组合连续梁桥负弯矩区段抗拔不抗剪连接件布置方案优化

以某钢-混凝土组合曲线连续梁桥为工程背景,采用ABAQUS软件建立负弯矩区节段精细化模型,对采用抗拔不抗剪连接件(URSP连接件)的钢-混凝土组合曲线连续梁桥负弯矩区段的力学行为进行研究,并基于力学行为分析结果进一步优化负弯矩区段连接件布置方案。结果表明:在负弯矩区布设URSP连接件将导致在不同连接件交界处区域,普通栓钉连接件有较大的剪力集中现象。过渡段URSP连接件呈“W”型布置将有效改善普通栓钉连接件剪力集中问题,连接件内力最大值减小17%左右,且对混凝土桥面板拉应力影响仅为2%左右,提出的过渡段设计方案具有必要性和可行性。

采用抗拔不抗剪连接件的钢-混组合连续梁桥设计分析

钢-混组合连续梁桥能够充分发挥钢材和混凝土两种材料的优点,在受力性能、综合造价、施工速度及耐久性方面具有很多优势,在工程中应用越来越广泛。抗拔不抗剪技术通过释放连接件的抗剪作用,能够有效地解决钢-混组合连续梁桥负弯矩区混凝土的开裂问题。通过Midas Civil建模,研究分析了抗拔不抗剪连接件组合梁与普通剪力钉组合梁的受力区别。结果表明:抗拔不抗剪连接件对负弯矩区桥面板轴力、应力和裂缝宽度的消峰作用非常明显,但会导致组合梁挠度和钢梁应力有所增加,设计时应综合考虑其对结构受力的影响。

新型抗拔不抗剪连接件抗拔性能试验

针对可有效改善组合梁负弯矩区受力性能的新型抗拔不抗剪连接件,研究了影响该连接件抗拔性能的因素,设计了3个不同参数的抗拔不抗剪连接件试件并进行抗拔性能试验。根据试验结果分析了抗拔不抗剪连接件抗拔性能与连接件尺寸的关系,提出了其承载力简化设计公式与构造措施要求。研究结果表明:试件表现出混凝土冲切破坏和连接件腹板拉断2种破坏形态;新型连接件具有良好的抗拔性能,影响抗拔性能的主要因素为连接件的尺寸。

新型抗拔不抗剪连接件的滑移性能及其滞回模型

新型抗拔不抗剪T型连接件能有效改善组合梁负弯矩区受力性能,该连接件可以保证钢构件与混凝土板不发生分离,允许两部分产生滑移从而降低传递至混凝土板的剪力,避免混凝土开裂。为研究该新型连接件的滑移性能,对6个试件进行了拟静力推出试验。试验结果表明该连接件在较低荷载作用下可以产生较好的滑移效果,连接件外包泡沫塑料的尺寸对滑移特征影响显著。试验的荷载-位移曲线反映出试件的刚度随加载历史发生了明显变化,滑移作用引起了曲线的捏拢现象。该文基于Richard-Abbott曲线提出了针对该新型连接件的滑移滞回模型,模型参数物理意义明确,并通过试验结果验证了该滞回模型的合理性。

抗拔不抗剪连接件在钢-混凝土组合框架结构中的应用

抗拔不抗剪连接件能有效地释放混凝土板与钢梁之间的组合作用,降低负弯矩区混凝土板的拉应力,在桥梁结构中得到了广泛的应用。为研究该类连接件在建筑结构中的适用性,以一典型组合框架结构为例,在梁端负弯矩区附近采用抗拔不抗剪连接件取代普通剪力连接件,基于组合结构体系非线性分析程序COMPONA-MARC对结构进行了活载下的舒适度分析、静力弹塑性推覆分析和动力弹塑性时程分析,对比了采用不同连接件的结构的自振频率、挠度、层间位移、开裂情况、出铰情况等指标。分析结果表明,在梁端采用抗拔不抗剪连接件后,结构的舒适度基本不受影响,梁端楼面板内钢筋的拉应力明显降低。同时,由于梁端局部释放了组合作用,降低了结构的整体刚度,结构的抗震性能与传统结构相比有一定的提升,并且由于混凝土板的开裂得到了有效地控制,结构在大震后的可修复性能大大提高。

考虑界面滑移的钢-混组合连续梁负弯矩区抗裂性试验

为了解界面滑移效应对钢-混组合连续梁负弯矩区混凝土桥面板抗裂性的提升效果及工作机理,设计并制作采用常规剪力连接件和抗拔不抗剪连接件的钢-混组合梁各1组进行负弯矩区加载试验,分析试验梁预应力施加效率、关键部位纵向应变、梁体刚度及关键截面界面滑移情况。结果表明:采用抗拔不抗剪连接件时,梁体抗裂性更好,界面滑移效应可避免以往负弯矩区预应力通过常规剪力连接件传递到钢梁的情况发生,明显提高预应力效率;同时可使负弯矩区混凝土桥面板承受的拉应力分布更均匀,有效降低中支点截面的拉应力峰值,使后续裂缝宽度增长缓慢;加载前期2组梁体总体刚度没有明显不同,加载后期界面滑移使梁体结构刚度下降,变形增加,但变化幅度较小;抗拔不抗剪连接件对钢-混组合连续梁负弯矩区混凝土桥面板的抗裂性提升效果较好。

大跨钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板抗裂技术研究

为解决大跨钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板的开裂问题,以某120 m主跨的钢-混组合连续梁桥为背景进行抗裂技术研究。采用MIDAS Civil 2020软件建立大桥空间杆系有限元模型,研究增强配筋技术、后浇成型技术、预应力技术以及抗拔不抗剪连接技术对桥面板抗裂性能的影响,并基于不同抗裂技术的工作原理和效果,提出适用于大跨钢-混组合连续梁桥负弯矩区桥面板的综合抗裂技术。结果表明:增强配筋技术可以有效控制裂缝宽度,但当配筋率超过0.015后,效果明显降低;采用后浇成型技术,调整混凝土桥面板的浇筑顺序可明显降低成桥时负弯矩区桥面板应力;张拉预应力筋可有效提升负弯矩区桥面板的预压应力水平;抗拔不抗剪连接件可显著降低活载下负弯矩区桥面板应力水平;采取优化桥面板混凝土浇筑顺序、在负弯矩区布置抗拔不抗剪连接件同时施加预应力、增加预应力锚固区的配筋率的综合抗裂技术,可明显降低负弯矩区桥面板拉应力,同时对桥梁结构的其他力学性能无明显影响。

跨座式单轨连续钢-混结合轨道梁负弯矩区抗裂性能研究

跨座式单轨PC轨道梁一般常用跨度不超过30 m,当跨度在35~50 m之间可采用简支钢-混结合梁。随着城市地面道路的发展以及对地上高架轨道交通线路景观要求的提高,对单轨跨越能力的要求也在逐步提高,需要研究一种跨越能力大、噪声振动小、防滑能力强、梁轨合一的桥梁结构形式。为此对大跨度连续钢-混结合轨道梁受力情况进行深入分析。相较于简支梁,由于受力形式的改变,连续钢-混结合梁中支点附近负弯矩区混凝土的抗裂性能成为研究的关键。通过采用抗拔不抗剪的连接件、顶落梁与混凝土浇筑顺序结合、剪力连接件布置的优化等技术措施,可有效降低负弯矩区混凝土受拉力的峰值。

大跨度铁路钢-混组合梁负弯矩区桥面板抗裂措施研究

为研究铁路荷载作用下大跨度钢-混组合梁负弯矩区桥面板开裂情况及抗裂技术,以某主跨168 m的铁路钢-混组合连续刚构桥为背景,采用MIDAS Civil软件对桥面板受力情况进行建模分析,并开展抗拔不抗剪连接件技术及预应力技术对桥面板抗裂性能影响的研究,结合抗裂措施工作原理及施工可行性,提出适用于减小负弯矩区桥面板裂缝宽度的实施方案。结果表明:采用普通栓钉连接、桥面板常规配筋条件下的钢-混组合梁,运营阶段主力及主力+附加力工况下负弯矩区桥面板裂缝宽度均不满足规范要求;墩顶处桥面板与0号块固结及非固结2种形式下,抗拔不抗剪连接件桥面板抗裂方案均不适用,抗拔不抗剪连接件的适应性受桥面板与0号块连接构造及桥面板整体与钢桁架上弦杆顶面连接形式影响较大;对桥面板配置纵向预应力筋能有效降低拉应力水平,设后浇带预应力筋张拉方案负弯矩区桥面板最大拉应力较桥面板浇筑成型后张拉预应力筋方案更低,更能充分发挥预应力效应,且便于工程实施,建议工程应用中宜控制湿接缝占比小于10%,预应力筋锚固断面拉应力突变值宜控制在2 MPa以内。

钢-混凝土连续组合梁桥负弯矩区抗裂设计

为进一步验证抗拔不抗剪连接件对组合梁桥负弯矩区抗裂的效果,并研究采用该连接件时负弯矩截面的设计方法,利用考虑滑移效应的组合梁负弯矩区受力模型,推导了采用抗拔不抗剪连接时组合梁负弯矩截面承载力的计算模型,计算结果与有限元分析结果吻合良好。通过理论推导,进一步证明了抗拔不抗剪连接件对负弯矩截面承载力的折减不大,且能有效延缓桥面板开裂。基于所推导的公式,总结了钢-混凝土连续组合梁桥负弯矩截面的简化设计流程,以供工程设计实践参考。

基于综合抗裂技术的叠合板组合梁-钢柱节点抗震性能试验研究

叠合板组合梁是一种适应于大跨、重载以及装配化建造的组合梁形式,但是存在负弯矩区混凝土板易受拉开裂的问题。为提高叠合板组合梁负弯矩区混凝土板的抗裂性能,采用开孔钢板抗拔不抗剪连接件和纤维抗裂高性能混凝土现浇层综合抗裂措施。对5个叠合板组合梁-钢柱节点试件进行拟静力试验,参数包括连接件形式、现浇层混凝土材料和钢筋强度。试验结果表明:采用开孔钢板抗拔不抗剪连接件和现浇层采用纤维抗裂高性能混凝土均能提高组合梁的抗裂性能,综合使用这2种抗裂措施效果更好,而现浇层钢筋强度对组合梁抗裂性能影响较小;组合梁负弯矩区承载力受现浇层混凝土材料及钢筋强度的影响均较小;采用开孔钢板连接件可以提高组合梁的抗弯刚度;采用开孔钢板抗拔不抗剪连接件的试件具有良好的抗震性能。

基于悬吊系统的钢-混凝土组合桥面系试验

新型抗拔不抗剪T型连接件(T型连接件)能有效改善组合梁负弯矩区混凝土的抗裂性能。为研究悬索桥桥面系受力状态,同时探究T型连接件对组合桥面系力学性能的影响,该文开展了钢-混凝土组合桥面系的悬吊试验研究,并建立了ANSYS有限元模型对试验结果展开分析。构件采用工字型截面,在构件北侧南侧分别设置T型连接件和栓钉。试验中采用悬吊装置将构件吊起,加载方案包括弹性工况、扭转工况及极限工况加载。研究结果表明T型连接件能有效降低混凝土拉应力。在正常使用阶段T型连接件对桥面系刚度影响较小,在屈服荷载后才会因显著的界面滑移导致刚度下降;此外T型连接件也会一定程度降低桥面系扭转刚度。T型连接件的使用会增大钢结构压应力,设计时需注意钢结构的防屈曲设计。为充分释放钢-混凝土界面剪力,T型连接件在设计时塑料泡棉的厚度应满足正常使用阶段界面最大滑移量的要求。此外,试验结果也体现出悬索桥桥面系与连续梁受力状态的差异。该文研究成果能为T型连接件的后续理论分析及工程应用提供支撑,基于悬吊系统的试验方法可为悬索桥试验研究提供借鉴。

钢-混凝土组合与叠合梁自振特性研究

为改善连续组合梁在负弯矩区的受力性能和抗裂性能,构造了组合与叠合双重作用梁截面,其中叠合作用采用抗拔不抗剪连接技术。根据组合与叠合梁的工作原理,给出了负弯矩区组合与叠合梁抗拔不抗剪连接件的设计方法。假设上、下层梁竖向变形一致,导出了混凝土顶板未开裂和正常使用两个阶段组合与叠合梁自振频率的计算公式。通过算例分析得出:在负弯矩区段,叠合所需抗拔连接件的个数远少于组合抗剪连接件的个数;叠合界面粘结力未破坏时与组合梁完全等效;粘结力失效后,刚度下降,自振频率下降幅度较大;混凝土顶板开裂后,刚度变化很小,自振频率下降甚微。

新型连接件在轨道交通组合梁负弯矩区的应用

针对钢-混组合梁负弯矩区混凝土桥面板拉应力较大,往往导致桥面板开裂,影响结构安全问题,结合钢-混组合梁负弯矩区常规设计方法,探讨一种能有效解决负弯矩区混凝土桥面板开裂的新型抗拔不抗剪连接件。该连接件不仅保证钢梁与桥面板不分离,而且允许桥面板在钢梁上纵向滑动,能有效释放负弯矩区桥面板中的拉应力;该连接件能提高钢-混组合梁的使用性能、耐久性能;相较其它方法,该连接件构造简单、经济实惠、施工方便。本研究成果可为轨道交通钢-混组合梁桥面板有效控制开裂提供新的思路和参考。

钢-混凝土组合结构在海洋工程中的应用研究（英文）

海洋工程建设是我国海洋强国战略实施的重要基础和保障。相比陆地工程,海洋工程面临更加复杂苛刻的建造环境和条件,其设计、建造、施工难度通常更大,因而对结构工程提出了新的挑战。钢-混凝土组合结构由于充分利用钢材和混凝土各自性能优势,扬长避短,优化组合,具有显著的性能优势和综合经济效益,在海洋工程中拥有广阔的应用前景。本文从跨海桥梁、海底沉管隧道和海上浮体平台三方面综述了清华大学组合结构研究团队近年来在海洋工程组合结构研发和应用方面的工作:1)提出了新型抗拔不抗剪连接技术,并与传统支座升降、预应力、施工工序优化等技术结合,形成跨海连续组合梁桥负弯矩综合抗裂技术,与现有预应力抗裂方法相比具有显著的施工和运维成本优势,与混凝土结构相比具有明显的抗裂性能优势。这一新技术将极大提升结构的耐久性,已经在大连湾跨海大桥的结构设计中得到应用,为组合结构跨海桥梁的推广应用提供了有效的技术支撑。2)研发了适用于跨海多塔斜拉桥的新型双钢板-混凝土组合桥塔,从界面连接和结构整体受力性能两个维度开展研究。结果表明,其在开孔板连接件的作用下可以实现钢与混凝土的协同工作,与纯钢结构和混凝土结构桥塔相比有更高的承载能力、刚度和延性。同时钢板可兼作混凝土模板,提高施工效率,混凝土对钢壳的约束作用也解决了纯钢结构易局部失稳的问题。新型组合桥塔已在南京长江五桥工程中得到应用,刚度、承载力等关键性能指标的显著优势有助于新型组合结构桥塔在未来跨海多塔斜拉桥工程中得到进一步的推广与应用。3)提出了适用于海底沉管隧道的隔舱式双钢板-混凝土组合结构,揭示了其抗弯、抗剪和型钢连接件性能,提出了相应的设计方法。结果表明,相对于传统钢筋混凝土结构,组合结构尺寸小,承载能力强,抗震适应性好。双钢板既可作为混凝土模板,也可起到受力与防水的多重作用。除此以外,该结构施工便捷,尺寸不受加工设备限制,预制厂地要求低。该成果已在深中通道沉管隧道段得到应用,是未来跨海隧道的重要发展方向。4)研发了海上超大型钢-混凝土组合结构漂浮平台,将其应用于海上超大型浮式平台的建设,基于水弹性响应及结构强度分析,对大型钢-混凝土组合箱式浮体平台进行了案例设计和分析。结果表明,其可在提高结构防火、抗爆、抗冲击性能的基础上,增强构件的稳定性及耐久性,显著减小结构用钢量,同时组合浮式平台不用设置加劲肋,设计和施工便捷,维护成本低,具有良好的发展前景。研究与实践表明,组合结构由于其灵活多样的结构形式,即使面对海洋工程复杂苛刻的荷载环境条件和使用功能需求,也能发挥其性能优势,解决工程难题。本文所提出的新型组合结构体系具有较为显著的性能优势,取得了令人满意的综合经济效益,为海洋工程建设提供了崭新的思路和选择,有力地推动了组合结构在海洋工程中的应用。目前,组合结构在海洋工程中的应用仍处于起步阶段,尚需在复杂荷载响应分析、高性能新材料应用、结构形式多样性和适用性等方面进一步开展深入研究。