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。

中等跨径钢板组合梁截面布置优化

为了实现钢板组合梁的标准化设计,达到进一步推广应用的目的,以跨径30 m的先简支后桥面连续钢板组合梁桥为研究对象,结合目前中国钢-混组合梁桥的设计规范,以全桥造价及全桥钢材用量为目标函数,以钢板组合梁截面尺寸布置参数和主梁数量为设计变量,并以应力、变形、局部稳定和规范构造要求为约束条件,建立钢板组合梁截面参数的优化模型,并采用遗传算法展开优化分析.优化结果表明:所提算法稳定可靠、效率高,依托工程的结构截面布置有较大的优化空间.当桥宽和车道布置不变时,采用6梁式截面的全桥造价最少,相对原始设计截面可节省约13%的费用;采用4梁式截面的全桥钢材用量最少,为128.65 kg/m^(2),相对原始设计截面可节省约27%的钢材用量.优化结果可为中等跨径钢板组合梁桥的截面设计提供参考.通过经济性分析发现,当主梁间距分别取约2.3、3.2、4.8 m时,跨高比的经济取值分别为20~23、18~21、14~17.

分体箱梁中央隔涡板涡激振动抑制机理研究

借助风洞试验和计算流体力学对分体钢箱梁的涡激振动性能及中央隔涡板的抑振效果与机理开展研究,对比不同形式(水平隔涡板、一道竖向隔涡板、两道竖向隔涡板)和尺寸中央隔涡板的抑振效果,并根据流迹与速度云图对不同形式中央隔涡板的抑振机理进行分析。结果表明:开槽顶部水平隔涡板能够阻碍开槽处的气体对流,降低开槽内部及断面周围气流速度,增加旋涡移动和脱落难度,从而在一定程度上抑制涡激振动,抑振效果随隔涡板宽度增大而增加;开槽内部竖向隔涡板能够将旋涡稳定在隔板分隔出的几个小区域内,避免产生稳定的旋涡脱落,进而有效抑制涡激振动,设置两道半高竖向隔涡板比设置一道全高竖向隔涡板效果更好,但需对两板间距进行优化。

高铁箱梁桥顶板纵向加筋对其声振特性的影响

伴随着高速铁路箱梁桥的大规模建设,列车经过时引起的高架桥低频声辐射问题已成为限制其发展重要因素之一。为了缓解列车经过箱梁桥时的声辐射问题,有必要开展桥梁降噪措施研究。以高速铁路箱梁桥为研究对象,对箱梁桥顶板增设纵向筋板,采用多体系统动力学软件UM及有限元-边界元方法建立车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型和声学预测模型,对原结构箱梁桥和加筋板箱梁桥的振动加速度、辐射声功率、线性声压级和声场分布等进行分析,研究顶板纵向加筋对箱梁桥声振特性的影响。研究结果表明:增设纵向筋板后箱梁桥各个板件振动加速度都明显减小,在顶板处减幅最大;增设纵向筋板后箱梁桥的辐射声功率和声压级明显降低,降噪效果良好;其对桥上声场的降噪效果好于桥下和桥侧声场。

钢板结合连续梁桥结构噪声分析

为了探究钢板结合梁桥的振动噪声,建立车-轨-桥耦合动力分析模型,获得了列车与桥梁的动力反应,后将此动力反应作为声学边界条件求解得到了钢板结合梁桥的结构噪声辐射,并对噪声辐射影响参数进行了探究.研究表明,列车过桥时,桥梁的结构位移呈现出周期性变化,各测点的竖向加速度均大于横向加速度;全桥结构噪声表现为全频段内均有衰减,高频区段衰减速率较低频段快;当车速提高时,各场点的总体声压级逐渐变大,车速从200 km/h升至260 km/h时,各场点声压级的上升幅度更大;双向行车时总体声压级显著增加,但各板件在峰值声压级时的贡献量比例无显著变化;有板肋时,顶板声压级贡献量较上翼缘板的更大,无板肋时则相反.添加板肋能够对局部结构进行优化,但对于整体的降噪效果影响不大.本桥板肋布置间距宜在5.2m左右.

钢箱梁顶板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数与效果分析

为研究钢板加固钢箱梁顶板-U肋疲劳裂纹的具体加固参数与加固效果,以加固件长度与厚度、是否设置加劲肋为变化参数,建立局部有限元分析模型,通过分析顶板-U肋焊趾处应力,评估受损构件的钢板加固效果,并提取裂纹尖端应力强度因子,研究不同参数对于加固效果的影响规律。结果表明:采用钢板加固顶板-U肋焊缝细节,可使模型中焊趾应力峰值降低约40%;胶层破坏时通常从顶板处开始破坏,现场加固时应确保顶板处胶层粘贴紧固;当钢板长度大于裂纹长度时,钢板长度对裂纹尖端应力水平影响较小,加固时保证钢板能够完全覆盖裂纹即可;当钢板板厚达母材板厚的1/2时加固效果趋于稳定,实桥加固时可取板厚为母材板厚的一半;与未加固裂纹相比,采用带加劲肋钢板可将裂纹尖端应力强度因子降低约50%,建议在加固时采用带加劲肋钢板,进一步提升加固效果。

钢箱梁正交异性板加劲肋计算分析

正交异性钢箱梁具有抗扭刚度大、横向抗弯刚度大、整体性强、工厂化程度高、工期短等优点。同时顶板还可以兼做桥面系梁使用,总用钢量较同跨度钢箱梁少,在各种桥型中得到了广泛的应用。然而正交异性钢箱梁顶板所用钢板较薄,是典型的薄壁结构,在轴向压力较大时容易产生畸变或过大的局部变形,从而导致桥梁垮塌。运用有限元计算软件建立模型对钢箱梁正交异性板加劲肋进行计算分析,发现纵向加劲肋中心间距的变化对顶板跨中处的最大横向应力不产生影响却对第二体系应力影响较大,钢箱梁正交异性板的最大计算应力随着加劲肋间距的增大而增大,但被加劲板的控制应力则随着加劲肋间距的增大而减小。

引江济淮淠河总干渠渡槽桥概念设计

引江济淮淠河总干渠渡槽桥是安徽省1号工程引江济淮河道上的一座通水、通航桥梁,桥上水体重量约4万吨,且旱、涝水位变幅极大,属于超量级可变重载。针对该桥竖向刚度和竖向位移、开口断面抗扭能力以及先建后挖的边坡稳定和基础变位等难以控制的问题进行概念设计。该桥采用左右分幅、上桁下拱的结构方案,有效控制了下挠和上拱值,较好地解决了竖向刚度和竖向位移变幅问题;采用上开下合布置形式,梁式U形槽下设置2个拱片+M形横联,有效控制了侧倾和压弯下挠,解决了U形槽的横向变形和扭转问题;采用外桁内波布置,创造性地采用了一种波形板槽壁,通过叶摆式支撑板连接在桁架桥上,解决了水槽与桥体传递力线、水凉钢热的温差效应、水体与桥槽的流固耦合等问题,并采用水工试验等验证了结构的减振作用;采用分阶段的土体开挖施工方案,形成时间差,解决了先建后挖的边坡稳定和基础变位问题;设置分流岛结构、观景平台和监控景观塔,解决了大体量桥体景观设计问题。充水试验结果表明桥梁结构状态良好。

钢箱梁第二体系应力的实用计算方法对比

文章以G107武汉市东西湖段(高桥二路—额头湾)快速化改造工程九通路钢箱梁为例,采用Midas Civil 2020分别建立钢箱梁第二体系的单肋模型、梁格模型和梁板模型,通过对比3种建模方式下钢箱梁第二体系应力大小,论证了单肋模型的计算结果偏安全,为同类型桥梁的计算分析提供参考。

波形钢腹板组合箱梁动力特性分析

以哈密顿原理为基础,综合考虑剪力滞、手风琴效应的影响,推导了组合箱梁的控制微分方程及其闭合解,分析了剪力滞、手风琴效应等参数对组合箱梁动力特性的影响。结果表明:计算结果与有限元值吻合良好;剪力滞和手风琴效应对组合箱梁的竖向刚度有减小作用;随箱梁高跨比的增大,频率阶数的升高,手风琴效应和剪力滞的影响表现越明显;不同波纹钢腹板型号对组合箱梁的竖向刚度影响较小。

单线小曲线切翼缘简支箱梁施工技术研究

主要研究了在高铁车站出站口变线处及其他特殊周边环境下曲线半径过小导致梁缝的宽度过大不能保证线路的平顺性,以及由于桥梁景观的要求而进行的箱梁特殊设计及施工的问题。分析了在曲线半径过小的情况下,桥梁设计中的处理原则和方法,以及在预制过程中模板设计的要点、支座板的位置、接地端地的位置、接触网及下锚拉线的位置、桥面无砟轨道预埋套筒的位置、钢筋尺寸、张拉力的变化等质量控制要点。

基于抗扭刚度的钢板组合梁桥横向稳定性研究

钢板组合桥梁性能优异,但在偏载作用下有可能发生横向失稳,因此保证其横向稳定性十分重要。文章采用有限元分析研究了考虑抗扭刚度的钢板组合梁桥的横梁间距对内偏及外偏布载下钢板组合梁桥横向稳定性的响。结果表明横梁间距对内偏及外偏作用下纵桥向弯矩无明显影响,外偏布载相较于内偏布载对钢板组合桥梁横向稳定性的影响更显著,因此需严格控制车道外偏荷载的大小。该研究能够为今后钢板组合梁桥的设计提供参考。

预应力CFRP板加固多跨连续梁桥纵向受力相互影响分析

为研究预应力CFRP板加固多跨连续梁桥各跨纵向受力相互影响关系,本文基于新沐河连续梁桥工程背景,建立了连续梁桥预应力CFRP板加固模型。研究了预应力CFRP板加固多跨连续梁桥跨间的相互影响规律及预应力锚固位置对加固效果的影响规律,最后给出了全桥各跨达到一致加固效果时各跨张拉预应力比值。研究结果表明:多跨连续梁桥预应力CFRP板加固会引起相邻奇数跨挠度增加,相邻偶数跨产生反拱效应,对相邻第二跨后的影响明显减小;相较于简支梁桥,连续梁桥的邻跨对加固效果有削弱抑制的效应,抑制效应与加固跨所在的位置有关;中间跨与其邻跨张拉预应力比值为1∶0.3时能有效减小对邻跨的影响且对加固跨的加固效果影响较小,对桥面的平顺性影响最小。

钢板结合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应分析

为研究钢板结合梁斜拉桥混凝土桥面板的剪力滞效应,以泸州河东长江大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立主桥空间有限元模型,计算各阶段钢板结合梁混凝土桥面板剪力滞系数,与规范计算结果进行对比,并分析桥面横坡对桥面板剪力滞系数的影响。结果表明:桥塔根部截面施工阶段、通车阶段和运营阶段桥面板剪力滞系数分别约为1.4、1.203和1.46,剪力滞效应明显大于其余截面。现行《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)和《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)对桥塔根部截面剪力滞系数计算偏安全,对跨中截面,前者计算结果与实际受力不符,后者通车阶段、徐变后期及运营阶段的计算结果与有限元计算结果较接近,但施工阶段最大悬臂状态计算结果偏小。桥面横坡每增加1%,桥面板剪力滞系数约增大5%,工程设计中应根据实际建桥条件选择合理的桥面横坡。

在役钢板组合梁桥的时变体系冗余性

为研究多梁式钢板组合梁桥应对非对称极端作用的体系非线性冗余性能,沿着结构的传力路径和体系的再平衡过程,辨识了体系承载的3种弯曲失效模式,推导了体系弹性分配和塑性再分配能力的定量评价新指标,建立了考虑承载机制经时变异性的时变体系冗余性评估方法。基于MATLAB/OpenSEES编制了单元纤维的时变演化参数组管理程序,研究了材料劣化对体系再平衡和内力重分配性能的影响规律;采用数值增量算法,开展了结构在非对称荷载下的弹塑性全过程分析,并通过与构件-体系层次的破坏性试验对比验证了数值模型的准确性,进而建立了基于纤维宏单元的时变体系非线性冗余数值模拟方法。研究结果表明:材料劣化会导致体系从多梁协同承载机制向单梁承载机制转换,并引起构件延性、体系冗余性和可靠性发生不同程度的退化;更适应现场快速装配需求的少主梁或少横联形式容易在服役年限出现构件安全性和体系冗余性不足的情况。主梁、中部横联和端部横联的失效对体系承载性能影响较大,为钢板组合梁桥的关键构件,其他横联的敏感性较低,为非关键构件。

金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术

四川沿江高速金沙江特大桥设计采用单跨1060 m简支钢桁加劲梁悬索桥,主缆中心距27.5 m,垂跨比1/9,吊索标准间距15 m。针对钢桁梁的立面布置、主横桁平联形式、桁架各杆件截面形式等,从结构受力、施工便利性及经济性等方面进行对比分析,最终确定大桥采用7.5 m桁高带竖杆华伦式K形平联钢桁架结构,栓焊结合连接方式,主弦杆及平联采用箱形截面,其他杆件采用H形截面;桥面系采用带小纵梁的密横梁体系正交异性钢桥面板,密横梁间距2.5 m。静、动力计算结果表明,钢桁梁强度、刚度均满足规范要求。设计采用的钢桁梁解决了桥址区运输、安装困难的问题,用钢量小,经济性突出。

桥梁主梁颤振临界风速预测的瞬时功率平衡算法

桥梁跨度的持续增大导致其风致振动问题尤为突出,其中颤振失稳作为一种发散性振动是大跨度桥梁抗风研究的关键内容。基于颤振临界状态瞬时功率平衡的思路,采用非线性优化提出一种大跨度桥梁颤振临界风速预测的算法。针对弯扭耦合的两自由度运动系统,二维桥梁断面的风致自激力和结构力对系统的能量贡献依赖于折算频率、风速以及竖向与扭转运动的幅值比和相位差。由此根据颤振临界状态瞬时功率平衡的原则,将颤振临界状态的预测转变为瞬时功率平衡目标函数最小值的求解问题。采用薄平板断面进行颤振临界状态分析,通过与节段模型风洞试验和经典二维颤振分析方法结果对比,验证基于瞬时功率平衡颤振分析方法的可行性和准确性。相较于以受力平衡为主要特点的传统分析方法,所提方法更加清晰且量化地呈现出颤振过程多种气动力分量之间的贡献关系,能够精准描述桥梁断面颤振发生时的系统状态,实现结构颤振临界状态的合理评估。

高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥稳定性研究

为研究高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定性,依托主跨300 m深茂铁路虎跳门水道特大桥,采用有限元软件ANSYS建立以梁单元为主的空间杆系有限元模型,对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥开展线弹性稳定分析,并进行考虑几何初始变形及材料弹塑性的非线性稳定性分析。结果表明:在弹性稳定分析下,该桥梁的一阶失稳形式为主梁整体纵飘及塔纵弯失稳,二~四阶均为桥塔处的主梁下弦杆首先出现横向偏位而局部失稳;在运营阶段弹性稳定系数最小为7.639,第二、三阶和第四、五阶稳定系数分别相同且失稳形式为对称失稳;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)后,一阶稳定系数减小6.39%;考虑非线性因素影响后稳定系数降低明显,仅考虑几何非线性因素的影响后一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低11.23%、9.01%和10.13%,而考虑几何及材料双重非线性因素影响后,一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低67.78%、60.63%和52.56%,表明材料非线性对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数影响更为显著;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)以及双重非线性因素影响后,铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数为1.985,大于规范1.7的要求。

贵州凯峡河特大桥总体设计

贵州凯峡河特大桥为(180+230)m不对称半飘浮体系独塔结合梁斜拉桥,桥梁依次跨越凯峡河河谷和U形溶蚀槽谷。主梁采用双边“上”字形钢主梁与混凝土桥面板组成的结合梁,全宽30 m,桥面板采用C55高性能混凝土。桥塔采用“人”字形结构,塔高117 m。斜拉索采用环氧喷涂钢绞线成品索,按空间双索面扇形布置,单个索面布置18对,全桥共72根斜拉索。索塔锚固采用钢锚梁;索梁锚固采用锚拉板,为适应空间索面斜拉索锚固,锚拉板与钢主梁腹板采用小角度弯折焊接。桥塔采用爬模法施工,钢主梁采用桥面吊机悬拼。分别采用有限元软件MIDAS Civil和MIDAS FEA对斜拉桥进行总体和局部计算,结果表明该桥各项指标均满足规范要求。