钢-混组合梁荷载-温度效应的统一解析模型

基于欧拉伯努利梁理论,提出非均布荷载、轴向力、梁端弯矩和非线性温度分布共同作用下的有滑移组合梁统一解析模型,推导组合梁挠度、界面剪力、滑移及截面应力的计算公式,开展简支组合梁和连续组合梁算例分析,讨论界面刚度和温度作用对界面滑移和挠度的影响.研究结果表明,组合梁温度作用产生的挠度与界面滑移由等效温度滑移应变和等效温度曲率决定,可以通过将桥面板与钢梁的温度分布各自分解为有效温度、竖向线性温差和残余温度等相互独立的3部分进行计算.简支梁和2跨连续梁算例在温度作用下的界面滑移沿梁长呈现反对称分布,滑移主要集中在距端部小于2 m的范围内,受滑移的影响,组合梁端部桥面板底面的拉应力水平较高,可以超过2 MPa,增加了底面混凝土开裂的风险.提出了温度作用下界面滑移组合梁的挠度影响系数,可以用于组合梁挠度的快速计算,其大小不仅与界面完全连接与界面无连接时组合梁的抗弯刚度比和组合效应系数有关,还受温度作用系数的直接影响.

简支波形腹板钢箱组合截面与传统截面箱梁桥抗震性能对比分析

为研究波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥(CW-SBCCGB)与传统箱梁桥抗震性能的异同,基于截面等效原理,根据某实际工程CW-SBCCGB的单箱截面,等效出波形腹板混凝土箱梁桥(CW-CBGB)和混凝土箱梁桥(CBGB)的单箱截面,再结合动力分析理论和ABAQUS有限元模型对比分析3种截面简支梁桥动力特性和抗震性能的不同。结果表明:3种截面简支梁桥前五阶振型不变,CW-CBGB和CBGB前三阶频率相比于CW-SBCCGB有所下降,但相差不超过1Hz,第四阶及以后频率差异逐渐变大;剪滞效应对CW-SBCCGB和CW-CBGB动力特性影响较大,对CBGB影响较小;在纵桥向+竖桥向和横桥向+竖桥向地震作用下,CW-SBCCGB和CBGB的墩顶位移和跨中位移均大于CW-CBGB结构,CW-SBCCGB主梁跨中截面剪力最小,CW-CBGB跨中截面弯矩最小,说明CW-SBCCGB和CW-CBGB的抗震性能均优于CBGB的抗震性能。

锚下张拉力不足对预制箱梁承载力的影响研究

采用后张法施工的预制箱梁结构现场安装完成后,梁体的锚下张拉力如达不到设计值,将严重影响运营期间的桥梁结构梁体受力表现。以西石河大桥部分预应力混凝土边梁为例,按照结构内力等效的原则确定试验等效荷载,采用相同跨径的简支梁将试验荷载分三级施加于梁体跨中部位,记录梁体相应测点的应变值,实测跨中1/4截面、1/2截面、3/4截面处的挠度值。同时利用Midas/civil结构分析软件,考虑实际边界条件,模拟计算连续梁预制箱梁结构跨中1/4截面、1/2截面、3/4截面处的挠度值,将现场实测挠度与理论计算挠度进行对比求解结构位移校验系数,并与文献记载中的同类型桥跨结构的结构位移校验系数比较,分析评价锚下张拉力不足对桥梁实际承载能力的影响,对同类型的工程问题解决具有一定的参考价值。

多联先简支后连续小箱梁桥抗震性能分析

以某多联先简支后连续小箱梁桥为例,从计算规模确定、抗震设防类别和目标、验算内容和方法、抗震性能和规律等方面对小箱梁桥抗震进行了全面分析。结果表明:多联式小箱梁在E1地震和E2地震作用下,桥墩受力最不利部位均在墩底且受弯控制;E1地震结构处于弹性状态,可通过构件截面初始屈服弯矩判断;E2地震作用下首先采用等效屈服弯矩判断结构是否进入塑性阶段。若结构进入塑性阶段,应重点分析墩顶的位移能力、墩底塑性铰区的转动能力和抗剪强度。研究可为多联小箱梁桥抗震设计和抗震性能评价提供参考。

非对称刚构-连续组合体系梁桥受力特性研究

为给非对称刚构-连续组合体系梁桥的设计与应用提供理论基础,以渝湘复线高速长头河特大桥主桥为背景,引入非对称比例系数研究不对称程度对非对称刚构-连续组合梁桥力学特性的影响,提出采用在连续墩处设置组合阻尼支承体系改善该体系梁桥连续墩处主梁在横向风荷载作用下受力不利的问题。保持该桥主跨跨径180 m不变,调整刚构侧和连续侧单侧主梁长度在主跨范围内的占比,采用MIDAS Civil软件建立10个不同非对称比例系数的刚构-连续组合体系梁桥有限元模型,分析不同模型在恒载、汽车荷载、温度荷载、收缩徐变等作用下的主梁内力和支座反力,以及组合阻尼支座不同水平等效刚度对主梁受力的影响。结果表明:非对称刚构-连续组合体系梁桥不对称程度对结构内力影响最大的荷载为收缩徐变;非对称比例系数m>0.2时需适当加大连续墩处主梁梁高、延长小边跨长度以减小非对称性的不利影响,m最大限值建议采用0.3;在连续墩处设置组合阻尼支承体系,利用阻尼位移使主梁协调变形,能有效降低横向风荷载引起的主梁弯矩和应力幅。

基于等效截面法的蝶形腹板箱梁剪力滞效应研究

根据等效截面原理对箱梁空腹处截面进行等效处理,考虑其横截面轴力平衡关系,建立了腹板剪切变形下的翘曲位移函数,并推导出结构平衡状态下的剪力滞效应微分方程。结合模型试验、ABAQUS有限元模型以及相关文献值,对比分析了蝶形腹板箱梁(简支)在集中荷载及均布荷载作用下的纵向应力分布规律,并得到全梁段剪力滞系数三维分布模型。结果表明:竖向荷载作用下,蝶形腹板箱梁纵向应力呈正剪力滞效应状态分布,且箱梁支点截面和跨中截面的腹板接缝处剪力滞效应较大;集中、均布荷载作用下,研究结果与试验值、有限元值均较为吻合;与文献值相比,两者相对误差(绝对值)在2.00%~2.44%。

考虑吊杆断裂的拱梁组合桥动力响应分析

针对拱梁组合桥吊杆断裂动力响应问题,建立一种考虑吊杆断裂作用的拱梁组合桥等效静力计算方法.通过构建具有代表性的标准拱梁组合桥,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行吊杆断裂冲击作用下拱梁组合桥动力分析.分析结果显示,拱梁组合桥的长、短吊杆断裂,对剩余吊杆与系梁的影响较大,对拱肋的影响较小;短吊杆对剩余吊杆应力的影响程度更大,长吊杆对系梁的动力响应影响更大.采用考虑吊杆断裂作用的等效静力法计算拱梁组合桥动力响应时,短吊杆断裂时动力系数可偏安全地取为0.8,长吊杆断裂时动力系数根据跨径按公式取值.

矩形钢管混凝土-波纹腹板组合梁局部受压承载力研究

利用数值模拟方法对矩形钢管混凝土-波纹腹板组合梁(RCFTFG-CW)的局部承压承载力进行研究。建立了在集中荷载作用下RCFTFG-CW与波纹腹板工字形梁(IG-CW)腹板发生局部承压破坏的有限元分析模型。通过与相关文献结果对比,验证了有限元模型的可靠性。利用验证后的有限元模型研究了RCFTFG-CW的局部承压承载力、应力发展过程以及荷载作用位置对承载力的影响。分析了几何尺寸、材料特性、荷载作用长度(沿梁跨度方向)以及波纹展开长度和波长的比值对RCFTFG-CW局部承压承载力的影响。在参数分析的基础上,提出了RCFTFG-CW的局部承压承载力的设计表达式,并利用有限元分析结果验证了公式的准确性。结果表明,与IG-CW相比,RCFTFG-CW具有更高的局部承压承载力;RCFTFG-CW的局部承压承载力分别与钢管混凝土上翼缘等效惯性矩的1/4次方、腹板厚度、波纹展开长度与波长的比值、荷载作用长度呈线性增长关系;所提出的计算公式能够精确预测RCFTFG-CW的局部承压承载力。

考虑弦杆约束的新型板桁加劲梁扭转变形计算方法

针对某拟建千米级跨度高速铁路悬索桥所采用的新型板桁加劲梁,依据剪切刚度等效原则,构建闭口薄壁箱形梁连续化等效模型;基于截面刚性周边假定,考虑弦杆纵向约束作用,建立连续化等效模型的扭转平衡微分方程,推导得到扭转角解析公式。构建悬索桥连续化等效单梁有限元模型,推导悬索桥加劲梁扭转角解析式。通过算例验证该解析公式计算所得加劲梁扭转角与空间精细化有限元计算结果吻合良好,弦杆纵向约束作用对新型板桁加劲梁扭转变形影响不可忽略。研究结果表明:相比于空间精细化有限元模型,连续化等效单梁模型计算所得悬索桥加劲梁挠度和扭转角最大相对误差分别为1.8%和14.7%,依据解析式计算所得相对误差分别为7.1%和6.3%;对于悬索桥加劲梁扭转刚度初步设计,上述2种方法的精度误差均在可接受范围内,且计算效率大幅提高,具有较好的适用性。

基于板元框架法的钢底板波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为分析钢底板波形钢腹板梯形组合箱梁的畸变效应,利用圣维南原理考虑顶底板对波形钢腹板的约束作用,将组合箱梁等效为钢箱梁的过程中保持面内外抗弯刚度不变,基于板元框架法建立畸变控制微分方程并导出克雷洛夫函数形式的通解。结合数值算例的对比分析验证所提方法的合理性,并研究腹板俯角和梁高变化对畸变双力矩的影响。结果表明:相较于完全忽略腹板的面内抗弯刚度,考虑顶底板对腹板的约束作用更合理;波形钢腹板和钢底板对箱梁的畸变翘曲刚度和横向框架刚度均有较大程度的削弱;传统波形钢腹板组合箱梁的畸变翘曲应力是普通混凝土箱梁畸变翘曲应力的1.98倍,钢底板波形钢腹板组合箱梁的畸变翘曲应力可达传统波形钢腹板组合箱梁畸变翘曲应力的15.31倍;跨中截面附近的双力矩随腹板俯角变化较小,其他截面处的双力矩随腹板俯角的增大而逐渐减小;畸变双力矩随梁高的增大而逐渐增大,且其最大值位置也随之发生变化。

基于能量变分法的钢底板波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为合理分析钢底板波形钢腹板梯形箱梁的畸变效应,按各板件面内外抗弯刚度不变的原则将全截面等效为钢材,利用圣维南原理考虑顶底板对波形钢腹板的约束作用,修正畸变扇性坐标分布模式,基于能量变分法建立畸变控制微分方程。与已有文献及有限元进行对比分析,并研究腹板俯角和波形钢腹板厚度变化对畸变翘曲正应力的影响。结果表明,本文解析解与文献解及ANSYS解均吻合较好;基于圣维南原理修正后的扇形坐标分布模式更合理;利用本文等效方法亦可分析传统波形钢腹板组合箱梁的畸变效应;腹板俯角的设置有利于减小畸变翘曲正应力;波形钢腹板厚度变化对腹板与底板交接处的畸变翘曲正应力影响显著。

风障形式对流线型钢箱梁桥面风场及车辆侧倾影响分析

为确保横风作用下桥上车辆行车安全性,分析风障形式对流线型钢箱梁桥面风场分布及车辆侧倾的影响。以某大跨斜拉桥流线型钢箱梁为背景,采用数值模拟方法分析5种风障形式下车道上方的风速分布;通过分析车辆等效风速以及车辆在地面上和桥上时的车辆气动力系数,推导车辆侧倾临界状态以计算车辆侧倾临界风速,进行不同风障形式下桥上3种典型车辆(集装箱车、厢式货车和轿车)的侧倾分析。结果表明:风障对迎风侧的车道(车道1)上方风速分布影响最显著,距离桥面4 m以下高度的风场变化最剧烈;5种风障形式下迎风车道1处距离桥面1~4 m高度范围风速受影响最为显著;上单元透风率较小时车道1在距离桥面4 m以下高度的风速有所降低,风障向外倾斜一定角度时对于行车安全更有利,风障折角位置对车道1风速分布的影响不明显;对于集装箱车,5种风障形式下桥上车辆最大和最小侧倾临界风速分别为43.3、33.5 m/s,较地上车辆分别提高了73%和31%。

基于WIM的钢-混组合梁桥疲劳荷载模型研究

为研究钢-混组合梁桥疲劳荷载模型,采用动态称重系统(WIM)获取山东地区高速公路10个月的交通荷载数据,建立有限元模型分析车型、总重对疲劳评估结果的影响规律,基于等效损伤理论对疲劳荷载模型进行推导。研究结果表明:外侧车道存在42.0%的疲劳致伤车辆,其中二轴货车比例最高、六轴货车次之,五轴货车最少;交通荷载总重呈多峰分布特点,峰值集中于30kN、130kN、350kN,超载车辆占比不足1%;提出的钢-混组合梁桥疲劳荷载模型推导方法可行,建立了总重315kN的钢-混组合梁桥疲劳荷载模型,供同类型桥梁疲劳评估时参考使用。

基于随机振动理论确定桥梁地震碰撞的临界间隙

确定梁桥邻跨间避免地震碰撞的最小间隙,对于梁桥地震碰撞危险性预测及防地震碰撞措施的设计有着显著意义。本文基于随机振动理论建立梁桥地震碰撞邻跨临界间隙的计算方法,分析模型采用跨径不等的两跨简支梁桥,且考虑隔震支座非线性恢复力的影响。文中首先建立了系统的非线性运动方程;随后运用随机等效线性化理论将其线性化;最后在复模态空间推导了临界碰撞间隙的均值与方差的计算方法。人工地震动的非线性时程分析结果验证了本文算法的正确性。参数分析表明,临界间隙随邻跨长度比增大而增大,随支座屈服力与上部结构重量比值减小而增大,随隔震支座屈服位移增大而增大,随桥墩振动周期增大而增大。隔震支座屈服前后刚度比值对临界间隙大小影响很小。

车轮荷载下钢箱梁疲劳构造细节应力等级评定

针对车轮荷载作用下钢箱梁的疲劳构造细节等级评定问题,基于应力影响线,研究钢箱梁9种疲劳构造细节的局部疲劳应力。根据等效损伤原理对最大应力幅进行修正,并以此为依据划分钢箱梁疲劳构造细节。结果表明:车轮荷载对钢箱梁9种疲劳构造细节的应力影响范围均较小,横隔板与顶板、纵肋相交处的应力影响范围为横隔板间距;顶板与纵肋相交处、纵肋对接处以及顶板对接处,应力影响范围为横隔板间距的1/2。钢箱梁横隔板与纵肋相交处的修正等效应力幅最大,纵肋对接处的修正等效应力幅最小。考虑受力和施工质量,钢箱梁疲劳构造细节可划分为5个疲劳应力等级,并给出9种疲劳构造细节对应的等级。

桥梁隔震设计中几种等效线性化方法比较研究

对LRB桥梁设计领域中流行的几种等效线性化方法进行了研究。对各个方法的等效刚度与等效阻尼比的计算进行了比较,确定了其参数敏感性,并对导致其不同的原因进行了初步分析,并分别比较了传统的经典阻尼理论与最新的模态应变能理论求解隔震系统阻尼比的计算方法。针对系统阻尼对桥梁设计反应谱的影响,列举了包括直接位移法在内的几个影响系数计算公式,分析了其中的异同。以一座实桥为例,通过与非线性时程分析比较,对各个等效线性化方法进行了评价。所有的方法大部分情况下均高估了结构的位移响应,即均低估了结构的阻尼。不同方法对结构力与力矩响应的评估水平不同,但是对隔震设计均能起到较好的指导意义。

大跨度桁式加劲梁悬索桥气弹模型等效设计

针对大跨度桁架加劲梁悬索桥气弹模型设计中主梁等效刚度计算问题,以矮寨大桥为实例,建立不同长度空间桁架加劲梁节段模型有限元模型,通过悬臂梁位移法反算得到主梁的等效刚度特性,研究了不同荷载施加方式以及不同梁段长度对等效刚度特性的影响。在此基础上,进一步采用等效弹簧模拟桥塔及边主缆对主跨的约束刚度,简化了边主缆和桥塔,设计了刚性桥塔结合主缆串联等效弹簧的等效单主梁气弹模型,使气弹模型更加充分的反映主跨结构的风振响应。

新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比计算方法

为确定新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比的合理取值,基于阻尼等效前后复频率相等原则,利用复频率和组合结构材料阻尼比之间的关系,提出新型波形钢腹板组合箱梁各阶模态等效阻尼比计算方法。采用有限元软件建立3个新型波形钢腹板组合箱梁的动力分析模型,利用该方法计算得到该新型组合结构等效阻尼比并与实测结果进行对比。结果表明:采用该方法求得的新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比与试验测试结果吻合较好,进一步可说明该方法物理意义清晰明确,能够较准确地反映新型波形钢腹板组合箱梁的阻尼耗能特性。建议在对新型波形钢腹板组合箱梁进行动力特性分析时,等效阻尼比取为0.03。

预应力混凝土桥梁分析的虚拟层合单元法

通过将预应力束对桥梁结构的作用转化为等效荷载,提出了用虚拟层合单元法分析预应力混凝土桥梁的方法。结合一座具体的桥梁进行了实例分析计算,同时利用有限元通用分析程序SuperSAP进行了对比。结果表明,采用虚拟层合单元法分析预应力混凝土桥梁能够给出令人满意的结果,并且具有划分单元数目少、计算效率高、适应性强的优点。

变截面箱形梁桥剪滞效应的近似计算方法

本文在等截面连续箱形梁桥剪滞效应变分法的基础上,通过对影响截面剪滞系数诸要素的分析,提出了一种以当量等截面代替变截面连续箱梁的近似计算方法,以期为变截面箱形连续梁桥的工程设计提供一种简单、有效的计算方法.