大跨度铁路连续梁拱组合桥梁结构拱梁合理刚度比研究

大跨度连续梁拱组合桥梁具有良好的受力性能与经济效应,其中,拱梁刚度比是该类桥型的1个重要设计参数,而以往对拱梁刚度比的研究不够深入和全面。为了解拱梁刚度比对大跨度铁路连续梁拱组合桥梁的影响,以正在建设的福州乌龙江大桥为例,研究拱梁刚度比对桥梁的结构受力特性、梁拱荷载分担和工程量的影响。结果表明:拱梁刚度比对拱肋轴力及主梁、拱脚和拱顶处弯矩影响显著。当刚度比<1:73或>1:44时弯矩最大增长接近50%,拱梁刚度比的增加,更有利于发挥拱肋的性能;但在拱梁刚度比≥1:44时,拱肋刚度增加对整体受力性能提升有限,而当拱梁刚度比≤1:73时,主梁承受活载增长过快,增加了结构发生局部破坏或整体倒塌的风险。综合考虑,此类桥型拱梁刚度比合理取值范围应在1:44~1:73。工程中为了获得更好的经济效应,可适当减小主梁刚度或拱肋刚度。

Elastic stability of shallow pin-ended parabolic arches subjected to step loads

Buckling could be induced when shallow arches were subjected to vertical step loads. In-plane static and dynamic buckling of shallow pin-ended parabolic arches with a horizontal cable was investigated. Based on the equations of motion derived from Hamilton's principle, nonlinear equilibrium equations and static buckling equilibrium equations were deduced. Through the pseudo-static analysis, approximate solutions to the lower and upper dynamic buckling loads under step loads were obtained, for shallow parabolic arches. The results show that dynamic buckling and snap-through buckling are impossible when modified slenderness ratio λ<λc and λ>λs, where λc and λs denote critical slenderness ratios of bucking and snap-through buckling, respectively; effects of the stiffness of the horizontal cable on the dynamic buckling are significant; and the dynamic buckling loads under a equivalent central concentrated step load are lower than the loads under a distributed load appreciably.

下承式系杆拱桥吊杆索力计算方法对比分析研究

下承式系杆拱桥是一种外部静定、内部超静定的复杂空间结构,对于刚性系杆刚性拱桥,由于系杆与拱肋共同承受弯矩,部分常规索力优化方法在该情况下计算结果偏差较大。本文梳理了几种常用的索力计算方法,分析了各类计算方法的适用范围及优缺点,并在零位移法的基础上通过改变其约束条件,引入了“修正零位移法”。为探讨这些方法在该类拱桥中的适用性,以某市政道路钢箱拱桥为例,采用不同方法分析了成桥状态下吊杆索力分布,对比了在不同索力状态下系杆和拱肋内力差异。研究结果表明:零位移法索力分布不均匀且数值较大,拱肋和系杆弯矩最大值都偏大,不适用于该类拱桥;刚性支承连续梁法吊杆索力以及拱、梁内力分布均不太理想,适用性较差;修正零位移法及最小弯曲能法吊杆索力较均匀,主梁及拱肋弯矩较小,分布较为理想,两种方法结果差异较小,均可用于该类拱桥成桥索力计算。

铁路大跨度连续梁拱组合桥结构参数研究

为了解结构设计参数对铁路大跨度连续梁一拱组合桥受力特性的影响，进而对今后同类桥梁设计提供引导作用．以兰渝线广元嘉陵江特大桥为工程背景，研究矢跨比、拱轴线形状、拱梁刚度比这3个设计参数对桥梁结构力学特性的影响。分析结果表明：矢跨比对拱肋轴力和拱脚、主梁中跨弯矩影响显著，取值在1／4～1／5时较为合理：1．6次抛物线、2．4次抛物线及圆弧线作为拱轴线时，拱脚截面弯矩过大，2次抛物线或悬链线作为此类桥型的拱轴线较为合理：拱梁刚度比对结构轴力影响较小，对拱肋弯矩影响较大，随拱梁刚度比的增大，拱肋分担的弯矩显著提高。

斜跨拱连续梁桥静力性能及部分参数分析

斜跨拱连续梁桥为拱桥和连续梁桥的异型组合桥,与常规桥型相比结构受力复杂,为探讨该结构的静力性能,依托实际工程,采用梁格法建立空间有限元模型,分析结构在恒载及恒载加活载作用下的弯矩、轴力及竖向挠度,并与连续梁桥进行比较,另外探讨了矢跨比和梁拱刚度比对斜跨拱结构的受力影响。分析结果表明:斜跨拱连续梁桥相对一般连续梁桥在成桥内力和线形上均有较大的改善;综合结构受力状态和整体外观形状得出矢跨比取值可控制为1∶1.7~1∶1.6,肋高×肋宽取值可控制为2.50m×3.00m^2.75m×3.25m。

刚度比对拱式转换层的动力特性影响分析

提出了一种新型转换层结构形式—拱式转换层结构,并利用有限元方法分析了转换层、下刚度比对该结构动力特性的影响,得到了一些相关结论,供工程设计参考。

高速铁路钢箱叠合拱桥结构设计参数影响性研究

为了解结构设计参数对高速铁路钢箱叠合拱桥结构力学特性的影响,进而指导结构设计,以哈大高速铁路新开河桥(拱肋由上、下拱肋构成的新型桥梁)为工程背景,分析矢跨比、拱肋内倾角、横撑布置方式、吊杆布置形式、拱肋系梁刚度比等设计参数对该结构体系力学特性的影响。分析结果表明:矢跨比对拱脚内力影响较大,取值为1/5左右时较合理;拱肋内倾角对结构稳定与侧弯基频的影响较显著;横撑的数量、间距、刚度与布置方案对结构稳定性有显著影响,加强肋间横撑的横向或竖向连接均能有效地提高结构的稳定性;刚性吊杆的结构稳定性最好,柔性吊杆布置形式对结构竖弯基频与扭转基频影响较大;拱肋系梁刚度比对内力分布影响显著。

两座拱梁组合体系桥梁设计分析及比较

拱梁组合体系桥梁的结构具有复杂的受力特征和多样的外形特征。复杂的受力特征决定了各拱梁组合体系桥梁的设计细节不同,多样的外形特征使此类桥型可适用于各种环境。本文通过对两座拱梁组合体系桥梁设计的比较和分析,直观地反映了此类桥梁设计中拱梁刚度比的决定性影响;同时分析了两桥在拱肋、系杆等细节的不同设计方法。

高速铁路大跨度简支系杆拱桥设计研究

针对高速铁路128 m简支系杆拱桥的设计,采用BSAS程序和MIDAS程序建模计算分析,重点对矢跨比、梁拱刚度比、吊杆初张力、屈曲稳定和动力特性进行分析研究。分析表明:矢跨比取1/5时,拱肋和系梁设计时构造更易处理,更为安全、经济。拱肋与系梁的刚度比对结构竖向刚度影响最大,选取合适的刚度比便能方便快捷地确定、优化拱肋截面尺寸。结构失稳主要是拱肋的面外屈曲,设计中应加强拱肋间的横向连接。增加吊杆刚度,加强拱肋、系梁及吊杆协同工作的能力,将有助于提高结构的整体刚度。

上承式梁拱组合体系桥受力性能研究

上承式梁拱组合体系桥是上承式拱桥和连续梁组合受力的一种桥梁形式,有经济性能好、承载能力大、结构轻盈等特点。通过采用预应力筋来平衡拱脚的推力,发挥了拱梁混凝土和预应力钢筋各自的特点,比较适合在软土地基上修筑。经对青岛创业大道桥的分析,得出了设计参数和桥梁在静力荷载下的受力性能的关系,同时分析了上部结构与下部基础协调作用对拱桥的影响,分析了在软土地基上的适用性。

钢管混凝土刚架系杆拱桥的合理形式

通过钢管混凝土刚架系杆拱桥受力性能的研究,为实践工程提供有利指导。主要从以下几个方面进行研究:考察钢管混凝土刚架系杆拱桥结构的受力性能,分析其在恒载、活载作用下的结构内力分布;对钢管混凝土刚架系杆拱桥结构参数,即,拱轴线、系杆力、拱墩刚度比等进行了分析,考察它们对结构内力的影响规律,具有较强的运用价值。

系杆拱桥设计参数讨论

为了明确系杆拱桥的受力特点，本文选取包括拱轴线矢跨比、梁拱刚度比两个参数进行研究，分析其对结构力学性能的影响规律。由分析可知：当梁拱刚度比在30～85之间变化时，拱肋内力值随梁拱刚度的增大而减小的幅度较大；但当梁拱刚度比在90～105之间变化时，拱肋内力值随梁拱刚度的增大而减小的程度变得相对较平缓，对于圆弧形拱肋，当梁拱刚度比较小时，此值取为0．24～0．29较为合理，

高速铁路连续梁-拱桥拱梁竖向刚度比分析

研究目的:在梁-拱组合体系桥梁设计中,拱梁刚度比对整体结构的受力和变形、动力特性、稳定性以及施工方法有较大影响,设计中应根据具体情况,合理选择拱梁的相对刚度,以达到最优的结构体系。已有梁-拱组合体系结构性能研究中,拱梁刚度比一般认为是拱肋和主梁构件抗弯刚度的比值,这种计算方法只是简单地将拱和梁的抗弯能力进行比对,并不能准确反映结构刚度。因此,为了真实反映梁-拱组合桥的拱梁相对刚度,有必要基于力学原理科学计算拱梁竖向刚度比,并探讨其对结构性能的影响及结构相关设计参数。研究结论:(1)采用拱肋与主梁跨中竖向刚度之比值作为拱梁竖向刚度比指标更能全面反映梁-拱组合结构的刚度特性;(2)随着拱梁竖向刚度比的提高,边跨主梁的静活载挠度不断增大;在拱梁刚度比增加到一定数值后,边跨主梁挠跨比将大于主跨,结构竖向刚度则可能由边跨主梁刚度控制;(3)随着拱梁刚度比的增大,二期恒载和活载作用下,拱肋分担荷载也逐渐增大,且变化速度明显由快变慢;当拱梁竖向刚度比达到0.621 2后,拱肋分担荷载比增长速度基本趋于稳定;(4)可根据拱肋和主梁竖向刚度比将连续梁-拱组合体系桥划分为3类,即拱梁竖向刚度比小于0.3时,为强梁弱拱桥;大于1.5时,为强拱弱梁桥;介于0.3~1.5之间,为强梁强拱桥;(5)在连续梁-拱组合体系桥设计时,随着拱梁刚度比的增大,宜同步减小边跨与中跨的跨径比;合理边中跨径比上限值y与拱梁竖向刚度比x的关系可取为y=0.414 4x^(-0.105);(6)本研究结果可供梁-拱组合体系桥结构分析和工程设计参考。

劲性体复合地基加固软基试验研究

本文通过布设多种试验仪器,观测劲性体桩加固软土地基,对桩土荷载分配、土工格栅变形、孔隙水压力、地表沉降、深层水平位移等进行了观测和分析。试验结果表明,劲性体复合地基与常规桩承式复合地基具有相似受力和变形特征,同时由于采用“薄壁高强”的优化设计,劲性体复合地基更有利于发挥桩、土、加筋垫层的协同作用。采用劲性体复合地基处治深厚软土地基效果良好,方案可行。

纵筋屈服后刚度对混凝土梁柱子结构抗连续倒塌性能的影响

为探究纵筋屈服后刚度对混凝土框架在中柱失效后结构连续倒塌行为的影响,进行4个1/2缩尺的两跨梁柱子结构拟静力加载试验。其中3个试件配置具有不同二次刚度比的钢-纤维复合筋,另有1个配置普通钢筋的试件作为对比。对复合筋试件和对比试件的荷载/轴力-位移曲线、破坏模式、纵筋应变发展规律和各阶段的承载力进行分析比较。结果表明,梁机制阶段后,复合筋试件处于二次刚度和压拱复合机制阶段,与对比试件有较大不同。纵筋屈服后,复合筋试件各阶段的承载力较对比试件有明显提高。根据虚功原理,建立复合筋试件在梁机制阶段以及二次刚度和压拱复合机制阶段的承载力计算公式,且理论计算结果与试验值符合较好。基于理论计算公式揭示了纵筋的二次刚度比对试件抗连续倒塌承载力的影响规律,并根据分析结果提出复合筋的二次刚度比最大取值不宜超过0.30的建议。

三跨连续下承式梁-拱组合体系桥抗震性能及其参数影响规律研究

针对三跨连续下承式梁-拱组合体系桥的抗震性能及其结构参数影响规律问题,采用SAP2000建立了全桥三维有限元模型,基于能力/需求法评估了桥梁的抗震性能,识别了桥梁的抗震薄弱环节,在此基础上对桥梁抗震薄弱环节进行了IDA分析,进一步评估桥梁的抗震富余度,最后研究了关键结构设计参数对主拱圈地震响应的影响规律。研究表明:全桥的抗震薄弱环节为拱脚、1/4拱和1#单向活动墩、2~#固定墩;2~#固定墩在PGA分别为0.20 g和0.40 g时最早出现纵筋屈服和局部破坏机制,而拱脚在PGA为0.5 g时也会形成局部破坏机制;矢跨比对拱圈地震轴力的影响最大,而拱-梁刚度比对拱圈地震弯矩的影响最大,由于混凝土拱圈以受压为主,抗弯能力较低,因此拱-梁刚度比的影响更关键;减小拱-梁刚度比可大幅降低拱圈的地震内力,但也可能增大系梁的地震内力,在抗震设计中需要平衡。

高矢跨比索拱结构体系设计与研究

以中铁青岛世界博览城十字展廊工程为背景,对高矢跨比索拱结构的力学性能进行了研究,发现索拱结构可有效改善高矢跨比纯拱结构的力学性能,尤其是风荷载作用下水平向抗侧刚度得以显著的提高。采用三角形刚性撑杆的索拱结构力学性能改善最为显著,但张拉构造措施较为复杂,且必然存在一定的预应力损失,于是提出了采用三角形柔性撑杆的弦撑式索拱结构,并进一步探讨了影响此结构形式力学性能的多个关键因素。通过对索桁架顶部结构高度取值研究,发现该值在一定区间变化时,其中起控制作用的性能目标并无显著影响。通过对上弦梁分格数量和尺寸研究,发现随着网格数量不断增加,上弦梁构件应力比逐渐降低。当上弦梁拱脚根部以上区域分格数量超过8时,构件应力比趋于稳定。对拱脚支座水平刚度进行研究,结果表明高矢跨比索拱结构对其边界水平向刚度的要求较低,支座刚度对索拱结构力学性能的影响,实际工程中多数情况下可以忽略。通过对支座是否允许滑动和不同的滑动时机分析,发现索拱结构支座允许滑动,将导致外部荷载作用下支座滑移幅度过大,支座节点难以处理。下弦索可施加的索力有限,无法满足腹索索力始终不松弛的性能目标。最后建议索拱结构两侧均采用不可滑动的铰接支座,并对下部支撑结构进行必要的施工阶段承载力验算,从而保证索拱结构的安全。

高速铁路连续梁拱桥拱梁竖向刚度比对结构性能影响的研究

基于连续梁拱组合体系桥各构件的受力特点,采用产生单位变形所需抵抗力的力学概念定义结构刚度和拱梁相对刚度,以在建的国内最大跨径高速铁路连续梁拱桥为工程背景,通过调整拱肋和主梁的截面形式和尺寸,详细分析了不同拱梁竖向刚度比结构的结构性能。研究结果表明:拱肋对主梁中跨受力和变形性能具有良好的辅助作用;随着拱梁竖向刚度比的增大,主梁边跨受力和刚度可能成为控制结构设计的重要因素;拱梁竖向刚度比达到1.0以上时,其对结构性能的影响程度降低。

梁拱组合连续刚构公路桥拱梁活载分承比研究

为研究梁拱组合连续刚构桥在活载作用下拱与梁的分担比例,将吊杆力等效为膜张力作用于梁拱闭合体上,使用力法推导了三跨梁拱组合连续刚构桥在均布荷载作用下的拱肋活载分担比例的解析解,通过与有限元结算结果的对比,提出既定假设条件下解析公式的修正方法,并通过灰色关联分析法研究了拱梁组合连续刚构桥拱肋活载分担比例的敏感影响因素;结果表明:经与有限元结果比较,本文解析公式的计算误差在±10%以内,推导出的既定拱肋荷载分担比例下拱肋截面抗弯刚度的计算公式可以用于梁拱组合连续刚构桥概念设计中;结论:吊杆与拱肋等代刚度比和梁拱弯曲刚度比kba为影响拱肋荷载分担比例的主要因素,增大拱肋截面刚度可以使拱肋分担更多的荷载;在刚梁柔拱的假定下,拱肋至少能承担30%以上的活载,但当拱肋分担的荷载比例超过60%后,继续拱肋截面抗弯刚度已不能大幅提高其分担的荷载比例。

铁路三拱肋简支系杆拱桥设计参数研究

为了解三片拱肋设计对铁路简支系杆拱桥受力性能的影响,结合某铁路1-80 m三拱肋简支系杆拱桥的结构选型和设计,建立有限元模型,对边中拱梁截面尺寸、拱梁刚度比、合理拱形、横撑布置、吊杆力等主要设计参数进行研究,提出各设计参数的取值建议。研究结果显示:边中拱、梁宜采用相同的截面尺寸;拱梁刚度比宜取1/12~1/4;合理拱形的矢跨比宜采用1/5~1/6,拱轴线宜采用1.8~2次抛物线;加强跨中和1/4跨位置的横撑布置有利于提高结构的整体稳定性;中、边吊杆的成桥索力比值为1.15左右较为合理。