新型空心管状翼缘钢板组合梁设计理念与力学性能

工字钢组合梁桥正朝着少主梁、精简横向联系的方向发展。与传统多主梁复杂横向联系组合梁桥相比,双主梁桥由于采用了开口截面的结构形式,极大地削弱了其抗扭能力,在偏载作用下会产生较大的变形及翘曲应力,使钢主梁处于弯扭耦合的受力状态。空心管状翼缘钢板组合梁采用空心钢管取代传统的平板上翼缘,提升了稳定性,改善了结构性能。本文通过理论分析和实体有限元法的计算,研究了单梁在自重与横向风荷载作用下的稳定性;对非组合截面的组合体系下的稳定性能进行了分析与比较,并分离出扭转翘曲应力和纵向正应力,研究了不同跨径下扭转效应的影响。最后,对横向联系、加劲肋的影响进行了分析。研究结果表明,空心管状翼缘钢板组合梁桥扭转刚度大于传统工字形截面组合梁扭转刚度,自身横向稳定性好,并且需要较少的横向联系与加劲肋,可实现单梁吊装,避免采用过多临时加固及支撑措施,提高施工效率。

圆管翼缘钢-混凝土新型组合梁负弯矩区力学性能试验研究

为研究圆管翼缘组合梁负弯矩区的力学性能,进行了5根简支组合梁负弯矩作用下的静力加载试验,分析了试验梁的变形、应变发展规律。依据试验梁承载能力极限状态下的受力特性,采用简化塑性理论推导了圆管翼缘组合梁负弯矩区纯弯、纯剪承载力的计算公式,比较了公式对试验梁极限承载力的计算精度。对比EC4、GB50917—2013、ASCE及Liang等公式的弯剪相关关系及对试验梁极限承载力的计算结果,提出了圆管翼缘组合梁负弯矩区弯剪相关承载力的适用计算公式。研究结果表明:试验梁在试验过程中表现出良好的稳定性和延性性能,最终破坏时伴随发生了局部剪切屈曲、下翼缘侧向屈曲、梁端腹板压屈及钢梁整体弯扭屈曲等4种典型破坏形态;当混凝土翼板受拉开裂后,不计混凝土抗剪作用的计算弹性剪应变分布较为符合实测剪应变曲线;受高剪力、高弯矩相关效应影响,计算负弯矩区圆管翼缘组合梁承载力时应考虑弯剪相关作用;GB50917—2013给出的弯剪相关关系对试验梁极限抗弯承载力的计算平均值为96%,是综合计算精度与结果安全性的较适用公式。建议在应用所提纯弯、纯剪承载力公式的基础上,采用GB50917—2013的弯剪相关公式计算负弯矩区圆管翼缘组合梁的弯剪相关承载力。

波形钢腹板管翼缘组合梁抗弯性能试验研究

为研究波形钢腹板管翼缘组合梁的受弯破坏形态及弯曲受力性能,制作2根试验梁进行纯弯试验,研究波形钢腹板管翼缘组合梁施工阶段(试验梁C1)及使用阶段(试验梁C2)的破坏形态及跨中挠度、界面滑移、纵向应变的发展规律。结果表明:试验梁均发生塑性弯曲破坏,其受弯破坏过程可近似划分为弹性、弹塑性及破坏3个受力阶段;试验中各试验梁均未出现腹板剪切屈曲;试验梁C2的管翼缘与混凝土翼板间未出现界面滑移或破坏,二者协同工作性能良好;受薄板褶皱效应影响,波形钢腹板管翼缘组合梁的截面弯曲变形不再符合常规梁理论"平截面假定",但仍可近似按"拟平截面假定"分析。

管翼缘组合梁桥设计与结构分析

管翼缘组合梁是指将传统工字钢-混凝土组合梁中的平钢板翼缘用钢管混凝土替代的新型组合结构,具有更高的强度、刚度以及稳定性。眉县常兴镇段2号桥是国内首座管翼缘组合梁桥,而且采用了混合设计、耐候钢、压型钢模板等多项创新型设计,是新结构与新材料的有机结合。以该桥为工程背景,介绍管翼缘组合梁桥的结构设计特点与施工要点,并对该桥设计中的多项创新点进行重点介绍。

双管翼缘钢-混凝土新型组合梁抗弯性能试验

提出了2种新型双管翼缘钢-混凝土组合梁截面形式:钢梁上翼缘为圆形钢管混凝土、下翼缘为矩形钢管混凝土(DFCG-1)与钢梁上、下翼缘均为矩形钢管混凝土(DFCG-2)的管翼缘组合梁。为研究此2种双管翼缘组合梁的抗弯性能,对1根DFCG-1和1根DFCG-2进行了跨中双点对称加载试验,分析了试验梁的变形、应变变化规律。依据试验梁弹性、弹塑性状态下的实测受力性能,采用简化弹塑性理论及结合应力-应变协调的弹塑性理论推导了双管翼缘组合梁屈服弯矩、极限抗弯承载力的简化计算公式。研究结果表明:试验梁破坏时表现出明显的塑性弯曲破坏特征,其破坏过程可分为弹性、弹塑性与破坏3个阶段;加载过程中,试验梁未出现平面内与平面外整体失稳,且未发生局部弹性失稳破坏;梁端钢管与内填混凝土间无相对滑移,管翼缘与混凝土翼板间最大滑移小于1.3mm,钢混组合截面各部分协同工作性能较好;DFCG-1,DFCG-2的位移延性系数分别为3.68,4.53,体现出较好的延性性能;DFCG-1,DFCG-2在抗弯刚度、承载力、破坏形态等力学性能上总体表现基本一致,但当翼板混凝土因压溃而退出工作后,DFCG-1更低的腹板高度使其较DFCG-2具有更好的腹板屈曲稳定性;所提公式计算结果与试验值吻合较好,可用于双管翼缘组合梁抗弯承载性能计算分析。

圆管翼缘钢-混凝土新型组合梁极限抗弯承载力与延性

为研究圆管翼缘组合梁的抗弯性能,进行了3根圆管翼缘组合梁静力加载抗弯破坏性试验,分析了试验梁的抗弯破坏过程与破坏特征;考虑混凝土损伤塑性本构及栓钉滑移与断裂,建立了圆管翼缘组合梁非线性数值模型,基于试验结果分析了数值模型的适用性;以钢梁下翼缘宽度、混凝土翼板厚度与圆管管径为主要结构参数,计算了48根正交设计的圆管翼缘数值模型组合梁的力学性能;依据试验梁与数值模型梁的抗弯受力性能,提出了基于简化塑性理论的圆管翼缘组合梁极限抗弯承载力计算公式;应用数值模型梁位移延性系数计算结果,回归得到了圆管翼缘组合梁位移延性系数计算公式。计算结果表明:数值模型组合梁与试验梁承载力比值为0.99~1.03,挠度比值为0.87~1.09,因此,弯矩-挠度计算曲线与试验曲线吻合良好,可采用数值模型组合梁准确模拟圆管翼缘组合梁的抗弯全过程受力行为;圆管翼缘组合梁极限抗弯承载力随钢梁下翼缘宽度、混凝土翼板厚度的增大而增大,随圆管管径的改变变化较小,位移延性系数随混凝土翼板厚度与圆管管径平方的增大呈线性增大,随钢梁下翼缘宽度的增大呈线性减小;不同塑性发展程度的各类模型梁位移延性系数为3.16~7.19,体现了较好的延性;采用极限抗弯承载力简化计算公式与圆管翼缘数值模型组合梁计算的极限抗弯承载力比值为0.91~1.09,平均比值为0.98,因此,公式计算结果准确;为使圆管翼缘组合梁具有一定延性,建议位移延性系数大于3.5。

带混凝土翼板的圆管上翼缘钢-混凝土组合梁抗弯性能

考虑不同加载方式与下翼缘宽度,对3根带混凝土翼板的圆管翼缘钢-混凝土组合梁进行抗弯性能试验,分析了试验梁的抗弯承载性能与破坏形态;基于试验梁的抗弯特征,推导了组合梁屈服弯矩和极限弯矩简化计算公式。研究结果表明:试验梁均发生典型的塑性弯曲破坏,稳定性良好;达到极限承载力时,梁端处上翼缘钢管与混凝土翼板相对滑移均小于0.43 mm,试验梁体现了良好的协同工作性能;随下翼缘宽度的增加,试验梁刚度与承载力增大,对于下翼缘宽度分别为150、260、300 mm的试验梁,其屈服弯矩的比值为1∶1.44∶1.55,极限承载力的比值为1∶1.31∶1.40;随着试验梁承受弯矩的增大,当中性轴上升至混凝土翼板时,钢管混凝土处于受拉状态,可不考虑钢管与内填混凝土的套箍效应,而当塑性中性轴位于上翼缘钢管混凝土内时,可不计入该套箍作用对极限抗弯承载力的影响,但其可促进延性的继续发展;试验梁的位移延性系数均大于3.35,延性较好;屈服弯矩、极限弯矩理论计算值与试验值的比值分别为1.02～1.04、0.96～1.03,吻合良好,因此,所出提出的简化理论计算公式简单、可靠。