新型波形钢腹板组合箱梁桥动力性能分析

对一种新型波形钢腹板组合箱梁桥结构开展了动力特性及抗震性能分析;以鄄城黄河大桥跨中箱梁段为例,建立组合箱梁桥的多尺度有限元模型,并与实测值进行了对比,验证了多尺度模型的有效性;基于此设计了该新型波形钢腹板组合箱梁的截面参数,采用多尺度建模方法研究了各参数变化对箱梁动力特性的影响规律,通过地震反应谱法分析了该结构在各向地震作用下的结构响应。结果表明:箱梁横隔板的数量和厚度是结构动力特性的敏感参数,对结构的扭转刚度影响很大;增大波形钢腹板厚度可有效提高结构刚度,且刚度增大对频率的影响程度大于质量增大对频率的影响,建议腹板厚度宜设为20~30 mm;槽形钢板可有效提高截面的抗弯刚度,尤其对结构竖向弯曲模态影响较大;横向地震作用对混凝土顶板和横隔板应力的影响最大,纵向地震力对波形钢腹板应力的影响最大,竖向地震力对混凝土底板和槽形钢板的应力影响较大。

新型波形钢腹板组合箱梁畸变效应

为研究新型波形钢腹板(CSW)组合箱梁的畸变效应,以板梁框架法和位移法为基础,建立单箱多室新型CSW组合箱梁的畸变控制微分方程和边界条件,得到畸变正应力解析解,并采用有限元法检验推导结果的正确性。应用推导结果对比分析新型CSW组合箱梁与传统CSW组合箱梁的畸变性能,以及截面高度、箱室宽度和钢底板厚度对新型CSW组合箱梁畸变效应的影响。结果表明:解析解计算得到的畸变正应力与有限元模型计算的结果吻合较好,畸变角的变化规律与有限元模型计算结果一致;与传统CSW组合箱梁相比,新型CSW组合箱梁的畸变翘曲刚度减小了38.89%,畸变框架刚度减小了71.84%,抗畸变能力减弱;随着截面高度和箱室宽度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角和跨中畸变双力矩均逐渐增大,且箱室宽度的影响更为明显;随着钢底板厚度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角逐渐减小,跨中畸变双力矩逐渐增大。

考虑温度和剪切变形的改进型波形钢腹板组合箱梁动力特性研究

为了精确分析温度效应和剪切变形效应对改进型波形钢腹板组合箱梁自振特性的影响,提出一种考虑温度效应和剪切变形效应的改进型波形钢腹板组合箱梁自振特性分析方法。综合考虑温度、剪切变形和波形钢腹板刚度修正的影响,运用应力等效原则推导出改进型波形钢腹板组合箱梁的自振频率解析公式;利用实桥ANSYS有限元分析结果和试验实测结果对自振频率解析公式的正确性进行了验证;分析了温度等效轴向偏心力变化、弹性模量变化、剪切变形效应、不同高跨比和不同宽跨比下温度效应对该桥型自振频率的影响。结果表明:温度效应对改进型波形钢腹板组合箱梁的基频影响较大,计算该桥型的基频时需要考虑温度效应的影响;波形钢腹板的剪切变形效应对该桥型自振频率的影响较为显著,从第4阶自振频率开始剪切变形的影响已超过50%;不同高跨比下温度效应对基频的影响较大,且随着高跨比的增大呈线性急剧增大;不同宽跨比下温度效应对自振频率的影响较小,可以忽略不计。研究成果可为改进型波形钢腹板组合箱梁的自振频率计算和分析提供参考依据。

考虑剪力滞效应的钢-ECC组合箱梁数值分析

为解决组合箱梁横向裂缝对结构安全的潜在影响,利用ABAQUS程序建立钢-工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC)组合箱梁的数值模型,揭示钢-ECC组合箱梁在受力过程中剪力滞的变化,并分析剪力滞效应的影响因素。研究结果显示,随着荷载增大,钢-ECC组合箱梁的剪力滞效应逐渐加剧,但当ECC翼缘板应变达到极限状态时,剪力滞效应开始趋于稳定。通过适当降低翼缘板的宽度与厚度,或增大箱梁腹板的高度,可以有效减轻钢-ECC组合箱梁的剪力滞效应。相较于两点对称荷载,集中荷载会导致更大的剪力滞效应。

预应力混凝土组合箱梁的抗弯性能试验分析

由于不同的加固方式会对预应力混凝土组合箱梁的承载力造成一定影响,使其容易出现弯曲变形,因此开展预应力混凝土组合箱梁的抗弯性能试验分析。以桩埕路改造项目为例,将四个25 m跨度的混凝土桥梁作为测试样本,使用三分点加载方式完成桥梁试件参数设计,布置测点时需在不同位置增加应变片,通过对有效拉应力与抗弯承载力的计算,将未加固的桥梁与使用板-混凝土组合方式加固的桥梁进行对比,分析其荷载-跨中挠度与抗弯强度对桥梁性能的影响。测试结果表明:所测试的桥梁试件跨中挠度在300~600 mm之间,荷载对应提升了1500 kN;极限状态下的承载力与加固之前相比,分别提升了54.38%、50.46%、55.22%;桥梁的抗弯强度和断裂伸长率相比没有加固的桥梁,桥梁试件A3分别增加了42.5 MPa和245%。对加固后的桥梁工程效果进行分析,未发现组合箱梁裂缝问题。

波形钢腹板组合箱梁动力特性分析

以哈密顿原理为基础,综合考虑剪力滞、手风琴效应的影响,推导了组合箱梁的控制微分方程及其闭合解,分析了剪力滞、手风琴效应等参数对组合箱梁动力特性的影响。结果表明:计算结果与有限元值吻合良好;剪力滞和手风琴效应对组合箱梁的竖向刚度有减小作用;随箱梁高跨比的增大,频率阶数的升高,手风琴效应和剪力滞的影响表现越明显;不同波纹钢腹板型号对组合箱梁的竖向刚度影响较小。

带损伤的波形钢腹板PC组合箱梁动力特性

为探究波形钢腹板PC组合箱梁(简称PC梁)损伤后动力特性变化机理,以上海塘大桥波形钢腹板PC组合箱梁为研究对象,采用ANSYS建立有限元计算模型,模拟箱梁无损伤、边跨损伤和中跨损伤3种工况,并结合前6阶固有频率和典型的振型图分析。结果表明:中跨损伤对PC梁动力特性的影响大于边跨损伤,边跨损伤位置和程度与PC梁的动力特性变化有一定的关系,边跨损伤后PC梁的振型变化较小,中跨损伤后PC梁的振型变化呈现反对称变化,损伤后PC梁振型呈现以竖向弯曲变形为主、扭转和翼板翘曲变形相结合的特点。

波形腹板钢-混组合箱梁畸变效应分析

为研究波形腹板钢-混组合箱梁畸变效应,以桑园子黄河大桥引桥简支箱梁为研究对象,将畸变角重新定义,通过计算畸变中心、畸变总势能,确定初始参数,利用势能驻值原理推导与传统扭转分析理论相一致的畸变效应分析方法。根据工程实例,对车道荷载下波形腹板钢-混组合箱梁畸变翘曲应力变化规律进行研究。结果表明,畸变翘曲应力在组合箱梁应力中占比不容忽视,且随着箱梁顶板混凝土厚度增大,翘曲正应力逐渐减小,在钢底板组合箱梁增设铺底混凝土可有效减少畸变翘曲应力。

高速公路改扩建项目中的组合箱梁桥加固设计

在高速公路改扩建项目中,常常需要将组合箱梁桥进行加固改造后重新利用。以沪武高速公路太仓至常州段扩建项目为例,对组合箱梁桥的技术状况、检算结果和加固方案进行系统介绍,以供类似工程参考。

改进型简支组合箱梁破坏机理及设计问题研究

改进型组合箱梁是以平钢板置换传统波纹钢腹板组合箱梁下翼板(RC板)而建造的新型钢混结构。为完善该类结构设计理论,其更为精准的力学分析尤为必要。对改进型组合箱梁悬臂板和上下翼板设置了2个不同的剪滞纵向位移差函数,同时引入剪滞翘曲应力和弯矩自平衡条件,进而建立该类组合箱梁的弹性控制微分方程,基于此实现改进型组合箱梁力学性能弹性阶段的精细化分析,其破坏模式则主要以试验研究为主。研究表明:简支改进型组合箱梁,其钢底板正应力约为顶板的20倍,而钢底板与顶板的设计强度之比为13.6,因此,竖向弯曲状态该类结构钢底板将会发生屈服破坏;由于剪力滞效应影响,钢底板与腹板相交处,钢底板首先发生屈服,继而随着竖向荷载增加,其屈服点逐渐向钢底板横向中心延伸;改进型组合箱梁破坏形式,钢底板首先屈服,且其挠度快速增加,继而上翼板(RC板)压溃;基于改进型组合箱梁破坏特点,通过施加预应力筋,并合理调整箱梁材料和断面几何参数,进而实现顶板和钢底板的协调破坏。因而,本文方法是对改进型组合箱梁力学性能演化规律的探索,其分析成果将对该类结构设计具有指导作用。

钢底板波形腹板组合箱梁疲劳特性研究

研究目的:结构的疲劳细节对其疲劳破坏至关重要,为了分析钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁的疲劳细节及疲劳寿命计算方法,为该类型结构的疲劳设计提供参考,制作缩尺试验梁模型,并对其进行疲劳试验,得到这种新型结构的疲劳破坏特征。结合模型试验,利用数值模拟和断裂力学分析方法,对新型组合箱梁的疲劳寿命计算及疲劳细节分类进行研究,并采用线性损伤理论对结果进行分析验证。研究结论:(1)钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁在疲劳荷载作用下,其疲劳裂纹首先出现在底板与两侧腹板焊缝折角处,说明该处是新型组合箱梁重要的疲劳细节;(2)根据线性损伤理论,新型结构的疲劳细节分类总体上位于AASHTO规范疲劳类别的B类与C类之间,高于B′曲线下界值,低于B′曲线中值;(3)采用数值模拟和修正后的断裂力学方法得到的S-N曲线计算出的总损伤累积值误差分别为3%和6%,说明两种曲线均适用于新型钢混组合结构的疲劳寿命计算;(4)本研究成果可为钢底板波形腹板组合箱梁疲劳细节分类及疲劳设计提供参考或借鉴。

考虑翼板局部弯曲及剪力滞效应的波形钢腹板组合箱梁挠度分析

在位移场中引入挠度1阶导数考虑翼板局部弯曲,添加剪力滞强度函数和截面转角计入翼板剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形,基于能量变分原理获得波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程,进而推导包括挠度在内的综合考虑翼板局部弯曲、剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的位移变量解析解,并分析翼板局部弯曲和剪力滞效应对不同高跨比、腹板高度占比、宽跨比、板宽比组合箱梁挠度的影响。结果表明:该解析解能较精确地计算组合箱梁的挠度;忽略翼板局部弯曲和剪力滞效应将导致组合箱梁的挠度计算结果误差过大;对于波形钢腹板组合箱形连续梁,不考虑翼板局部弯曲和剪力滞效应,跨中挠度将分别被高估13.0%和低估7.0%;剪力滞效应对翼板与波形钢腹板间的剪力分配几乎无影响,翼板局部弯曲会显著降低波形钢腹板剪力承担比,大大减小梁体挠度;剪力滞对挠度的放大效应随宽跨比的增大而增大,而翼板局部弯曲对挠度的减小作用随着高跨比和宽跨比的增大及波形钢腹板高度占比的减小而显著提高;翼板局部弯曲和剪力滞效应对连续梁挠度的影响比简支梁更大。

钢桁腹-混凝土组合箱梁畸变效应研究

为研究梯形截面的钢桁腹-混凝土组合箱梁的畸变效应,在薄壁箱梁理论的基础上,考虑钢桁腹杆的力学特性,应用改进的板元分析法建立畸变控制微分方程,并给出畸变解析解。通过ANSYS建立实体模型验证所推公式的正确性。结合数值算例,对比分析在均布畸变荷载作用下相同截面参数的钢桁腹-混凝土组合箱梁和传统混凝土箱梁的畸变翘曲正应力,并分析梁宽和钢腹杆俯角对组合箱梁畸变内力的影响。结果表明,相同截面参数下,由于组合箱梁钢桁腹杆的纵向刚度很小,其畸变翘曲正应力为混凝土箱梁的1.71倍;梁宽对畸变内力影响较大,当梁宽增加至4.5 m时,畸变双力矩和畸变矩分别增大至3.68倍和1.36倍,且前者在纵向上双峰的分布趋势逐渐平缓;腹杆俯角对畸变双力矩影响较大,当腹杆俯角增加至27°时,畸变双力矩减小了约14.3%,但其对畸变矩影响很小。

钢桁腹-混凝土组合箱梁畸变效应分析

为研究钢桁腹-混凝土组合箱梁的畸变效应,根据其结构特性和力学特性,考虑共同工作区对组合箱梁腹杆纵向刚度的贡献,提出一种更适用于该类组合箱梁的畸变扇性坐标分布模式。采用新畸变中心定义符合钢桁腹-混凝土组合箱梁畸变变形特征的畸变角,应用能量变分法建立畸变控制微分方程,并给出包含Krylov函数的初参数解。结合数值算例,分析钢桁腹-混凝土组合箱梁在均布畸变荷载作用下的畸变翘曲正应力,并通过有限元软件ANSYS验证所推导理论的正确性。通过改变腹杆壁厚、俯角等关键参数,探究其对畸变内力的影响规律。结果表明:按该方法揭示的钢桁腹-混凝土组合箱梁的畸变应力分布规律与ANSYS计算结果吻合良好;横向畸变框架刚度是影响此类箱梁畸变效应的主要因素,且其对钢腹杆几何特性参数较为敏感。

单箱多室波形钢腹板组合箱梁约束扭转剪应力分析

波形钢腹板组合箱梁扭转刚度小、截面易发生翘曲变形.为合理计算单箱多室波形钢腹板组合箱梁约束扭转时的剪应力,对剪力流进行分解,根据剪力流的传递路径、微元体纵向平衡及翘曲位移连续性,引入能够反映各室箱壁剪力流传递规律的常数,考虑波形钢腹板的褶皱效应推演出截面几何特性和剪应力的实用计算公式.基于Reissner原理建立约束扭转控制微分方程,并用初参数法求得解析解.用该文解析法和ANSYS有限元法计算偏心荷载作用下简支箱梁的扭转剪应力,并引入反映扭转剪应力对总剪应力影响的剪应力增大系数和翘曲剪应力对扭转剪应力贡献的剪应力系数,详细分析了梁宽和箱室数量对剪应力的影响.研究结果表明:该文解析解与ANSYS有限元解吻合良好;梁宽增大和箱室数量增加均可降低扭转剪应力;约束扭转使得外腹板剪应力增大系数达到1.69,且腹板间的总剪应力表现出明显的分布不均匀性;翘曲剪应力对扭转剪应力的影响显著,设计时不可忽略;设计时应考虑混凝土顶底板扭转剪应力对主拉应力的影响,避免斜裂缝的产生.

基于能量变分法的钢底板波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为合理分析钢底板波形钢腹板梯形箱梁的畸变效应,按各板件面内外抗弯刚度不变的原则将全截面等效为钢材,利用圣维南原理考虑顶底板对波形钢腹板的约束作用,修正畸变扇性坐标分布模式,基于能量变分法建立畸变控制微分方程。与已有文献及有限元进行对比分析,并研究腹板俯角和波形钢腹板厚度变化对畸变翘曲正应力的影响。结果表明,本文解析解与文献解及ANSYS解均吻合较好;基于圣维南原理修正后的扇形坐标分布模式更合理;利用本文等效方法亦可分析传统波形钢腹板组合箱梁的畸变效应;腹板俯角的设置有利于减小畸变翘曲正应力;波形钢腹板厚度变化对腹板与底板交接处的畸变翘曲正应力影响显著。

基于板元框架法的钢底板波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为分析钢底板波形钢腹板梯形组合箱梁的畸变效应,利用圣维南原理考虑顶底板对波形钢腹板的约束作用,将组合箱梁等效为钢箱梁的过程中保持面内外抗弯刚度不变,基于板元框架法建立畸变控制微分方程并导出克雷洛夫函数形式的通解。结合数值算例的对比分析验证所提方法的合理性,并研究腹板俯角和梁高变化对畸变双力矩的影响。结果表明:相较于完全忽略腹板的面内抗弯刚度,考虑顶底板对腹板的约束作用更合理;波形钢腹板和钢底板对箱梁的畸变翘曲刚度和横向框架刚度均有较大程度的削弱;传统波形钢腹板组合箱梁的畸变翘曲应力是普通混凝土箱梁畸变翘曲应力的1.98倍,钢底板波形钢腹板组合箱梁的畸变翘曲应力可达传统波形钢腹板组合箱梁畸变翘曲应力的15.31倍;跨中截面附近的双力矩随腹板俯角变化较小,其他截面处的双力矩随腹板俯角的增大而逐渐减小;畸变双力矩随梁高的增大而逐渐增大,且其最大值位置也随之发生变化。

木-钢组合箱梁抗弯性能试验及有限元对比分析

【目的】为促进木结构在大型工程中的应用范围,本研究提出了一种以落叶松胶合木板作为上下翼板、焊接冷弯薄壁槽钢作为腹板并通过螺栓连接的木-钢组合箱梁。【方法】采用分级加载的方式分别对3根木-钢组合箱梁和1根木箱梁进行弯曲加载试验,观测组合箱梁和木箱梁在荷载作用下翼缘和腹板的应变变化、挠度的发展、破坏过程及形态变化,研究其抗弯极限承载力和抗弯刚度等力学性能,并基于ABAQUS建立了有限元模型对组合箱梁及胶合木箱梁进行数值模拟分析。【结果】组合箱梁的翼板与腹板组合性能较好,最终均为下翼缘木板受拉断裂的破坏模式,同时伴随着钢材局部屈曲和上翼缘木材的局部劈裂等破坏;木箱梁为腹板顺纹剪切破坏。相比胶合木箱梁,组合箱梁的抗弯极限承载能力平均提升了30.33%,但初始刚度平均降低了34.42%;根据翼板横向应变分布计算了木箱梁和木-钢组合箱梁上翼缘的剪力滞系数以及有效分布宽度。有限元模型与试验结果吻合良好,能有效预测木-钢组合箱梁及胶合木箱梁的弯曲性能。【结论】木-钢组合箱梁充分发挥了木材和钢材的力学性能,相比于纯木箱梁,抗弯承载力提升显著,说明木-钢组合箱梁是一种科学合理的组合形式,研究成果可为木-钢组合箱梁的后续研究提供一定的理论基础。

波形钢腹板PC组合箱梁受扭全过程分析

为了揭示波形钢腹板PC组合箱梁的受扭作用机理,根据薄壁结构理论分析了截面扭矩分配及受扭变形协调条件,采用USTMT模型对波形钢腹板PC组合箱梁进行了受扭全过程计算,并在其基础上对混凝土抗压强度、波形钢腹板厚度和屈服强度、预应力钢束初始预应力及普通钢筋配筋强度比进行了参数分析,发现以波形钢腹板PC组合箱梁中混凝土板和钢腹板扭率相同为变形协调条件较为合理;开裂扭矩、屈服扭矩和极限扭矩均随混凝土立方体抗压强度的增大而增大,但波形钢腹板承担的扭矩几乎不变;波形钢腹板厚度对混凝土板承受的扭矩几乎无影响,但使波形钢腹板承担的扭矩增大;波形钢腹板屈服强度f wy对开裂扭矩和混凝土板承受的极限扭矩几乎无影响,但使屈服扭矩和波形钢腹板承担的极限扭矩增大,混凝土强度越高,能够使波形钢腹板发生屈服的钢材强度等级越高;极限扭矩随配筋强度比ξ的增大而增大,且存在一个ξ的敏感区域,同时随钢束初始预应力的增大而线性增加,但增幅较小,尤其是对波形钢腹板承受的扭矩几乎没有影响。

波形钢腹板组合箱梁桥荷载试验研究

为检验某新建波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板组合箱梁桥的施工质量及实际承载能力,分析该桥在等效车辆荷载作用下的静、动力特性,运用结构有限元分析软件MIDAS CIVIL对该桥建立有限元仿真模型。通过现场静载试验及动载试验,实测桥梁结构在等效车辆荷载下的静、动态数据并与理论计算值进行比对分析,以此验证简化模型的合理性和准确性,并对桥梁施工质量和实际承载能力做出评价。