圆端形墩台尾迹水动力特性开缝控制三维数值分析

水流绕流水闸闸墩、导流墩等水工建筑物后产生旋涡分离流,其三维尾迹结构水动力特性复杂,对旋涡分离流进行流动控制,不仅是闸墩优化设计的需要,而且关系到工程运行的效率和工程安全。在验证三维水动力数学模型的基础上,对圆端形墩台开缝后的旋涡分离流和流动控制的三维水动力特性进行了研究,对比了无缝与开缝墩台方案下纵向、横向和竖向方向的时均流速分布,紊流动能以及紊流强度分布等水力学指标,探究了开缝墩台水动力特性。分析表明,墩台开缝后可以明显改善墩台后方的水流结构,开缝位置越靠近水深的中部位置,对墩后尾流旋涡的抑制越大,对绕流墩台绕流的控制越来越好,水深中部位置开缝最大程度的影响了开缝墩后的上部水流和下部水流,使得开缝对时均流速的影响最大,开缝对旋涡的抑制也最大最佳。为抑制墩后的旋涡对工程的不利影响,工程的设计中应首先确定墩台后的水深,开缝位置应尽量设置在墩台后水深的中部位置。

广义圆端形钢管混凝土短柱轴压承载力公式

为研究圆形、圆端形、变圆心角圆端形和矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的统一计算公式,采用两种不同本构关系建立广义圆端形钢管混凝土轴压短柱的ABAQUS有限元模型,利用90个钢管混凝土短柱轴压试验数据与有限元计算结果进行对比,验证了有限元模型的可靠性。通过改变构件的截面形状和材料强度,设置了9组共90个广义圆端形钢管混凝土轴压短柱有限元模型。对有限元计算结果展开参数分析,研究截面平直段高宽比和截面圆心角对钢管混凝土约束效应的影响。基于统一理论和约束分区方法,以截面形状影响系数对套箍系数进行了修正,并在GB 50936—2014推荐的圆形钢管混凝土短柱轴压承载力公式的基础上,建立了广义圆端形钢管混凝土短柱的轴压承载力简化计算公式,最后采用452个广义圆端形钢管混凝土短柱轴压试验数据对公式的准确性进行了验证。结果表明:当材料强度和含钢率一定时,广义圆端形钢管混凝土柱的套箍约束效应随着截面平直段高宽比的增大而减小,随着截面圆心角的增大而增大;简化公式的计算结果与试验结果吻合良好,适用于圆形、圆端形、变圆心角圆端形及矩形钢管混凝土短柱的轴压承载力计算。

电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土柱轴压性能研究

进行了14根电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土短柱的轴压试验,分析截面高宽比、受火时间和含钢率对其火灾后剩余承载力的影响。试验表明:该类短柱的破坏模态均为局部屈曲、焊缝开裂和混凝土被压碎;试件的剩余承载力随着受火时间或高宽比的增加而降低,受火120 min后该类试件的承载力降低了7.8%~13.9%。接着建立了有限元模型,该模型可很好地模拟实测结果。基于有限元模型开展了理论分析,结果表明初始荷载对该类组合柱的剩余承载力影响较小。参数分析表明当混凝土强度从30 MPa增加到90 MPa时,其强度折减系数降低了15.8%;当截面周长从1 228 mm增加到4 913 mm时,其强度折减系数提高了20.5%;当受火时间从0 min增加到180 min时,其强度折减系数降低了8%;但含钢率、高宽比和钢材强度对其强度折减的影响较小。最后给出了电力火灾后圆端形不锈钢管混凝土短柱的剩余承载力的设计方法。

跨海桥梁圆端形基础波流力缩尺效应研究

为研究跨海桥梁圆端形基础在波流力作用下的缩尺效应,以西堠门公铁两用大桥圆端形基础为背景,通过流体计算软件Flow-3D模拟数值水槽,建立6种缩尺比(1∶1,1∶15,1∶25,1∶50,1∶75,1∶100)圆端形基础数值模型,基于RNG k-ε湍流模型、雷诺平均方程以及VOF自由液面捕捉法,计算各数值模型所受波流力及其周边水力特性并对比分析,并将1∶1的圆端形基础数值模型所受波流力与规范计算结果对比。结果表明:在波流作用下,圆端形基础周围会出现流速集中现象,缩尺比减小该现象不再明显,但周围流速分布特点大致相同;对于圆端形基础受到的水平波流力,1∶1模型结果小于缩尺模型结果,综合考虑峰值与谷值缩尺模型结果,建议在西堠门公铁两用大桥试验研究中采用1∶25缩尺比;依据现有规范用等效的圆形或矩形估算圆端形结构所受水平波流力,为1∶1圆端形结构数值模拟结果的1.60~1.77倍和1.49~1.70倍,据此进行设计仍可保证结构安全性。

内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能的有限元分析

为研究内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能,通过有限元软件ABAQUS进行建模分析,并使用现有试验数据进行验证,研究了工字钢参数变化对内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能影响。结果表明,有限元模型建立准确;当含钢率小于34%时,纵向放置工字钢腹板厚度参数变化对局压承载力影响较大;当含钢率大于34%时,横向放置工字钢翼缘厚度参数变化对局压承载力影响较大;对比工字钢高度与工字钢宽度变化对局压承载力的影响,纵向放置工字钢宽度参数变化对局压承载力影响较大。同时提出局压承载力计算公式,经过模拟结果验证,所提公式计算承载力与模拟承载力比值为0.86~1.06,计算结果较为准确。

液压爬模系统在圆端形高墩施工中的应用

高墩施工较为常见的施工方式有滑模、翻模和液压爬模,其中液压爬模施工是最适宜的施工方式。爬模系统由模板系统、埋件系统、支架装置、液压装置组成。在圆端形高墩施工中,在基座上进行爬模施工,液压爬模系统使用木质WISA板,在浇筑基座最后环节时预埋墩柱钢筋,使墩柱与基座有效连接。结合永定河大桥工程,介绍液压爬模系统在圆端形高墩施工中的应用要点,包括爬模模板拼装支架装配、模板吊装、混凝土施工、爬模爬升操作等工艺流程。

多腔约束圆端形钢管混凝土纯弯柱试验研究

圆端形钢筋混凝土(RC-Reinforced Concrete)桥墩具有较大的纵横向刚度,造型美观,施工工艺成熟,在大跨桥梁建设中应用普遍。本文开展了4根多腔约束圆端形钢管混凝土柱纯弯试验,探讨腔室布置对构件承载力的影响。记录实验过程中承载力等数据,结果表明腔室布置越多,构件承载力越大。单腔室与2腔室构件承载力相当,3腔及4腔室试件极限承载力明显较高。建议对于长宽比较大的圆端形钢管混凝土纯弯试件,3腔室布置较为合适。

高速铁路圆端形实体桥墩抗震性能试验研究

圆端形实体桥墩在高速铁路中广泛使用,有纵横方向长度比大,纵筋率较小等特点,目前该类桥墩已有的试验缺乏系统性和完善性,其抗震性能研究还不够充分。以当前高速铁路中常见的圆端形截面桥墩为原型,根据模型相似理论,改变影响抗震性能主要因素的设计变量,按正交试验设计方法,设计9根桥墩缩尺模型。在考虑恒定轴向力的作用下,进行低周反复荷载试验,得到不同桥墩模型的破坏特性、滞回曲线,依此分析各因素水平下桥墩的延性、耗能性能、刚度与强度退化规律。通过试验回归分析,比较分析剪跨比、轴压比、纵筋率与体积配箍率等4个因素对延性性能的影响程度。试验结果表明,纵筋率较低的圆端形实体桥墩的滞回曲线呈显著的捏缩状,轴压比和纵筋率的提高都将使桥墩的延性减小,而剪跨比与体积配箍率对延性影响较小。当纵筋率较低时桥墩的耗能性能较差,而提高纵筋率能够显著提高桥墩的耗能性能。

圆端形桥墩侧向紊流宽度的试验研究

在水槽中进行概化试验,采用三维声学多普勒测速仪(ADV)测量圆端形桥墩周围三维流场及紊动强度分布.分析有桥墩时的紊流强度垂向分布及有、无桥墩时紊流强度比值的横向分布变化,分析结果表明,垂线上紊流强度最大位置在0~0.2h与0.8h^1.0h两个区间,桥墩对紊流强度的变化影响存在极值,极值大小和出现位置与流速有关,流速越大,极值越大,且极值位置与桥墩的距离也越大.根据极值出现位置离桥墩距离确定紊流宽度,给出了桥墩紊流宽度与弗汝德数的关系.

圆端形钢管内约束混凝土轴压短柱的力学性能

为改善圆端形钢管混凝土(CFRT)柱的力学性能,采取在钢管内部焊接拉筋的方式来提高对核心混凝土的约束效果,并采用ABAQUS对4种不同约束方式的圆端形钢管内约束混凝土(SCFRT)轴压短柱进行三维实体有限元分析,发现双向均匀对拉箍筋为最佳约束方式.最后,对2根圆端形钢管混凝土轴压短柱及2根双向均匀对拉约束方式的圆端形拉筋约束混凝土轴压短柱进行了试验研究,结果显示试验结果与数值模拟结果吻合较好,验证了双向均匀对拉约束方式的合理性.

圆端形铁路桥墩变形能力分析方法研究

研究目的:目前,国内外桥梁抗震设计规范普遍采用基于墩底截面弯矩-曲率分析和塑性铰模型的变形能力分析方法来定量计算桥墩在水平地震下的延性能力,为了考察这种分析方法在我国铁路桥墩抗震设计中的适用性,对当前尚缺少研究的圆端形铁路桥墩的变形能力进行理论分析和试验验证。研究结论:(1)圆端形桥墩试件变形能力的理论计算结果与试验结果非常吻合,基于墩底截面弯矩-曲率分析和塑性铰模型的变形能力分析方法适用于圆端形铁路桥墩的抗震设计;(2)圆端形铁路桥墩的等效塑性铰长度经验公式和塑性铰区最大容许转角的延性安全系数的取值可以与我国JTG/T B02—01细则和CJJ166规范的规定相一致;(3)本文给出的圆端形桥墩变形能力分析方法为我国铁路桥梁圆端形桥墩的延性抗震设计提供了方法和依据。

圆端形钢管微膨胀混凝土塔柱非线性接触分析

采用非线性有限元接触分析方法,选择恰当的单元,定义合适的实常数和关键字,模拟钢管与混凝土相互作用,对某斜拉桥圆端形钢管微膨胀混凝土双肢塔柱进行数值模拟分析。然后,结合应力监测试验数据,与接触分析结果进行对比,结果表明采用的有限元模型和接触分析方法是合理的,在施工阶段,圆端形钢管微膨胀混凝土双肢塔柱钢管对混凝土套箍作用不明显,圆端形截面中圆弧段与矩形段结合处为黏结作用的薄弱环节。

圆端形椭圆钢管混凝土受扭性能数值分析及抗扭承载力计算

为探究圆端形椭圆钢管混凝土构件的受扭性能和抗扭承载力计算方法,采用ABAQUS建立了圆端形椭圆钢管混凝土构件在纯扭作用下的有限元分析模型。为解决核心混凝土本构关系问题,提出了一种关于圆端形椭圆钢管核心混凝土本构关系的新等效方法,利用已有试验结果验证了等效方法的可行性和数值分析模型的准确性。开展了纯扭作用下圆端形椭圆钢管混凝土构件性能的参数分析,研究参数包括钢材强度、混凝土强度、含钢率、长短轴比和截面尺寸等。揭示了圆端形椭圆钢管混凝土构件在纯扭作用下的受力机理,提出了圆端形椭圆钢管混凝土构件的抗扭承载力简化计算公式。结果表明:构件抗扭承载力随钢材强度、截面尺寸、含钢率增大而增大,随长短轴比增大而减小;研究成果将为圆端形椭圆钢管混凝土构件的设计提供参考。

圆端形钢管混凝土构件纯弯力学性能

为研究圆端形钢管混凝土构件的纯弯力学性能,对4个构件进行了纯弯试验,分析了高宽比和含钢率对纯弯曲作用下圆端形钢管混凝土构件破坏形态、挠度曲线、截面应变、抗弯承载力的影响。基于ABAQUS建立有限元模型对圆端形钢管混凝土构件纯弯性能进行模拟,试验结果与模拟结果吻合良好,利用验证后的模型对圆端形钢管混凝土构件进行了受力全过程分析以及参数分析。最后基于ABAQUS参数分析结果提出了圆端形钢管混凝土构件抗弯承载力计算公式,公式计算结果与试验结果吻合良好。结果表明:圆端形钢管混凝土构件在纯弯曲作用下发生了明显的挠度变形,当跨中挠度达到L/25(L为试件长度)时,试件仍能承受较大的荷载,表现出良好的延性;圆端形钢管混凝土构件的挠度曲线可假设为正弦半波曲线,其跨中截面基本保持为平截面;当构件达到抗弯承载力时,钢管承受了大部分弯矩,圆弧段钢管相较于平直段钢管对混凝土的约束作用更强;圆端形钢管混凝土构件的抗弯承载力随钢材强度的增大而增大,而混凝土强度的改变对其抗弯性能影响较小。

环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷试验及水力特性

由于传统桥墩冲刷防护措施的局限性,引入新型防冲装置-环翼式防冲板,对圆端形桥墩冲刷进行防护,通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构,主动降低了下降水流对桥墩的冲刷。为探究环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷的防护作用,采用3种比例圆端形桥墩、3种环翼式防冲板安装位置进行物理模型试验,对圆端形桥墩周围的冲坑特征、垂向流速、垂向紊动强度、紊动切应力等水力要素进行研究。结果表明:安装环翼式防冲板后,3种圆端形桥墩冲刷程度均减小,中圆端形桥墩冲刷减小幅度最大,冲坑体积减小率为30.0%;中圆端形桥墩安装环翼式防冲板后,墩前垂向流速减小为0.039m/s、垂向紊动强度减小为0.025m/s;防冲板上垂面紊动切应力增大,板下垂面紊动切应力减小。试验结果表明环翼式防冲板能够减小桥墩的局部冲刷,具有很高的实用价值。

圆端形钢管混凝土偏压柱截面优化研究

为研究圆端形钢管混凝土(RRCFST)柱的截面优化方法,基于混凝土分区思想将RRCFST截面分割为中部矩形与2个半圆形,分别采用不同的混凝土约束本构关系,利用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,并用13个RRCFST柱构件的试验结果与有限元结果进行对比,验证了模型的合理性。通过有限元建模方法设置3组共462个RRCFST柱模型,在保证每组内各模型混凝土与钢材的强度及用量恒定的情况下,细致研究了截面高宽比对RRCFST柱偏压承载能力的影响。通过有限元分析RRCFST柱轴向压力-弯矩(N-M)破坏曲线中的直线段部分与截面高宽比的关系,进一步验证了GB 50396—2014中钢管混凝土短柱偏压构件设计方法对RRCFST短柱构件的适用性。根据RRCFST短柱偏压构件设计方法,控制混凝土与钢材的强度及用量不变的情况下,通过偏压验算式推导得到RRCFST短柱构件的N-M破坏荷载包络曲线表达式。提出基于材料强度及用量层面的RRCFS短柱偏压承载力验算方法及满足承载要求的截面高宽比计算方法,为截面优化研究及工程应用提供参考。结果表明:在固定材料强度及用量不变的条件下,RRCFST短柱的N-M破坏荷载包络曲线由一段直线段及2段曲线段组成;推导得到上述包络曲线表达式后,可在构件设计过程中直接计算判断所用材料是否足量,并计算确定构件最优截面尺寸。

高速铁路HRBF500钢筋混凝土圆端形桥墩抗震性能试验研究

为了研究纵筋采用500 MPa级细晶粒钢筋的高速铁路圆端形桥墩的抗震性能,对4个配置HRBF500钢筋和1个配置HRB335钢筋的圆端形桥墩试件进行了拟静力试验.试验参数主要包括纵筋强度、轴压比、配筋率和箍筋加密区的拉筋数量.试验结果表明:配置HRBF500钢筋的圆端形桥墩抗震性能变化规律与配置HRB335钢筋的圆端形桥墩基本相同;配置HRBF500钢筋可以显著减少桥墩纵向钢筋的用量,提高桥墩的承载力并具有良好的抗震延性;增加轴压比或提高配筋率均可提高桥墩的承载力,但同时也会减小其变形能力;在墩底箍筋加密区增加拉筋的数量可明显提高桥墩的延性.研究表明,配置HRBF500钢筋的圆端形桥墩具有良好的抗震性能,可在高速铁路工程中安全应用.

带加劲肋的圆端形夹层板桥墩防撞套箱受力分析

带圆端头的桥墩是常见的桥墩形式之一,为探讨该种圆端形桥墩在采用夹层板防撞套箱时内部设置不同形式和数量加劲肋对防撞性能的影响,采用数值计算法,通过静力等效的荷载作用方式,对分别设置不同数量的水平加劲肋和竖向加劲肋的夹层板防撞箱内、外层钢板在最不利正撞时的应力和变形进行了对比分析。结果表明:设置水平加劲肋和竖向加劲肋均能有效减小防撞箱撞击点处夹层板的应力,但对内、外层钢板的应力减小程度不相同,对同一位置不同方向的应力减小程度也不相同;设置竖向加劲肋能有效减小防撞套箱撞击点处夹层板外层钢板的竖向和横向(水平向)应力,但对内层钢板只有效减小竖向应力;水平加劲肋只有效减小防撞套箱撞击点处夹层板外层钢板的竖向应力和内层钢板的横向应力,其他应力不明显;竖向加劲肋对撞击点处夹层板外层钢板的两个方向应力减少程度大于水平加劲肋的减少程度,而对内层钢板而言,水平加劲肋对撞击点处横向应力的减少程度大于竖向应力的减少程度;设置过多数量的水平加劲肋或竖向加劲肋对改善防撞箱受力和变形不明显,反而增加自重及成本,但由于现实中碰撞点是随机的,必须设置一定密度的加劲肋,特别是竖向加劲肋,而水平加劲肋不宜多设。

双向偏心受压下圆端形重力式桥墩台极限承载力的计算

在承载力极限状态计算中,需要解决双向偏心受压下铁路桥涵重力式桥墩台的承载力计算问题。在该极 限状态下,不考虑截面受拉区材料参与工作,按受压区为矩形应力图形的假定进行承载力计算。这种计算假定 对双向斜偏心受压情况下的圆端形截面的承载力计算是相当复杂的。为了简化计算,引入了一个类似于在容许 应力法计算中应力重分布系数的承载力折减系数,文中给出了利用图解法求解该承载力折减系数的原则和步 骤。通过多元回归分析,给出了一组简单、实用且能满足工程精度要求的圆端形重力式桥墩台极限承载力折减 系数实用计算公式,该组公式适用于目前铁路桥涵重力式墩台常用的设计范围。

圆端形椭圆钢管混凝土构件受剪性能分析

文章基于一种适用于圆端形椭圆钢管约束核心混凝土的新型等效本构关系模型,建立了圆端形椭圆钢管混凝土构件受剪下的有限元分析模型,研究了构件的破坏形式,分析了不同参数对其受剪承载力的影响。研究结果表明,不同剪跨比下圆端形椭圆钢管混凝土的破坏模式主要有剪切破坏、弯曲破坏、弯剪破坏及局部鼓曲破坏;钢材强度、混凝土强度及含钢率的提升会增加构件抗剪承载力,剪跨比的增加会使构件抗剪承载力先增加后减小。研究成果可为圆端形椭圆钢管混凝土结构设计提供参考。