稳定性影响参数的敏感性分析。结果表明:全桥施工及成桥状态下,墩顶施工荷载、挂篮荷载、温度效应和车道荷载对主墩的稳定性影响较大;在稳定性影响参数敏感性分析中,随壁厚和混凝土强度等级的提高,稳定性系数逐渐增大;墩高的增加会使稳定性系数逐渐降低,但降低速率会逐渐减缓;系梁数量和位置均会对稳定性产生显著影响;随主墩高差的减小,稳定性系数逐渐降低,桥梁结构荷载重分配,墩顶主梁弯矩逐渐降低。

高铁大跨双肢墩连续刚构桥减震系梁地震易损性分析

为了解地震作用下减震系梁对高铁大跨双肢墩连续刚构桥的减震效果,以某主跨180 m的山区高铁双肢墩连续刚构桥为背景,分别建立采用钢筋混凝土(RC)系梁、2种新型减震系梁(可屈服钢系梁与斜交筒式黏弹性阻尼器系梁)方案的全桥有限元模型,对比分析不同系梁方案下的结构损伤、桥面平顺性指标等。结果表明:2种新型减震系梁均不会在地震作用下出现负刚度,新型减震系梁方案较RC系梁方案能有效降低系梁和主墩的结构损伤概率,主墩最大压应变降低83.3%;但减震系梁对震后桥面平顺性指标无明显改善,需采用更具针对性的技术措施。

基于整体节点理念的钢盖梁与混凝土墩柱连接结构优化设计

针对传统钢盖梁设置套筒外包混凝土墩柱方案墩梁连接位置刚度突变、应力集中及施工定位精度要求高的问题,基于梁柱整体节点理念,以门式框架墩为例,提出一种钢盖梁与钢套筒连接结构优化方案。该方案将连接位置处钢盖梁和钢套筒腹板设计为整体节点板,钢盖梁和钢套筒翼缘板加劲肋一一对应,并将现场接头设置在钢盖梁侧。以某公路工程匝道桥为背景,采用有限元软件分析其门式框架墩采用传统方案与优化方案的受力性能,并将优化方案应用于实桥。结果表明:该优化方案传力顺畅,结构应力集中程度较低,构造合理;该优化方案施工较为简单,容错性更好,具有良好的推广应用前景。

不中断交通下既有桥梁墩柱置换技术

广东中江高速公路扩建主线路基下穿四村立交C、E匝道桥,两匝道桥各有1个桥墩(C18号墩、E12号墩)位于下穿高速公路扩建的主线路基上,需对该2个桥墩进行置换,为下穿高速公路扩建主线路基提供建设空间。既有2个桥墩均为圆柱式双柱墩,且均为上部前、后两联连续箱梁的交接墩。考虑扩建路基空间需要及既有桥梁结构安全,在不中断交通的条件下,分别采用普通大跨径横梁和隐形横梁的门架墩置换原桥墩,并分析墩柱置换施工对匝道桥主梁受力的影响,结果表明墩柱置换后桥梁结构仍满足承载要求。置换施工时,先施工新建置换墩,待新建置换墩具备承载能力后,再切除既有桥墩,实现体系转换。为降低墩柱置换施工对桥梁运营的影响以及减少体系转换次数,C18号墩门架墩横梁包围既有桥墩立柱上部;E12号墩门架墩隐形横梁与上部主梁固结,并在伸缩缝两侧分别单独设置门架墩。

预应力摇摆双层桥梁框架墩结构体系地震反应分析

为了提升双层桥梁结构震后功能的可恢复性,本文提出一种预应力摇摆双层桥梁框架墩结构体系。采用拉格朗日方程和动量矩守恒定理建立该类摇摆双层桥梁框架墩的动力反应分析模型,进行了结构地震反应的分析,给出了预应力束参数对体系地震反应的影响,并对Ricker小波作用下结构的抗倒塌能力进行了分析。研究结果表明:采用实际工程尺寸的预应力摇摆双层桥梁框架墩在E2地震作用下的残余位移小,结构基本无塑性损伤;增大初始预应力参数ρ_(t0)可以减小上层墩柱的位移反应,但下层墩柱的反应呈现一定程度的增大;在一定频率范围内预应力设计参数的增大可以提升结构的抗倒塌能力,但在另外一些频率范围内则存在负效果。

铁路全钢结构框架墩设计与施工关键技术

针对传统钢横梁-混凝土立柱框架墩邻近营业线时,混凝土立柱施工周期长、钢横梁吊装难度大的问题,提出钢横梁-钢立柱全钢结构框架墩方案。以宣绩高铁跨越既有皖赣铁路工程为背景,对全钢结构框架墩进行设计及应用研究。全钢结构框架墩立柱与横梁均为钢结构,提升了结构整体性;采用轻量化设计降低吊装难度和工程投资;通过柱底混合连接构造连接框架墩钢立柱和混凝土基础,提高了安装精度和连接可靠性。对结构稳定、局部承压、疲劳强度、刚度变形等各项指标进行验算,结果表明均满足规范要求。全钢结构框架墩采用旁位拼装、整体吊装、柱底对位连接的施工方案,施工阶段采用吊装变形控制和对位引导等施工关键技术,有效提高了施工工效和安装精度。对比传统钢横梁混凝土立柱框架墩,全钢结构框架墩工程投资相当,但减小了对既有铁路运营的干扰,施工难度和施工风险均大幅降低。

山区高墩大跨连续刚构桥稳定性影响因素研究

本文选用四川省某高墩大跨度连续刚构桥为例,通过有限元分析软件研究了该桥在最高墩阶段、最大悬臂阶段和成桥阶段各组合工况下的结构稳定性,对比分析了桩土作用、混凝土强度、墩高、壁厚等参数对桥梁结构稳定安全系数的影响。研究表明:在最大悬臂阶段一侧挂篮坠落时结构稳定性最差;风荷载和温度荷载对结构稳定性影响较小,桩土作用对结构稳定性影响较大;随着桥墩混凝土强度的提高,结构稳定安全系数越大,但提升幅度不断减小。研究结论对于山区高墩大跨连续刚构桥的稳定性分析提供了有益参考。

混凝土框架墩结构设计影响因素研究及对比评价

依托某高速铁路跨越漯舞铁路工程,对控制框架墩结构设计指标的多项影响因素进行系统分析,并对混凝土实心横梁和空心横梁结构设计的合理性、经济性及安全性进行对比评价。研究表明,框架墩结构对基础刚度、温度及沉降的影响较为敏感,除横梁跨中弯矩随基础刚度的增加而变小外,各截面内力均随各项影响因素指标的增大而大幅增加;在基础刚度、整体降温、基础沉降等对框架墩自身结构影响较大的因素作用下,两种横梁受力性能相当;从受力特性来说,两种横梁的刚度、强度设计指标相当,结构设计均较为合理;从经济性角度出发,空心横梁主要工程费用低4.3%,相对于实心横梁更经济;从安全性角度考虑,空心横梁能够有效避免现浇施工对既有运营铁路的影响,施工风险性更低。

某高墩刚构桥抗震性能分析

为合理评定高墩刚构桥的抗震性能,以某实际高墩刚构桥为算例,建立其非线性有限元模型,进行了E1,E2水准下的非线性地震时程反应分析,重点讨论了支座、桥墩以及地震碰撞反应结果,分析了不同水准地震动作用下该桥主要构件的损伤程度及地震碰撞对桥梁反应的影响,并基于现行的桥梁抗震规范开展该高墩刚构桥的抗震性能评定。结果表明:在E1水准地震作用下,该高墩刚构桥整体处于线弹性阶段;在E2水准作用下,支座、桥墩和系梁出现不同程度损伤,在EL Centro波作用下产生碰撞时,相应位置上的支座、桥墩受力情况均出现明显的阶跃现象,但未出现严重的结构损伤。两水准地震作用下该高墩刚构桥均符合抗震设防目标。

连续刚构桥双肢薄壁高墩施工阶段单墩稳定性影响因素分析

为解决大跨度连续刚构桥双肢薄壁高墩稳定性问题,以新站特大桥为工程背景,针对该桥最高双肢薄壁墩(墩高114 m),通过Midas/Civil软件建立空间有限元模型,进行了数值模拟稳定性分析;探讨了墩身混凝土强度,桥墩高度,墩身截面尺寸、截面空心率和系梁位置、数量等设计要素,对连续刚构桥的双肢薄壁墩单墩的线性稳定性影响。分析结果表明:在最高裸墩状态下,桥墩的稳定性主要由自重和施工荷载控制,顺桥向和横桥向的风荷载对高墩的稳定性影响很小;桥墩的高度、系梁设置的数量与位置对其稳定性具有显著的影响,而混凝土强度、墩身截面空心率、墩截面顺桥向宽度和横桥向宽度变化对其稳定性的影响相对较小。因此,在双肢薄壁高墩设计中应综合考虑这些影响因素,以确保墩体的稳定性。

高烈度区高墩连续刚构桥抗震性能研究

以高烈度近场震区铁路桥为依托,采用Midascivil软件建立了不同墩高的桥梁结构力学模型,针对多遇地震及罕遇地震2种地震工况进行数值模拟,以桥墩高度为主要参数,以模型自振频率、桥墩墩顶、墩底位移及内力变化、阻尼器作用效果等方面对其抗震性能进行评价。研究结果表明:墩高增加时,桥梁整体的振型周期增大,对于多遇地震和罕遇地震无阻尼情况下墩底的弯矩纵横向弯矩变化幅度不大,而轴力增加明显;随着墩高增加,阻尼器对于桥墩墩顶墩底的弯矩减小比例较大,减震效果比较好。