强受扭损伤箱梁加固后的压弯性能研究

为研究某特大跨双索面混凝土斜拉桥因火灾致强受扭损伤的混凝土箱梁能否修复使用,对强受扭损伤加固后主梁的压弯刚度、扭转刚度及抗弯极限承载力开展了模型试验研究,评估灌浆-锚钢加固对主梁的压弯刚度及扭转刚度的影响。依据常用规范公式对箱梁抗弯极限承载力及正常使用极限状态下的变形、裂缝特征进行验算,评估规范中相应计算公式的适用性,并对加固箱梁在压弯荷载作用下的破坏形态进行对比分析。结果表明:灌浆-锚钢加固能有效地提高弯扭剪复合受力下箱梁的压弯刚度及扭转刚度;在压弯荷载作用下,加固梁的最终破坏形态为箱梁底板拉裂至钢筋屈服破坏,顶板混凝土没有被压溃,腹板锚贴钢板基本无损坏,但顶板锚贴钢板与混凝土界面发生了剥离现象,钢绞线未被拉断;GB50010—2010、JTG D62—2012、ACI318M-05规范均能较为准确地计算箱梁的抗弯极限承载力,ACI318M-05规范计算试验梁在正常使用极限状态下的跨中挠度值与实测值较为接近,基本能反映预应力混凝土箱梁正常使用极限状态下的变形性能;GB50010—2010规范计算试验梁的最大裂缝宽度和裂缝间距与实测值均较为接近,基本能反映预应力混凝土大比例缩尺箱梁的裂缝特性。

考虑截面剪切变形时曲线箱梁的弯扭分析

为了分析剪切效应对曲线箱梁的影响,基于薄壁箱梁弯曲理论,用一个剪切翘曲参数来综合表达翼板和腹板的剪切变形,运用能量变分法导出考虑剪切效应及约束扭转时曲线箱梁弯扭挠曲控制微分方程组.通过分析边界条件,采用伽辽金数值法求解上述微分方程,从而得出曲线箱梁的弯扭挠曲应力表达式.数值算例结果表明,按本文公式计算出的曲线箱梁弯扭挠曲应力与实测值吻合良好,验证了本文方法的正确性;腹板的剪切变形对箱梁剪切翘曲应力影响较小,可忽略.通过分析曲线箱梁在竖向均布荷载下的整体正应力可知,剪切翘曲应力占比为15%~20%,而扭转翘曲应力相对较小,占比约为6%.

弯扭联合作用下钢-混凝土组合箱梁受力特性的试验研究

以初始弯扭比和剪力连接度为设计参数,进行了6片简支钢-混凝土组合箱梁弯扭受力性能的试验研究,得到了弯扭联合作用下组合箱梁的破坏模式、极限承载力、截面应变分布和钢梁与混凝土板结合面之间的相对滑移规律。试验结果表明:完全连接的组合箱梁主要表现为弯曲破坏或弯扭破坏特征,部分连接的组合箱梁则主要表现为结合面的滑移破坏。扭矩的存在对组合箱梁的极限承载力和极限弯矩并未产生明显影响。在弯扭联合作用下,在组合箱梁结合面上不但产生沿梁轴纵向的相对滑移,其沿截面横向的相对滑移也不容忽视。

大展弦比机翼剖面刚度分析

通过对变截面悬臂梁在一端受载时,自由端的位移、转角和悬臂梁各剖面刚度之间关系的分析,推导出一种基于有限元模型的剖面刚度计算方法。针对某型飞机,对机翼结构进行适当简化,建立机翼主承力结构的有限元模型,采用所推导出的方法计算了机翼沿展向各剖面的刚度,其结果可为某型飞机机翼结构设计和气动弹性分析提供参考。

曲线箱梁桥悬臂施工应力与线形现场测试研究

通过现场监测和数值模拟手段,分析了预应力混凝土曲线箱梁桥悬臂施工过程中的应力和线形变化规律,讨论了曲线箱梁弯扭耦合效应及日照温度梯度对曲线箱梁桥内力和线形的影响。研究结果表明,曲线箱梁两侧翼缘板应力差值、竖向位移差值及箱梁径向位移随着箱梁曲率、墩身高度和悬臂长度的增大而增大;日照温度应力随温度梯度、约束条件和悬臂长度的变化而变化,其量级可能超过结构的活荷载水平,温度对箱梁标高的影响也不容忽视,且温度应力和温度位移具有滞后效应。研究结论可为预应力混凝土曲线箱梁桥的设计和施工提供有益的参考。

弹性阶段单箱双室梯形结合梁弯扭效应分析

为了研究单箱双室梯形结合梁在偏心竖向荷载作用下的弯扭效应,根据受力平衡原理,给出了偏心竖向荷载的分解方法,以哈大线某铁路结合梁为例,将偏心列车荷载分解为独立的弯曲荷载、刚性扭转荷载和畸变荷载,并采用有限元对各独立荷载作用下的应力进行了分析,主要结论为:单箱双室梯形结合梁在偏心列车荷载作用下以弯曲正应力为主;扭转荷载包括刚性扭转荷载、第一畸变荷载和第二畸变荷载,扭转正应力和第一畸变正应力均沿截面横向呈反对称分布,第二畸变正应力呈正对称分布,第一畸变应力为主要畸变应力;横隔板对扭转应力影响较小,但对第一、第二畸变应力均影响较大。

钢-混凝土组合箱梁的抗扭强度

共进行了9根钢-混凝土组合箱梁的扭转试验,其中4根用于研究纯扭性能,5根用于研究弯扭性能,初步掌握了该类型梁的抗扭机理。组合箱梁截面通过两种机制抵抗截面扭矩:U形钢梁和混凝土翼板组成的组合箱形截面(称为组合抗扭),及混凝土翼板开裂后形成的等效箱形截面(称为混凝土翼板抗扭)。组合箱梁在扭转中,截面上存在组合作用,即混凝土翼板和钢梁间存在相互约束作用。U形钢梁的抗扭贡献在于:它不仅作为组合箱形截面的重要组成部分,自身承担较大的扭矩,而且向混凝土翼板提供纵向约束,抑制混凝土裂缝的开展。在试验分析的基础上,采用钢筋混凝土变角软化桁架模型,建立了适于分析钢-混凝土组合箱梁复合弯扭强度的三维桁架模型。该模型充分满足平衡条件、变形协调条件和材料本构方程,可以较准确地用于预测组合箱梁的极限强度。此外,还对组合箱梁的弯扭相关强度进行了研究。

预制节段式无粘结预应力混凝土箱梁受弯扭剪共同作用分析

预制节段无粘结预应力混凝土箱型桥梁是一种在西方已推广的桥梁结构形式。它满足了人们使用工业化预制件快速施工的愿望。这种结构形式及施工方式可以节省大量施工时间并使施工不受天气影响。与有粘结预应力技术相比,无粘结预应力钢束一般有外保护层,可以防止由于混凝土开裂对预应力钢束的锈蚀损伤,保证结构的耐久性。本文针对预制节段无粘结预应力混凝土箱型桥梁受弯扭剪复杂作用力下的计算模型和破坏机理进行研究,并与德国步伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)从事的试验结果相比较,证明了本文研究结果的正确性。

考虑形心和剪心分离的变曲率箱梁弯扭分析

为考虑曲梁剪心和形心分离和曲率变化对曲线箱梁的影响,针对具有竖直对称轴的矩形断面变曲率箱梁,推导了考虑曲梁剪心和形心分离情况下的平衡方程,然后通过箱梁内任一点的位移方程和内力-位移关系得到考虑曲梁剪心和形心分离的变曲率箱梁的挠曲扭转微分方程,最后得到回旋曲线箱梁的平衡微分方程及其伽辽金求解。

大跨度中央开槽钢箱梁悬索桥颤振关键参数研究

中央开槽钢箱梁作为第三代钢箱梁,可改善结构的气动性能,提高颤振临界风速,但开槽箱梁的优化选型受多种因素影响。为全面阐述开槽箱梁的气动优化选型规律,通过风洞试验和数值方法综合研究了多个关键参数对颤振性能的影响:通过节段模型风洞试验,研究了开槽比对颤振临界风速的影响规律,并获得了多组颤振导数;采用二维颤振直接分析数值算法,研究了钢箱梁的几何参数、质量参数、频率参数和纵向遮盖率等对悬索桥颤振临界风速的影响规律。研究发现:颤振临界风速随开槽宽度增加先增大后减小,存在最优开槽比;开槽宽度增加使质量和质量惯矩增大,质量和质量惯矩的增加有利于颤振稳定性能的提高;随着扭转频率的增大颤振性能增强,竖弯频率则相反;纵向遮盖各工况也存在最优遮盖率,影响颤振的规律与中央开槽类似;颤振临界风速对各个参数的敏感度不同,敏感度从小到大依次为:质量、竖弯基频、质量惯矩、扭转频率。该研究成果可为开槽箱梁的气动选型提供参考。

考虑畸变时两室薄壁箱梁的约束扭转分析

针对目前箱梁桥某些横截面常因较大的畸变作用而产生明显变形,进而严重影响了桥梁的正常使用性能的情况,通过将符拉索夫广义坐标法与哈密顿对偶求解体系结合起来,并采用两端边值问题的精细积分法,求得考虑畸变时两室薄壁箱梁约束扭转问题中截面的翘曲正应力、畸变角及扭转角的高精度数值解,给出了截面的变形图,并通过实例进行了验证。在算例中,该悬臂梁自由端不考虑畸变时的扭转角为0.001 7 rad,与考虑畸变时的扭转角0.036 6 rad相比明显偏小,这就表明在实际工程中考虑畸变是非常必要的。该方法计算简单、适用性强,为结构设计人员提供一种新的分析结构的理论,可方便用于考虑畸变时两室薄壁箱梁约束扭转的计算。

预应力钢-混凝土组合箱梁弯扭全过程研究

为了探讨复合弯扭作用下预应力组合箱梁的受力特性,对其进行了弯扭全过程研究。通过引入预应力影响系数和弯矩影响系数,建立了开裂前预应力组合箱梁复合弯扭作用下扭矩、扭转角计算公式。由受力平衡条件和变形协调条件,建立了开裂后预应力组合箱梁复合弯扭作用下的非线性全过程分析方法。结合试验研究,给出了全过程分析流程图,并与试验所测结果进行了对比分析。分析表明,其误差在22%以内,吻合良好。

复合弯扭作用下预应力单箱组合梁的扭转承载能力分析

组合梁结构在实际工程中常处于弯扭复合受力状态,为探讨预应力单箱组合梁在复合弯扭作用下的扭转承载性能,引入了弯矩影响系数和预应力影响系数,提出了预应力单箱组合梁在弯扭作用下的开裂扭矩计算公式.并在大扭弯比条件下,基于空间桁架理论,推导了预应力单箱组合梁在弯扭作用下的极限扭矩计算公式.为了验证该理论的正确性,设计了4根模型梁试件进行弯扭加载试验.理论计算值与试验值的对比结果表明,由理论计算公式得出的结果与实际吻合良好,可为研究组合梁结构的复合弯扭问题提供一定的理论参考.

基于样条函数的薄壁曲线箱梁弯扭耦合分析

为了更加准确地分析薄壁曲线箱梁弯扭耦合问题,放弃了弯曲时的平截面假设和乌曼斯基对扭转时纵向翘曲位移的假定,在标准的三次样条函数基础上推导出了转换后的三次样条函数,利用该函数来模拟弯曲和扭转耦合情况下的纵向位移,考虑了弯曲时剪力滞后、剪切应变,以及翘曲剪应变的影响,并在弯曲和扭转应变能完全耦合的情况下进行了计算。建立了薄壁曲线梁弯扭耦合分析的哈密顿对偶求解体系,导出了哈密顿正则方程。哈密顿正则方程为一阶微分方程组,便于应用高精度的精细积分法来求解。本文将三次样条插值与精细积分相结合,形成了一种半离散半精细积分的新算法,从一定程度上完善了薄壁曲线箱梁的分析理论。将本文算法与相关文献计算结果进行对比,平均相对误差为4.45%,整体吻合良好。

南水北调工程渡槽结构复合弯扭相关性分析

研究了南水北调工程中箱型和U型二种渡槽的复合弯扭相关性。在综合分析的基础上，分别对箱型和U型二种渡槽单-荷载下和复合弯扭下进行了分析，得到了相关性方程，并进行了分析比较。得出二种渡槽受纯弯时，荷载-位移曲线有明显的屈服平台，而纯扭时，屈服分界不明显。一定扭矩的存在可提高渡槽的极限抗弯强度，且箱型截面极限抗弯强度的提高程度比U型截面的大15％～20％，但扭矩过小或过大都会使极限抗弯强度下降，二种渡槽极限抗弯强度的减幅基本相同。弯矩的存在会降低极限抗扭强度，弯矩越大，极限抗扭强度减幅越大。破坏形态在扭弯比较大时，与纯扭试件相似，而在扭弯比较小时，与纯弯试件相似。得出的复合弯扭相关性的方程可为渡槽的设计提供参考。

偏载作用下组合箱梁桥波形钢腹板的屈曲

通过建立波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥的空间有限元模型,分析钢腹板尺寸参数的变化对弯-扭耦合作用下箱梁钢腹板屈曲临界荷载系数及屈曲模态的影响规律.结果表明:跨中偏载作用下,波形钢腹板的屈曲总是发生在跨中偏载一侧的腹板上;钢腹板折叠角小于20°时,不同箱梁高跨比的钢腹板抗屈曲能力增幅基本一致,折叠角大于20°时,高跨比越小,抗屈曲能力随折叠角增大其增幅越大;不同厚度的钢腹板随折叠角度的增大其抗屈曲能力增大,折叠角大于20°时,钢腹板越厚,抗屈曲能力随折叠角增大其增幅越大;对不同高跨比的箱梁,折叠角度一定、腹板厚度增加时,腹板抗屈曲能力和箱梁抗扭能力的增幅基本相同;折叠角小于20°时,箱梁抗扭能力随高跨比的减小而迅速减小,折叠角大于20°时,箱梁抗扭能力随高跨比增大而线性增大.

复合材料多墙盒段弯扭耦合下的屈曲和后屈曲

针对复合材料典型多墙盒段,采用试验和有限元分析相结合的方法,研究了弯扭耦合载荷作用下的稳定性、承载能力及损伤起始、扩展情况.试验采用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)测量方法捕捉试验件屈曲模态的变化过程,通过载荷-应变曲线获得屈曲和后屈曲破坏载荷.数值仿真基于ABAQUS/Explicit模块,采用Hashin准则结合刚度降的VUSDFLD子程序模拟复合材料的屈曲和后屈曲行为.研究结果表明,多墙盒段在弯扭载荷组合作用下发生屈曲时,扭矩会改变屈曲模态的分布形式和对称性,屈曲鼓包依然保持波峰、波谷交替出现;多墙盒段后屈曲阶段历程较长,屈曲模态由一阶向高阶逐渐发展,直到结构发生过大变形,彻底破坏而失去承载能力.

考虑畸变的起重机薄壁箱梁的自由振动分析

为了提高薄壁箱梁固有频率的计算精确度,基于广义坐标原理,对薄壁箱梁的动力特性进行了分析.首先,通过虚功原理且考虑畸变形变的影响,获取了5种高度耦合模态(延伸、弯曲、扭转、翘曲和畸变)的自由振动微分方程组;其次,考虑转动惯性运动项的影响,建立了简支边界条件下的运动学模型,获得了薄壁箱形梁自由振动固有频率的四阶代数方程,进而求得固有频率的精确解;最后,通过算例将考虑畸变的固有频率精确解与Proki?理论以及有限元分析方法的结果进行比较,验证了该方法的有效性和准确性.结果表明:考虑畸变效应能够更准确地反映高阶状态下薄壁箱形梁的自由振动固有频率;对自由振动的4阶固有频率进行比较,当箱形梁长度为3 m时,本文理论的相对误差相较于Proki?理论的0.42%下降至0.38%;当箱梁长度分别为4 m和5 m时,相对误差进一步下降至0.30%和0.40%.

弯扭耦合下曲线混凝土箱梁截面应力状态的受力机理分析

曲线箱形梁兼具弯梁桥与箱形梁两者的特点,由于曲率的影响,竖向荷载作用下曲线箱梁弯矩与扭矩互相耦合同时存在。根据国内外既有研究成果,对曲线箱形梁空间受力特点及影响因素进行了总结。以60m单跨单箱形截面曲线混凝土简支梁为例,利用有限元软件TDV建立空间板单元模型,分析自重作用下,不同曲线半径下主梁截面正应力及剪应力分布,根据弯曲变形与应变的关系,比较曲线梁桥与直线梁桥正应力横向分布规律,提出用应力增大系数来表征曲线内外侧弧长不同引起的应力变化。研究结果表明,除了受剪力滞后效应影响,曲线箱梁桥截面正应力分布还与内外侧弧长不等引起的应力增大系数有关。

S型曲线钢箱梁桥空间受力特性研究

为分析S型曲线钢箱梁桥的空间受力特性和纵横向剪力滞效应,基于Midas考虑翘曲变形的七自由度梁单元和ANSYS的Shell181壳单元,对一座四跨S型曲线连续钢箱梁桥进行全桥空间精细化仿真建模,研究其在不同荷载作用之下的结构位移、截面应力、支座反力及自振特性,并找出结构的最不利情况及其应力分布规律。经2种有限元单元的结果对比,可知采用板壳单元模型较之梁单元模型对该类桥梁弯扭耦合效应的模拟更为准确,其各项分析结果更偏安全,实际设计中对该类结构应尽可能采用板壳单元进行建模检算。为进一步研究其剪力滞效应,基于ANSYS计算结果研究了该桥各关键截面顶板的剪力滞效应,得出其剪力滞系数的纵横向变化规律,可为今后类似桥梁的设计提供参考。