波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥抗震性能研究

为了解波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥的抗震性能,以某最大墩高85.14 m的波形钢腹板箱梁三跨连续刚构桥为背景进行有限元分析。采用Abaqus软件建立该桥有限元模型,基于反应谱法分析其在E1和E2地震各向(横桥向、顺桥向、竖向)作用下的桥梁结构受力及变形性能,并与等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥模型的计算结果进行对比。结果表明:波形钢腹板箱梁连续刚构桥与等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥的主梁沿地震输入方向上的位移大于其它2个方向的位移,相较于等效预应力混凝土箱梁桥,波形钢腹板箱梁桥的抗震性能更优,但其边跨底板正应力更大,需要重点关注。

基于模态识别的波形钢腹板箱梁损伤位置研究

为解决波形钢腹板箱梁损伤识别和损伤定位问题,以上海塘大桥工程中波形钢腹板箱梁为研究对象,采用Ansys Workbench有限元软件建立波形钢腹板箱梁损伤结构计算模型,结合BP神经网络学习和重复训练功能,对波形钢腹板箱梁损伤前后的模态进行重复训练和计算,探索波形钢腹板箱梁损伤程度和位置与模态参数之间的变化规律。研究表明:波形钢腹板箱梁损伤后模态参数呈现下降趋势,不同程度和位置损伤后对模态参数影响存在一定的差异性,结构损伤程度与模态参数下降呈线性关系,训练后的BP神经网络对波形钢腹板箱梁损伤识别误差在3%范围内,验证了训练后的BP神经网络对波形钢腹板箱梁损伤识别的可靠性和准确性。

基于日照下波形钢腹板箱梁桥竖向温度的作用分布情况分析

因桥梁暴露在室外,长期受日照、温度等外界环境作用,导致桥梁结构产生较大温度变形。基于此,以日照温度场分布、温度作用模式、参数取值为基础,结合太阳辐射模式,考虑太阳辐射、风速、温度等因素,建立了波形钢腹板箱梁桥的温度梯度计算模型。通过该模型仿真计算所得的竖向温度与实测温度进行对比,并利用有限元软件进行数值模拟,分析竖向温差的影响,得出以下结论:利用温度梯度模型得到的温度计算值与实际测量值基本一致;与规范中的温度梯度模型比较,在温差作用下,波形钢腹板箱梁桥的顶板下缘出现了较大的侧向拉应力,因此,在波形钢腹板箱梁桥的设计与施工阶段,必须引起重视。

剪切变形对波形钢腹板箱梁挠度的影响

波形钢腹板箱梁是一种新型的钢 -混凝土组合结构 ,与传统混凝土腹板箱梁相比 ,其挠度计算中剪切变形的影响是不可忽略的。结合波形钢腹板箱梁的结构特点并应用初等梁理论 ,提出该种箱梁受弯时考虑了剪切变形影响的挠度计算方法 ,通过模型试验和有限元分析进行了验证 ;同时指出不同剪跨比 ,剪切变形对箱梁挠度的影响是不同的 ,并就考虑剪切变形影响与否的剪跨比界限值提出建议解此微分方程即可得到考虑剪切变形对挠度影响时梁的总挠度 y。考察简支梁在一集中荷载作用下的情况 ,如图 5所示 ,集中荷载 P作用在梁跨中 ,梁跨径为 l,对任意截面而言 ,剪力如下 0≤ x≤ l2 ,Q( x) =P/2 ;l2 <x≤ l,Q( x) =- P/2由 dy1dx=KQ( x)GA,有 dy2 =KQ( x)GAdx ( 7)则 y1=∫dy2 =∫x0 [KQ( x)GA]dx+ C1( 8)当 x=0时 ,y1=0 ,有 C1=0 ,由公式 ( 8)得y1=KP2 GAx ( 9)对于跨中而言 y1=KP2 GAl2 =Kl4GAP(↓ ) ( 1 0 )根据材料力学 ,由弯矩产生的跨中挠度y2 =Pl348EI(↓ ) ( 1 1 )所以总挠度 y=y1+ y2 =Kl4GAP+ Pl348EI=Pl348EI( 1 + 1 2 EIl2 GAK) ( 1 2 )根据前述波形钢腹板箱梁的结构特点 ,即剪力完全由波形钢腹板承担 ,且剪应力沿梁高均匀等值分布 ,所以取应力不均匀系数 K =1 .0 ,同时在计算中取 G=Ge。

波形钢腹板箱梁剪切屈曲特性

研究了波形钢腹板箱梁的剪切屈曲特性。基于有限元数值模拟结合相关屈曲理论的方法,计算了波形钢腹板的临界屈曲应力,并与相应理论公式计算所得的各类屈曲应力结果进行对比。同时,改变波形钢腹板的主要几何参数尺寸,研究各种几何参数对波形钢腹板箱梁剪切屈曲性能的影响。研究结果表明:波形钢腹板箱梁的临界屈曲应力与波高基本无关;波形钢腹板的直板段水平长度不应设置过大,以防止结构发生局部屈曲失稳;适当增大波形钢腹板的水平折叠角可以有效防止结构发生整体屈曲失稳;增大腹板厚度可以有效提高结构的抗屈曲性能,特别是抵抗局部屈曲失稳的能力;腹板高度过高时结构容易发生整体屈曲失稳。

波形钢腹板箱梁桥面板横向内力计算的框架分析法

基于框架分析法的基本原理,结合波形钢腹板箱梁的结构特点和力学特性,建立了适用于其桥面板横向内力的计算模型.该计算模型能够反映横向框架作用和箱梁畸变效应对桥面板横向内力的影响.通过与相关室内模型试验数据和有限元分析结果的对比可知,框架分析法计算值与有限元结果、试验值吻合,误差均在10%以内,验证了此计算模型的正确性.并采用上述模型分析了钢腹板线刚度变化对桥面板横向内力的影响,结果表明在波形钢腹板箱梁截面上的腹板间距确定的条件下,波形钢腹板与混凝土顶板的线刚度比是影响桥面板横向内力的重要因素.

单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力分析

为研究单箱多室波形钢腹板箱梁桥在车轮荷载下的横向受力特点及有效分布宽度,建立了单箱单室、双室、三室波形钢腹板箱梁的有限元模型,对比分析了3种截面箱梁的横向应力和有效分布宽度的规律。通过缩尺模型梁试验,验证了有限元分析结果。通过研究发现,单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力可近似简化为单室箱梁,但按照目前规范计算波形钢腹板箱梁的有效分布宽度存在较大误差。利用有限元模型,研究了荷载横向作用位置、腹板中心间距、悬臂板长度、顶板厚度、波形钢腹板尺寸及类型等参数对单箱单室箱梁有效分布宽度的影响,结果表明荷载横向作用位置和箱室腹板中心间距是最重要影响因素。通过对参数分析结果进行曲面拟合,得到了单箱单室波形钢腹板箱梁的有效分布宽度计算公式;单箱多室箱梁有效分布宽度可按0.9倍的单室箱梁有效分布宽度计算。最后,以某单箱三室波形钢腹板箱梁桥为例,按照该文公式求得有效分布宽度,采用弹性框架法计算了横向单点和多点车轮荷载作用下箱梁的顶板横向应力,并与有限元模型、桥规方法计算结果进行了对比,发现:横向多点车轮加载时,忽略不同箱室有效分布宽度的差异会使横向应力计算结果偏不安全,建议采用该文提出的应力折减系数考虑此因素影响;按照该文方法计算的横向应力结果更精确,与规范方法相比误差可减小20%~40%。

波形钢腹板箱梁桥面板横向温度效应分析

针对我国公路桥涵设计规范仅给出混凝土箱梁的温度梯度模式,并未涉及波形钢腹板箱梁温度梯度模式的不足,本文鉴于2种箱梁结构的构造特点及力学性能的差异,对某波形钢腹板连续箱梁桥进行了为期1 a的温度效应观测。研究了其日照温度场分布规律,提出了波形钢腹板箱梁温差计算模式;且基于温度梯度模式得出了箱梁桥面板的横向内力。结果表明:箱梁桥面板同一高度各测点的温度变化规律一致,沿桥面板横向的各测点混凝土温度变化规律均呈正弦曲线变化趋势;基于二维温度梯度模式的结构力学方法计算结果与有限元结果吻合,可以为该地区波形钢腹板箱梁温度效应产生的温度应力值提供参考。

波形钢腹板箱梁桥面板横向内力计算方法

通过静力试验,对单箱双室波形钢腹板缩尺试验梁的桥面板横向受力特点和箱梁框架变形进行分析.结合试验结果和波形钢腹板箱梁的力学特点,提出了一种刚架模型,并将波形钢腹板箱梁桥面板的横向内力计算结果与传统箱梁框架模型和公路桥规中的简支板与连续板模型的横向内力计算结果进行对比.结果表明:刚架模型和箱梁框架模型的计算结果与试验值较为吻合,误差均在10%以内;简支板与连续板模型的计算结果则较为保守,与试验值的误差在20%左右;与箱梁框架模型相比,刚架模型比较简单,并且考虑了波形钢腹板线刚度与混凝土桥面板线刚度比值对混凝土桥面板横向内力的影响.

波形钢腹板箱梁考虑腹板局部纵向刚度影响的扭转效应分析

为了更加合理地分析波形钢腹板组合箱梁的约束扭转效应,考虑了顶底板对波形钢腹板的约束作用,引入波形钢腹板共同抗弯区的概念,同时考虑波形钢腹板的手风琴效应,提出一种分析约束扭转效应的解析法.通过引入新的广义扇性坐标分布模式,在乌曼斯基第二理论的基础上推导了约束扭转翘曲应力的计算公式.结合数值算例对比分析了所提方法与传统方法计算结果及ANSYS有限元结果的差别,确定出合理的共同抗弯区高度,验证了所推导公式的正确性.研究结果表明:在考虑了顶底板对波形钢腹板约束作用后的计算结果与传统方法相比更加接近有限元分析结果,且与有限元结果总体上吻合良好;共同抗弯区内的扭转翘曲正应力可达到弯曲正应力水平,这说明在波形钢腹板箱梁约束扭转分析中考虑顶底板对腹板的约束作用是合理的.

曲线波形钢腹板箱梁竖向弯曲自振特性

为精确计算曲线波形钢腹板简支箱梁的竖向弯曲自振特性,考虑箱梁剪力滞和剪切变形双重效应,在假设箱梁翼板纵向位移函数的基础上,运用能量变分法和哈密顿原理推导了曲线波形钢腹板简支箱梁的弯曲自由振动微分方程,得到其竖向弯曲自振频率的解析解;建立有限元模型,将分析结果与推导的理论公式计算结果加以对比,并分析了跨径比、宽跨比和高跨比对竖向弯曲基频的影响。研究结果表明:本文竖向弯曲自振频率公式的计算结果与有限元分析结果差值在9%以内,且比初等梁理论计算精度高;剪力滞效应和剪切变形均削减了曲线波形钢腹板简支箱梁的刚度,使其竖向弯曲自振频率与初等梁理论的计算结果相比有所降低,同时考虑2种效应可能使竖向弯曲基频降低25%以上。剪力滞效应对竖向弯曲基频的影响随着跨径比和宽跨比的增大而增大,而高跨比变化时影响略有减小;剪切变形对竖向弯曲基频的影响随着宽跨比和高跨比的增大而增大,而跨径比变化时影响保持不变。对于不同参数取值的曲线波形钢腹板简支箱梁,竖向弯曲基频的剪切变形影响系数变化范围为5%~25%,而剪力滞效应的影响系数一般小于10%。在分析曲线波形钢腹板箱梁动力性能时应考虑剪切变形;当跨径比小于0.4,宽跨比小于0.1时,可忽略剪力滞效应的影响。

考虑界面滑移效应的波形钢腹板箱梁解析解

为研究界面滑移效应对改进型波形钢腹板箱梁的影响,考虑腹板剪切变形及截面轴力自平衡条件建立了组合箱梁桥的控制微分方程,进而推导出简支箱梁的滑移位移函数和翼缘板最大纵向位移差函数表达式。以受均布荷载的改进型波形腹板组合箱梁为算例,基于箱梁荷载工况和边界条件,得到了组合箱梁桥挠度、上下翼缘板截面正应力和剪滞系数表达式。利用有限元软件,通过在翼缘和腹板间添加弹性连接单元模拟滑移效应,验证提出的理论方法的正确性。最后,采用推导的理论公式研究了剪切抗滑移刚度对组合箱梁桥截面正应力、剪滞系数和挠度的影响规律。结果表明:理论解与有限元模拟结果吻合较好,提出的理论公式可用于结构设计或软件开发;剪切抗滑移刚度对组合箱梁翼缘截面正应力及挠度影响较大;在均布荷载作用下,与不考虑滑移效应相比,考虑滑移效应后的上翼缘截面正应力减小7.44%,下翼缘截面正应力增大6.79%,箱梁桥跨中挠度增大8.8%;剪切抗滑移刚度对组合箱梁翼缘板剪滞系数的影响较小,影响幅度在1%以内。

基于拉-压杆模型的波形钢腹板箱梁转向块受力分析

作为一种体外预应力桥梁,波形钢腹板组合梁桥的转向装置是体外预应力混凝土结构中关键的结构构造之一。对于转向块这种几何和受力都比较复杂的区域的配筋设计,传统的设计方法不能适用,而拉压杆模型法能解决这一问题。本文借助空间有限元计算结果,并根据美国:混凝土结构设计规范(ACI318-11)对转向块建立了拉-压杆模型,在此基础上进行了相应的配筋计算。可为同类桥梁的转向块设计提供参考。

波形钢腹板箱梁嵌入式结合部的应力分布

针对波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥嵌入式结合部应力分布问题,以宁波市百丈东路甬新河桥为背景,应用三维有限元方法进行应力分析。通过有限元计算模型,分析了不同荷载条件下结合部的应力分布特性,讨论了嵌入式结合部钢腹板纵向约束对应力分布的影响。理论计算结果表明,波形钢腹板混凝土箱梁的结合部应力比较小;弯矩作用下结合部应力主要是由截面的弯曲应力产生,应力集中不明显;剪力作用下在钢腹板插入口附近有应力集中现象,易发生混凝土开裂、钢板疲劳损失;采用钢板作为纵向约束措施对改善结合部的应力集中有一定效果。

波形钢腹板箱梁余弦剪滞函数引起的附加轴力分析

为了分析波形钢腹板箱梁在剪力滞效应计算时由于未考虑中性轴的偏移而引起的附加轴力的影响,利用受弯梁的截面不受轴力的静力平衡条件,推导出波形钢腹板箱梁在余弦剪滞翘曲位移函数下的附加轴力计算公式。引入附加轴力影响系数来衡量附加轴力的相对大小,分别针对简支梁、悬臂梁和连续梁在集中荷载和均布荷载作用下的附加轴力影响系数进行数值分析。结果表明:在两种荷载工况下,附加轴力影响系数相对较小,基本都在2%之内,对剪力滞效应的影响可忽略不计。

节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥偏载作用下扭转性能试验研究

为研究节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁桥偏载作用下的扭转性能,通过4个缩尺试验模型试件及8个足尺数值模型试件,考察节段式箱梁在偏载作用下的挠度及应力发展规律,分析成型工艺、接缝数量、横隔板布置、波纹形状等参数对节段式箱梁扭转特性的影响.结果表明,相对于整体式梁,节段式梁偏载作用下的挠度增大效应可提高10%~15%;节段式箱梁因偏载引起的剪应力增大系数可达1.5倍,尤其需引起注意;成型工艺、横隔板布置对其扭转增大效应影响较大,而波高、接缝数量则影响较小.根据能量法提出考虑接缝影响的该类型桥梁抗扭刚度实用计算方法,同时给出了一些设计建议.

基于Reissner原理的波形钢腹板箱梁约束扭转分析

为更加合理地分析波形钢腹板箱梁约束扭转效应,考虑波形钢腹板的褶皱效应推演了翘曲正应力和剪应力计算式,应用Reissner原理建立了波形钢腹板箱梁约束扭转控制微分方程,给出了不同于乌曼斯基第二理论的翘曲系数公式.通过简支梁数值算例验证了所推导公式的正确性,并分析了腹板厚度和悬臂板宽度变化对箱梁横截面应力的影响.研究结果表明:相对于乌曼斯基第二理论,基于Reissner原理计算的应力与有限元解吻合更好;按乌曼斯基第二理论与按Reissner原理计算的翘曲系数的比值可达到4.70;波形钢腹板主要承担剪应力,几乎不承担翘曲正应力,而顶底板既承担翘曲正应力也承担剪应力,应对顶底板予以重视,防止斜裂缝的产生;腹板厚度增大能减小翘曲正应力;随着悬臂板宽度的增大,当悬臂板宽度比大于0.10时,翘曲正应力减小,而当悬臂板宽度比大于0.30时,总剪应力几乎无变化.

腹板变波高布置对波形钢腹板箱梁的抗扭性能影响研究

目前很少见到波形钢腹板变高度布置对波形钢腹板箱梁抗扭性能影响的研究成果。采用Midas FEA建立三维有限元模型,进行波形钢腹板变波高布置对波形钢腹板箱梁抗扭性能的影响研究,并结合伊朗某高速公路上的BR-06L/R特大桥对研究成果进一步验证。研究结果表明:保证波形钢腹板箱梁恒载不变的情况下,仅仅在小范围内增大波形钢腹板的波高同时降低厚度,可以很大程度的提升波形钢腹板箱梁的抗扭性能;针对目前波形钢腹板箱梁桥均设计为波形钢腹板等波高布置的现状,提出了波形钢腹板变波高布置的设想,通过实桥数值分析,将抗扭能力较弱的截面在小范围内增大波形钢腹板的波高同时降低厚度,可以使该截面的抗扭能力有显著提升。

大跨径波形钢腹板箱梁桥截面竖向温度梯度研究

依托山东省高广高速公路小清河3号桥为研究对象,对其波形钢腹板箱梁横截面进行长期温度观测。基于全年温度较高时段(5—7月)现场实测数据,采用数理统计的方式研究其截面竖向温度分布规律及温度标准值。结果表明:波形钢腹板箱梁截面竖向温度呈非线性分布,顶板温度变化最大,波形钢腹板整体温度分布较为一致,钢混连接部位温度变化最小;通过分布拟合假设检验,截面竖向温度服从对数正态分布;以重现期为50年计算了小清河3号波形钢腹板连续箱梁桥的竖向温度标准值,并提出了竖向温度梯度分布模式。

斜拉桥波形钢腹板箱梁的力学特性研究

研究了斜拉桥中波形钢腹板箱梁在成桥状态下的力学特性。以新密市溱水路波形钢腹板箱梁斜拉桥为工程实例,通过有限元计算与分析得到主梁的竖向位移、波形钢腹板的剪应力、混凝土板的正应力和竖向挠度、主梁的纵向正应变、混凝土板的应力传递等各项力学规律。结果表明,波形钢腹板的竖向剪应力沿梁高方向近似均匀分布;波形钢腹板的竖向变形在整个主梁的竖向变形中起主要作用;波形钢腹板的纵向正应变小于混凝土板;按波形钢腹板承担全部剪力的传统理论进行结构设计偏于保守。