大跨度上承式钢管混凝土拱桥受力性能分析

研究目的:为系统地掌握西北地区大温差、峡谷风、高震区共存的复杂建设条件下上承式钢管混凝土拱桥的力学性能,以一座净跨400 m的公路同类型拱桥为例,按照现行设计规范,采用统一模量法建立三维杆系有限元模型,对概率极限状态设计方法要求的静力性能、稳定性、动力特性、抗震性能的组合工况进行全面、系统地分析和计算,为同类型桥梁设计提供参考。研究结论:(1)温度效应大于汽车荷载效应,拱脚处横风效应突出;(2)双向偏压、偏拉组合受力为单弦杆控制设计状态,拱顶为桁式拱肋承载力的薄弱位置;(3)腹杆、横撑、平联等构件与弦杆构造匹配性较好时,承载力及疲劳性能等易满足受力需求;(4)温度、徐变预拱度比车道荷载大很多;(5)主拱圈在材料、几何、双重非线性下稳定性分别下降了5.5%、11.9%、17.1%;(6)振型相对密集、频率值较小,主振型为面外弯扭振动,具有多方向和多角度耦联性;(7)时程分析结果大于反应谱分析结果,但小于静力工况,拱桥抗震性能好;(8)上承式钢管混凝土拱桥在复杂建设条件下具有良好的受力性能。

大跨度双联连续钢管混凝土拱桥结构体系设计研究

为研究大跨度双联连续钢管混凝土拱桥的合理结构体系及中央拱座合理刚度,以主跨2×405 m渝湘复线双堡特大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型,分析考虑自重、汽车荷载和基础沉降作用下,拱桥刚接、铰接、半刚性连接约束体系和不同中央拱座刚度对桥梁力学性能的影响。结果表明:自重、汽车荷载和基础沉降作用下各结构体系力学性能均满足规范要求。双刚接方案拱肋变形对称,结构受力良好,且构造简单、施工方便。中央拱座刚度从0.8 EI(EI为原设计方案中央拱座截面刚度)增加至2.0 EI,自重产生的最大变形基本不变,最大拉应力减小了0.33%,最大压应力减小了0.47%,结构力学性能改善效果不明显。双堡特大桥结构体系推荐采用双刚性连接,中央拱座合理刚度取值为0.8 EI,全桥有限元计算结果表明,该结构体系的强度、刚度、稳定性均满足规范要求。

多跨连续钢管混凝土拱桥拆除关键技术研究

以鉴湖大桥拆除工程为研究背景,对复杂情况下钢管混凝土拱桥的拆除进行研究,首先介绍了目前桥梁拆除的方法和应用现状,并结合该桥梁拆除的难点提出了3种拆桥方案,通过比选确定适用于该桥的拆除方案,对拱桥拆除的总体顺序进行说明,之后分析了各施工阶段的受力特性,对拆除中位移和应力的最不利阶段的理论值和实测值进行对比分析,最后研究了材料强度和温度对结构位移和应力的影响。结果表明:钢栈桥龙门吊法最适合于有通航要求且空间受限的桥梁拆除;翼缘切割后可增大两侧作业空间,减小梁体自重;腹板拆除过程中,结构的应力和位移值与梁体悬臂长度成正比;应力和位移的理论值较实测值偏小;材料强度和温度的变化不影响结构的受力规律,结构应力和位移与材料强度成反比,与温度成正比。

大跨径上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑施工顺序优化

对大跨径上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑施工顺序进行优化,采用有限元软件Midas/Civil对拱桥建模并进行数值模拟分析,计算施工方案1(从拱脚向拱顶架设拱上立柱,再从拱脚向拱顶架设T梁)、施工方案2(从拱顶向拱脚架设拱上立柱,再从拱顶向拱脚架设T梁)、施工方案3(从拱脚向拱顶方向同时架设拱上立柱和T梁)、施工方案4(从拱顶向拱脚方向同时架设拱上立柱和T梁)等4种方案下主拱圈控制截面的位移、应力和稳定性。在保障工程施工安全的前提下,遵循对称加载的原则,优化调整拱上建筑施工顺序。结果表明:成桥后施工方案3的位移和应力最小,且施工拱上建筑中,位移和应力变化幅度最小,施工方案3为最优施工方案。施工方案3对应的施工顺序满足结构施工安全的要求,且拱上立柱和桥面T梁可同步施工,有效缩短施工周期。

基于MOPSO算法的大跨度钢管混凝土拱桥索力优化

以某大跨度钢管混凝土拱桥为研究对象,基于非线性动态惯性权重的多目标粒子群优化算法(Multi-objective Particle Swarm Optimization,MOPSO),提出考虑主拱圈截面刚度及线形控制的钢管混凝土拱桥施工阶段扣索索力优化方法,并与多目标遗传算法优化结果进行对比,分析该方法的可行性。结果表明,基于非线性动态惯性权重的多目标粒子群算法对两种目标函数控制下索力优化具有更好的收敛性;优化后目标方案的索力在满足安全系数的前提下得到一定增加,优化后线形偏差绝对值仅为5.36 mm,优化后结构在线弹性阶段的稳定性得到小幅度提升,文中索力优化方法可行。

大跨度钢管混凝土系杆肋拱桥拱圈整体拼装施工关键技术

针对北澄子河大桥钢管混凝土主拱圈整体拼装施工及高精度拱圈线形控制难题,采用基于位移传感器的智能调控钢管支架法进行整体拼装施工。为了实现拱桥安装合理成桥状态,对影响拱桥轴线线形控制的两个重要因素进行分析,结果表明:通过对拱圈节段拼装进行水平竖向双向精度控制,并使用智能同步顶升系统对节段安装高程进行调节,对拱圈节段焊接进行轴心对称合理施工,保证了拱轴线平顺,误差控制在±5 mm,成桥状态符合设计要求。

某大跨上承式钢管混凝土拱桥结构设计与受力分析

文章以国内某大跨上承式钢管混凝土拱桥为研究对象,介绍了桥梁重要设计参数,基于有限元软件对结构承载能力、应力、挠度和稳定性进行了重点分析。结果表明,钢管混凝土拱桥设计时应加强拱脚组合构件承载能力验算和应力验算,拱肋在1/4截面附近竖向变形较大,整桥最不利屈曲模态为拱上立柱和盖梁施工后的拱肋面外弹性扭转变形。

世界最大拱肋整体提升跨径和吨位的钢管混凝土拱桥全幅贯通

日前,随着广西南宁岸引桥最后一片箱梁稳稳落在支座上,南宁—湛江高速公路南宁至博白那卜段(简称南湛高速公路)重点控制性工程——平陆运河旧州特大桥全幅贯通。至此,南湛高速公路(广西段)全线贯通,计划于2024年6月正式通车。平陆运河旧州特大桥是南湛高速公路重点控制性工程,主桥横跨平陆运河,引桥跨越黎钦铁路。

铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震设计

研究目的:大跨度钢管混凝土拱桥具有良好的跨越能力,近年来在公路、铁路等交通领域得到了较好的发展和应用,但在8度及以上高烈度地震区尚未有成功建设的案例,其抗震性能及措施尚有待研究。本文以拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥(以下简称藏木大桥)为背景,制定合理的抗震设防标准及性能指标,根据大跨度桥梁抗震概念设计原则,确定抗震设计方案,建立数值模型,开展非线性时程分析,研究铁路大跨度中承式钢管混凝土拱桥抗震性能和合理减隔震措施。研究结论:(1)大跨度中承式钢管混凝土拱桥采用一联连续的窄幅主梁、减重、综合减隔震措施等减隔震方案,能有效降低结构地震内力,控制罕遇地震工况下位移;(2)研究成果表明大跨度中承式钢管混凝土拱桥当采用合理的结构和减隔震措施后具有较好的抗震性能,在8度高烈度地震区主体结构在罕遇地震作用下也能保持基本弹性,具有良好的技术、经济性能;(3)本研究成果可为高烈度地震区铁路大跨度钢管混凝凝土拱桥设计提供参考和借鉴。

不均匀温度场下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空分析

为了解不均匀温度场作用下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空原因,依托高原山区某跨径430 m的钢管混凝土拱桥,进行强辐射、大温差联合作用下拱肋拱顶节段足尺模型试验,分析模型温度场分布,并对该不均匀温度场作用下管内混凝土脱空机理进行研究。结果表明:钢管混凝土拱桥水化阶段和运营阶段径向温度场可简化为多段式折线变化规律。14:00时刻,水化阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)先减小后升高再减小,在距向阳侧界面D/8~3D/8处(D为钢管内径)存在一个大温差面,运营阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)呈先减小后不变再增加的非对称分布规律,从钢管混凝土界面至距其D/8处温度变化大。混凝土水化阶段和运营阶段管内混凝土脱空机理为:在温度场作用下钢管混凝土界面最大纵向应力差分别高达82.6 MPa和61.95 MPa,最大界面径向拉应力分别为0.8 MPa和2.06 MPa,均超过钢管和混凝土间的粘结强度。

大跨度上承式钢管混凝土拱桥地震响应的空间性

为研究高震区大跨度上承式钢管混凝土拱桥地震响应的空间性,以西北山区Ⅷ度抗震设防的一座净跨400 m公路桥梁为例,采用反应谱和时程分析相结合的方法,对自振特性、多维组合输入下弦杆控制截面的轴力峰值及轴力时程进行了对比分析。结果表明:该类桥型质量分布具有明显的空间性,振型累计质量阶次差大,振动模态具有高度离散性;三维组合不一定是最不利输入,不同截面的最不利输入组合不同;弦杆各控制截面产生峰值轴力的时刻均不同,拱顶向拱脚截面逐次到达;上弦杆拱顶、L/4(L为跨度)截面及下弦杆拱顶在多维输入下的轴力时程较为一致,耦合性强;上弦杆拱脚及下弦杆拱脚、L/4截面在多维输入下的轴力时程很不一致,耦合性弱;地震响应具有显著的空间性。

大跨简支铁路钢管混凝土拱桥徐变效应研究

为研究大跨简支铁路钢管混凝土拱桥的徐变效应,文中以某哑铃形钢管混凝土拱桥为实例,通过刚度折减法和徐变公式法分别考虑拱肋和系梁的徐变,利用有限元软件建立了三维计算模型,开展了徐变对简支钢管混凝土拱桥的长期变形和内力的影响分析。研究结果表明:拱肋徐变会导致简支钢管混凝土拱桥的拱肋和系梁产生下挠变形,系梁徐变会引起拱肋、系梁上拱;徐变引起的拱肋弯矩变化较大、而轴力变化较小;在大跨度钢管混凝土拱桥的工程实践中,要充分考虑徐变效应的影响,以便能合理预测运营阶段长期时变行为。

上承式钢管混凝土拱桥拱肋混凝土非对称灌注结构安全性研究

为掌握拱肋钢管内混凝土不对称灌注对结构安全性的影响规律,利用有限元方法对南浦溪特大桥拱肋钢管内混凝土左右幅非对称顶升灌注过程中结构的变形、应力及稳定性进行了分析。计算结果表明:非对称灌注过程中,先灌注侧拱肋下挠量大,两侧拱肋挠度差值随完成灌注的拱肋数量增多而逐渐减小,灌注完成后,横截面对称位置处拱肋竖向挠度对称;整个施工阶段拱肋应力大于横撑应力,尤其是首灌混凝土过程中拱肋应力较大,应重点关注;首灌混凝土完成时结构的稳定安全系数最低,随着混凝土逐步完成灌注,结构的稳定安全系数逐渐增大;结构初始几何缺陷对结构的稳定性不利,应以考虑结构初始几何缺陷的稳定系数来评价结构的安全性。

强震地区钢管混凝土拱桥横撑抗震性能的比较分析

以高烈度地区某高速公路上承式钢管混凝土拱桥为工程背景,对比分析了不同横撑布置形式对结构的动力特性、稳定性能的影响,采用地震的时程分析法分析了钢管混凝土拱桥横桥向的地震反应。结果表明:强震作用下,应加强横撑设计,改善面外刚度,X撑较I撑和△撑更加适用,能够有效减小拱肋横向地震位移。

钢管混凝土系杆拱桥吊杆连锁破断力学性能研究

通过有限元软件建立某下承式钢管混凝土系杆拱桥空间分析模型,建立评价标准分析桥梁结构各组成部分的响应,对拱桥发生吊杆破断连锁反应过程中结构力学性能进行研究。结果表明,仅跨中2根吊杆破断即有可能引发后续吊杆破断连锁反应。在吊杆破断连锁反应过程中,系杆梁与桥面会先于拱肋发生破坏;吊杆破断连锁反应不足以引发结构失稳,发生单侧吊杆破断连锁反应后结构破坏形式为桥面系与拱肋破坏的局部垮塌。

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。

大跨钢管混凝土拱桥拱肋新型栓焊节点偏压力学性能研究

随着拱桥跨度和施工海拔高度增加,拱肋钢管节点焊缝连接施工难度加大,传统连接方式不能满足施工安全性及经济性要求。该文提出一种适用于大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的新型栓焊节点连接形式,通过外法兰螺栓连接与钢管焊接并用,不仅能够充分保证节点连接安全性、大大缩短施工工期,同时由于使用该节点连接形式无需切除法兰盘,因此能够很好地避免传统连接工艺切割节点法兰盘引起拱肋应力重分布所带来的风险。为研究该节点力学性能,该文进行不同连接方式和偏心距下钢管混凝土柱节点偏心受压缩尺试验,考察钢管混凝土栓焊、焊接节点在偏心受压下的失效模式、荷载-位移曲线、截面应变分布、侧向挠度等力学性能指标。基于试验建立较准确的有限元模型,考察钢管强度、核心混凝土强度、含钢率及偏心率对钢管混凝土栓焊节点柱偏心受压力学性能的影响。结果表明:栓焊连接形式可显著提高节点刚度和稳定性,有效避免节点处产生鼓曲变形;小偏心下钢管混凝土栓焊节点较焊接节点承载力更优,符合拱桥拱肋小偏心受压设计理念。

钢管混凝土吊杆拱桥检测评估及加固改造探讨

文中以贵州省普通国省干线公路桥梁定期检查服务QLDJ-01标段钢管混凝土吊杆拱桥为例,对该桥的检测评估及加固改造方案进行分析;针对病害情况,提出更换吊杆、增设加劲纵梁、主拱圈灌浆、拱座加固、混凝土构件缺陷修复等加固改造方案,以提高桥梁结构安全性。

大跨上承式钢管混凝土拱桥摩擦摆减隔震方案优化分析

大跨上承式钢管混凝土拱桥的拱上建筑质量对地震响应的贡献较大。针对某位于7度区跨度500m的铁路上承式拱桥,分析表明,横向地震作用下支承主梁的球钢支座存在剪切破坏风险,为抗震的薄弱环节。为此,提出了7组摩擦摆支座替换球钢支座的减隔震方案。基于地震时程响应分析,揭示了不同减隔震方案球钢支座、摩擦摆支座的能力需求比值的变化规律,并进一步开展了优选减隔震方案的减隔震效果研究。结果表明:采用摩擦摆支座替换球钢支座会使相邻球钢支座的能力需求比值减小,仅主桥全减隔震(方案6)、拱顶与边立柱减隔震(方案7)方案支座的抗震验算通过;主桥全减隔震能够有效减小主拱的地震位移响应,而对减小主梁的位移无明显效果,拱顶与边立柱减隔震对减小拱肋及主梁的位移均无明显效果;两种减隔震方案中摩擦摆支座均发挥了隔震耗能的作用,均能有效减小主拱上下弦拱脚截面的轴力、拱顶截面的弯矩以及下弦拱脚截面的弯矩。

钢管混凝土拱桥吊杆张拉顺序对结构受力的影响

吊杆张拉是钢管混凝土拱桥施工中的重要环节,吊杆的张拉顺序不同会对结构内力分布及变形产生不同的影响。为了研究吊杆张拉顺序对钢管混凝土拱桥结构受力的影响,以新建轻纺城大桥主桥为工程背景,借助有限元软件建立桥梁三维仿真模型,对比分析了三种吊杆张拉顺序下的结构变形和内力变化规律。计算结果表明,从跨中对称向两端张拉是吊杆张拉施工的最优方案。