吊杆断裂破坏安全极限状态下中、下承式拱桥悬吊桥面系简化计算方法

为简化吊杆断裂后中、下承式拱桥剩余结构动力响应的计算方法,提出悬吊桥面系强健性设计破坏安全极限状态,开展了大比例缩尺模型试验,采用ANSYS/LS-DYNA建立不考虑拱肋的悬吊桥面系结构有限元模型,提出弹性支撑悬吊桥面系简化计算模型,并采用五弯矩普通方程式,对弹性支撑悬吊桥面系计算长度进行简化,推导得到了悬吊桥面系简化计算方法;构建18种不同跨径标准拱桥的分析结果验证简化计算方法精度。研究结果表明:破坏安全极限状态恒载γG和活载γQ分项系数分别为1.2和0.9,1车道、2车道、3车道及以上的荷载横向分布系数分别取1.0、0.75和0.52,钢筋和钢结构强度分别取1.25倍和1.05屈服强度、其他材料强度取标准值;不考虑拱肋的悬吊桥面系结构有限元简化计算模型最大正误差仅为11.7%;建议短吊杆、次短吊杆以及长吊杆断裂工况下弹性支撑连续梁模型计算长度分别取D+2L、D+3L和4L,其偏差率分别为2.89%、2.40%、3.66%。吊杆断裂破坏安全极限状态下中、下承式拱桥悬吊桥面系简化计算方法的最大正误差分别为11.4%和10.1%,计算结果具有良好的精度且偏于安全。

中、下承式拱桥吊索张力测定的振动法实用公式

考虑吊索弯曲刚度和两端固定边界条件的影响,引入参数简化吊索张力与其横向振动频率之间关系的超越方程,采用数值计算和曲线拟合的方法,推导出了考虑吊索弯曲刚度和吊索两端边界条件影响的,由吊索振动频率计算吊索张力的实用计算公式,并将该公式运用于下承式拱桥施工现场吊索张力的测定。通过与现场实测数据的比较表明:该公式具有较高的精度和一定的实用价值。

中、下承式拱桥抗震性能分析

以下承式平行拱桥,下承式提篮拱桥和中、下承式斜靠式拱桥为研究对象,采用有限元程序Midas/civil建立3种桥型的空间有限元计算模型,计算其在El Centro波、Taft波地震波作用下的地震时程响应,对其进行抗震性能分析。计算结果表明:横向地震作用对3种拱桥的地震响应起控制作用;拱脚位置和横撑或横向联系处应作为拱桥抗震设计的控制截面,控制截面最大应力满足桥梁抗震性能要求,但平行式拱桥和斜靠式拱桥安全储备不充足,可采取一定的构造措施来保证其抗震安全性;提篮式拱桥主拱内倾和斜靠式拱桥稳定拱的设置对提高拱桥的横向抗震性能效果较为显著;提篮拱桥抗震性能优于平行式拱桥,斜靠式拱桥在横向地震下的拱顶横向位移最小,其抗震性能较好。

中、下承式拱桥吊杆锚具调研雏论

归纳介绍国内中、下承式拱桥主要的结构形式,简要分析了吊杆锚具构造与特点,并对其吊杆系统进行初步探讨,提出了具有一定价值的建议。

中、下承式拱桥断索动力响应分析

以一座中承式和一座下承式钢管混凝土拱桥为工程背景,利用ANSYS瞬态分析功能和单元生死技术分析对断索作用下悬吊桥面系的动力响应进行了研究,并对吊杆破断剩余结构敏感性和易损性进行分析。分析结果表明,加劲纵梁对吊杆破断敏感性指标最高,易损性指标最大,且吊杆破断后加劲纵梁达到最大响应的历时时间最短,属于断索作用下最可能先产生破坏的构件;当吊杆发生锈蚀疲劳等损伤后,剩余吊杆可能先于加劲纵梁发生破坏,而导致连续断索的发生。

基于测点位移差的中、下承式拱桥吊杆损伤识别

根据摄动有限元法原理,提出了基于测点间位移差的变化进行吊杆损伤识别的方法。进行吊杆损伤识别时,先测试吊杆节点间的高程差,并减去损伤前相同2个节点竖向位移差,得到吊杆损伤后2个节点竖向位移差的变化;再通过节点竖向位移差的变化构成吊杆损伤识别方程;当损伤识别初定方程和确定方程识别结果基本一致时,即判定吊杆发生损伤,并取2个方程所得吊杆损伤程度均值作为损伤程度;最后,以京珠高速郑州黄河二桥主桥为例验证了该方法。结果表明:采用该方法进行吊杆损伤识别,识别结果精度较高,即使对于小程度损伤也可识别,且测量误差对识别结果影响较小。

中、下承式拱桥悬吊桥面系强健性加固试验

为增强中、下承式拱桥悬吊桥面系的强健性,以无纵桥向加劲梁的中、下承式拱桥悬吊桥面系为研究对象,提出了一种采用钢管桁架加劲纵梁的悬吊桥面系强健性加固结构,对比分析了悬吊桥面系强健性加固前后吊杆断裂时剩余结构的动力响应;开展了钢管桁架加劲纵梁强健性加固结构模型试验和有限元分析,研究了吊杆断裂后加固结构的受力性能与破坏模式;讨论了精轧螺纹钢筋预紧力、开孔钢板厚度和材质对强健性加固结构受力性能的影响。研究结果表明:采用钢管桁架加劲纵梁加固悬吊桥面系后,长(短)吊杆断裂时桥面系最大竖向位移与应力分别降低了1.30(1.31)和3.31(1.99)倍,与断裂吊杆相邻的吊杆的最大索力降低了1.25(1.25)倍;在弹塑性阶段,钢管桁架加劲纵梁加固结构的开孔钢板发生弯曲变形,横梁下排植筋破坏,达到极限荷载时,中间下侧加劲钢板与开孔钢板间的焊缝发生断裂,随后下弦管与开孔钢板间的焊缝出现开裂而丧失承载能力;精扎螺纹钢筋合理预紧力为50 kN,开孔钢板合理厚度为20 mm;开孔钢板的材质从Q235提高至Q345时加固结构极限荷载增加了11.9%,说明提高开孔钢板的材质强度可有效提高加固构造的极限承载力。综上所述,采用钢管桁架加劲纵梁加固中、下承式拱桥悬吊桥面系可有效增强其强健性。

基于强健性的大跨径钢管混凝土刚架系杆拱桥设计

为提高中、下承式大跨径钢管混凝土刚架系杆拱桥的强健性,提出一套针对该类桥型的基于强健性的设计方法。该方法包括强健性概念设计、强健性结构验算与优化、强健性构造措施三个方面。强健性概念设计可依据现行规范进行;强健性结构验算与优化考虑动力放大系数,对吊杆、系杆破断工况进行受力分析验算,并对结构进行优化;强健性构造措施为在设计使用寿命短于主结构的关键、易损构件时,采取可查可换的构造措施。以六律邕江特大桥为工程实例,采用该方法进行强健性设计,结果表明该桥结构受力满足设计要求;为改善桥面系的强健性,宜设置较强的边纵梁、较弱的次边纵梁和中纵梁;吊杆和系杆采用便于更换的构造,确保桥梁安全。该强健性设计方法可对桥梁关键构件进行强健性定量评价,应用效果良好。

考虑吊杆断裂动力作用的钢管混凝土拱桥等效静力计算方法

为简化吊杆断裂后拱桥剩余结构动力响应计算过程,提升中、下承式钢管混凝土(CFST)拱桥断索时的强健性,采用动力系数考虑断索过程的动力效应,建立一种考虑断索动力作用的中、下承式CFST拱桥等效静力方法;设计并制作跨径20m的下承式CFST拱桥大比例缩尺试验模型,研发一种电磁铁断索触发装置实现了吊杆瞬间断裂模拟,开展吊杆断裂后拱桥剩余结构的动力响应试验研究;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立可考虑吊杆断裂过程的有限元模型,并进行试验与有限元结果的对比分析。构建11种不同跨径的中、下承式CFST标准拱桥,通过不同动力系数下标准拱桥断索时静力效应与动力效应的对比分析,确定各标准拱桥在不同吊杆断裂时的动力系数取值。研究结果表明:研发的电磁铁断索触发器可实现0.1s内断索,准确模拟实际吊杆断裂过程;吊杆断裂对纵梁位移与应力的影响远大于对拱肋的影响,长吊杆断裂对纵梁和拱肋的位移与应力的影响大,次短吊杆断裂对相邻吊杆索力的影响大。采用等效静力计算方法进行中承式CFST拱桥受力分析时,纵梁和吊杆的动力系数均可取1.8,进行下承式CFST拱桥受力分析时,纵梁和吊杆的动力系数可分别取1.8和1.7。

拱桥短吊杆在振动作用下的破损分析及应对措施

通过对中、下承式拱桥柔性短吊杆的受力特性和破坏机理进行分析,详细阐述了在振动作用下短吊杆的结构行为影响因素,并对短吊杆的破坏提出了应对措施,以期推动拱桥的发展。

复杂边界条件下基于频率法的吊杆张力测定研究

考虑吊杆两端弹性支承及拱肋、系杆梁里设置的减振垫减振作用和拱肋、系杆梁附加质量等的影响,基于Euler-Bernoulli梁理论建立了复杂边界条件下吊杆张力与其横向振动频率之间关系的隐式解析表达式,给出表达式中各参数的确定方法,分析边界参数的灵敏度,以京港澳高速公路郑州黄河二桥为实例对计算公式进行验证。计算结果表明:该表达式比较全面地考虑了吊杆实际边界条件,无论对于短吊杆还是长吊杆,计算结果都比较准确;当不考虑拱肋或系杆梁对吊杆的转动约束时,对于短吊杆来说,其边界条件更类似于固接;对于刚性系杆梁刚性拱类型的中、下承式拱桥,吊杆边界约束条件更接近于固接。

断索作用下悬吊桥面系结构动力响应试验研究

中、下承式拱桥吊杆破断引起桥面系垮塌的事故时有发生,现有的相关研究主要集中于吊杆。为研究悬吊桥面系的强健性,以一座下承式钢管混凝土拱桥为工程背景,建立缩尺试验模型,测试悬吊桥面系结构在断索作用下结构的动力响应。试验结果表明,吊杆初始力对断索形态和断索时间均有影响;断索失效时间越短,断索动力效应越大;短吊杆断索动力响应大于长吊杆;断索对加劲纵梁产生的最不利截面位于破断吊杆及相邻吊杆截面处。建立有限元模型,通过断索试验研究验证了数值模拟分析断索动力响应的方法可行性,并提出了数值分析中断索时间和阻尼比参数取值,为断索动力响应分析提供了条件。

斜靠式拱桥稳定性分析

以平顶山市城东河路湛河桥主桥——斜靠式拱桥为研究对象,采用Midas／civil有限元程序．建立了该 拱桥的空间有限元计算模型,分4种工况计算了该桥的稳定安全系数,并对桥梁的失稳特征进行了分析． 本文计算结果对了解该桥及同类斜靠式拱桥的稳定性具有较大的参考价值．