中等跨径装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥设计

优化了传统混凝土箱梁腹板与底板,提出了装配式桥梁新型结构形式——矩形钢管混凝土组合桁梁桥,从总体设计、主桁选型、横断面选型、桥面板选型、杆件选型、节点选型与连接构造方面介绍了其结构设计优化过程;从桥梁的静力性能与地震响应、桥面板的有效宽度与负弯矩区力学性能方面对矩形钢管混凝土组合桁梁桥进行了有限元分析,并将部分组合技术应用到负弯矩区桥面板连接件的设计中;从技术性与经济性角度将矩形钢管混凝土组合桁梁桥与预应力混凝土箱梁桥进行了工程量和施工便捷性对比。研究结果表明:矩形钢管混凝土组合桁梁桥结构选型符合桥梁预制装配、快速建造的工业化要求,主桁各杆件受力明确,受力形态主要为轴向拉、压力;负弯矩区桥面板有效宽度系数为0.899;采用部分组合技术可使桥面板轴向拉力下降75.3%,有效地提高了桥面板的抗裂性能;矩形钢管混凝土组合桁梁桥初始输入地震力占同等跨度预应力混凝土箱梁桥的58.9%,说明矩形钢管混凝土组合桁梁桥具有良好的抗震性能;钢材用量、混凝土用量、上部结构质量与预应力混凝土箱梁桥的比值分别为1.241、0.485、0.575,说明矩形钢管混凝土组合桁梁桥结构轻巧,材料利用率高,工程造价低,具有经济优势。

部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥冲击系数

为研究部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥车激动力放大效应,以某3跨连续部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥为研究对象,通过桥梁冲击系数定义求得桁梁桥挠度冲击系数与轴力冲击系数。对比分析了不同车速、桥面不平度、车重、填充系数等因素对桁梁桥冲击系数的影响,并采用MATLAB软件对共867个冲击系数进行拟合优度检验,得到95%保证率下桁梁桥冲击系数统计值。结果表明:部分填充混凝土后能有效降低矩形钢管组合桁梁桥下弦杆动力响应,但并没有降低桁梁桥在车辆荷载作用下的动力放大效应;车速对桁梁桥冲击系数的影响规律不可预测;桥面不平度是影响冲击系数的重要因素,桁梁桥关键截面冲击系数随桥面恶化显著增大,最大增幅约为400%;随着车重降低,桁梁桥关键截面冲击系数增大,最大增幅约为200%;随着混凝土填充系数的增大(下弦杆混凝土填充长度增加),由于桁梁桥下弦杆相对刚度提高,其冲击系数值略有增大;桁梁桥关键截面轴力冲击系数大于挠度冲击系数。在95%保证率下,该部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥冲击系数统计值为0.223,小于美国规范、澳大利亚规范、英国规范和加拿大规范中的冲击系数取值,但大于中国规范中的冲击系数取值,应引起桥梁设计者的高度重视。

超高性能钢管混凝土桥梁结构研究

为推动超高性能矩形钢管混凝土组合结构应用并促进桥梁结构轻型化、装配化技术发展,依托沪武高速某跨线桥工程,对中等跨径下承式超高性能钢管混凝土桥梁进行设计研究。提出采用超高性能钢管混凝土组合结构作为桥梁主要承重构件,其高承载力、高耐久性、施工便捷、装配化程度高等优良性能,满足目前对桥梁建设轻型化、薄壁化的发展需求。结合工程建设条件,提出3种主要构件以承受轴向力为主的桥型方案,分别为组合桁梁桥、系杆拱桥以及斜拉板桥,创新性地采用CFRP吊杆、CFRP预应力筋及冷弯卷边U型横梁与UHPC组合桥面板结构,并通过有限元模型对各设计结构进行强度、刚度、稳定性及动力特性分析,得到各验算结果均满足规范要求,并针对各桥型进行技术经济性分析,为中等跨径跨线桥梁的设计及UHPC、CFRP等新材料的应用提供参考。分析结果表明:简支组合桁梁动力特性较好,刚度、稳定性适中;连续组合桁梁构件强度较均衡,材料利用率相对高,但竖向刚度相对较小;系杆拱桥竖向刚度相对较大,但横向稳定性相对差;斜拉板桥竖向刚度相对大,横向稳定性相对好。在相同条件下,简支桁梁、系杆拱桥、连续桁梁、斜拉板桥的材料造价比值为1∶1.02∶0.97∶1.83,连续组合桁梁的经济性最优,而斜拉板桥相对差。组合桁梁桥施工性能更优,而系杆拱桥与斜拉板桥景观效果更为突出。

PBL加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥设计

高速公路跨线桥黄延桥为(24+40+24) m连续刚构体系PBL 加劲型矩形钢管混凝土组合桁梁桥。该桥主梁采用矩形钢管桁架和混凝土行车道板构成的组合桁梁;桥墩采用Y形双肢矩形钢管混凝土树状桥墩,下设菱形承台+钻孔灌注桩基础。在负弯矩区下弦杆和Y形桥墩的矩形钢管内设置PBL纵肋并灌注混凝土,形成PBL加劲型矩形钢管混凝土断面,以提高杆件承载力、改善受压钢管局部屈曲性能。为提高该桥PBL加劲型矩形钢管混凝土节点的承载力、改善节点的失效模式,采取主管内灌注混凝土和支管与主管同宽两项优化措施。混凝土桥面板通过上弦闭口PBL开孔预埋钢板连接件与主桁相连。桥墩通过纵、横向呈方格网络集中布置的PBL开孔钢板与承台固结。

钢管混凝土组合桁梁桥近、远场抗震性能

基于对传统预应力混凝土连续刚构桥的优化,提出了钢管混凝土组合桁梁桥结构形式,即上部结构采用矩形钢管混凝土组合桁梁,下部结构采用圆形钢管混凝土格构式桥墩。采用数值分析手段对比研究了传统预应力混凝土连续刚构桥、连续刚构优化桥型及新型钢管混凝土组合桁梁桥在近、远场地震作用下的抗震性能。结果表明:钢管混凝土组合桁梁桥、连续刚构优化桥型抗震性能要明显优于传统混凝土连续刚构桥,且钢管混凝土组合桁梁桥抗震性能更佳,近场地震作用下桥墩弯矩下降达41.9%,剪力下降达66.1%,远场地震作用下桥墩弯矩下降达37.5%,剪力下降达76.4%;相较远场地震,近场地震作用致使结构输入的地震能量大幅增加,相同桥型桥墩位移最大增幅达5.7倍,桥墩弯矩最大增幅达3.5倍;钢管混凝土组合桁梁桥是一种抗震性能优越的桥梁结构形式,可为西部地区装配式钢混组合桥梁的设计选型提供参考。

矩形钢管混凝土连续组合桁梁破坏模式

为了对矩形钢管混凝土组合桁梁桥工程设计提供参考并助力该桥型的进一步推广应用,采用与试验结果相验证的有限元方法对矩形钢管混凝土连续组合桁梁主桁应力、混凝土桥面板应力、桥面板钢筋应力、核心混凝土应力、杆件屈服进程、杆件塑性变形进行失效全过程分析。基于截面塑性铰模型提出矩形钢管混凝土连续组合桁梁合理破坏机制;以截面刚度、承载力、结构是否发生合理破坏模式为评价指标,对桥面板配筋率、桥面板厚度、腹杆和弦杆壁厚比、弦杆内填混凝土强度等级等一系列设计参数合理取值范围展开研究。研究结果表明:桥面板配筋率合理取值宜为1.39%~2.31%;桥面板厚度对组合桁梁负弯矩区承载力影响更为明显;腹杆与弦杆壁厚比α的合理分布为0.667~1.0;中支点下弦杆、跨中上弦杆内填混凝土强度等级的提高对提升组合桁梁刚度和承载力效应更为显著。

方钢管混凝土组合异形柱传热性能

为了研究方钢管混凝土组合异形柱结构的传热性能,本文以河北省某方钢管混凝土组合异形柱钢结构住宅工程为研究对象,分析了采用钢管混凝土组合异形柱的结构角部的传热性能,对比了单一墙体、方钢管混凝土组合异形柱和普通矩形钢管混凝土柱的平均传热系数.通过分析发现,方钢管混凝土组合异形柱结构不会在热桥内表面产生冷凝结露的现象,钢管混凝土柱部位热桥的存在对外墙能耗的影响不大,采用方钢管混凝土组合异形柱的保温性能优于采用矩形钢管混凝土柱的保温性能.

新型矩形钢管混凝土组合桁梁桥结构形式与绿色建造

随着国家践行“双碳”战略和工业化建筑时代的到来,桥梁作为生命线节点工程正在向着装配化、工业化的方向大步迈进,而钢管混凝土组合桁梁桥作为一种高性能组合结构桥梁形式在承载性、承灾性及装配化等方面具有优势,融合“工业化建造”“绿色建材”理念是实现钢管混凝土组合桁梁桥绿色建造的有效手段。为此,从高传力体系、高承载力结构构造及高承载力节点构造等方面阐述了矩形钢管混凝土组合桁梁桥的构造优势,证明其是一种高承载性能桥梁结构形式,从高韧性与高经济性方面进一步论述了矩形钢管混凝土组合桁梁桥的优势所在,并就抗震性能、工程经济性与常规混凝土梁桥进行类比;而后从全预制件装配单元、预制件现场快速拼装角度阐述了矩形钢管混凝土组合桁梁的工业化建造理念,提出与快速拼装相适应的构造措施,并对具有绿色高强优点的碱激发UHPC混凝土应用于钢管混凝土组合桁梁桥进行了构思和设想;最后通过典型工程实践证实了钢管混凝土组合桁梁桥具有轻质高强、力流传递明确的显著特征和高效的装配建造性能。

矩形钢管混凝土组合桁梁连续刚构桥实桥试验

为了研究矩形钢管混凝土组合桁梁桥这种主梁由矩形钢管混凝土桁架和混凝土桥面板组成的新桥型的力学性能,以中国首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为对象开展了实桥试验。试验桥孔跨布置为24m+40m+24m,结构体系为连续刚构。试验采用400kN加载卡车3辆,共进行了3个荷载工况12个加载步的加载,对试验桥的整体力学性能、矩形钢管混凝土杆件力学性能以及桥面板有效宽度进行了研究。试验结果表明:在荷载效率为1.90~3.05的超载工况下各控制杆件的轴力-应变及荷载-位移实测数据线性关系显著,试验桥在加载过程中始终处于良好的弹性工作状态;实测受压钢管混凝土下弦杆钢管与管内混凝土荷载的分配符合二者的轴向抗压刚度比例关系;由于矩形钢管混凝土管壁内设置了纵向PBL加劲肋(开孔钢板加劲肋),其在开孔区域形成混凝土榫,大幅提高了矩形钢管混凝土杆件的抗拉刚度,使其可达受压杆件刚度的80%;两主桁之间桥面板实测有效宽度与既有文献研究结果符合良好,且剪力滞效应在节点处比节间处表现得更为明显。

基于热点应力法的矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳评估

为准确评估矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳性能,引入热点应力法,可通过平面杆系模型、空间杆系模型和三维实体模型计算节点焊趾处的热点应力幅,并通过对52个节点疲劳试验数据回归分析,拟合得到热点应力幅-循环次数曲线;选取陕西黄延高速一座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为典型案例进行节点疲劳评估,并对原有节点设计方案的构造进行优化。研究结果表明:相比于墩顶矩形钢管混凝土节点,跨中矩形钢管节点热点应力幅更大,为60.1 MPa,发生在主管表面,但是小于欧洲规范Eurcode中的容许疲劳强度71 MPa,满足疲劳设计要求;对跨中疲劳易损节点进行设计构造优化,原设计矩形钢管节点变为矩形钢管混凝土节点后,管内混凝土改变了节点局部刚度,使相贯线焊趾处应力分布均匀,支、主管表面热点应力幅平均降低25.1%,对原设计节点进行焊缝后处理,可有效消除焊接初始拉应力,改善节点疲劳性能,支、主管表面热点应力幅平均降低14.9%;采用空间杆系模型对优化后的跨中矩形钢管混凝土节点进行疲劳评估,支、主管表面最大热点应力幅分别为58.9、54.1 MPa,大于三维实体模型计算得到的支管和主管表面最大热点应力幅45.2、47.1 MPa,空间杆系模型计算结果偏保守,且无法像三维实体模型一样准确计算不同热点位置的疲劳效应,也无法准确判断疲劳开裂起始位置。

高性能钢管混凝土组合桁梁桥

提出一种新型桥梁结构形式——高性能钢管混凝土组合桁梁桥。从结构性能方面阐述该组合桁梁桥高效传力机制、高性能结构构件及节点力学性能,从预制件划分、存放、运输、拼接方面阐述组合桁梁桥高效装配施工性能,从防灾性能方面对组合桁梁桥与混凝土梁桥进行抗震性能有限元对比分析,从耐久性能、可维护性能及环保性能方面论述组合桁梁桥良好的服役性能。结果表明:高性能钢管混凝土组合桁梁桥各杆件受力明确,杆件材料利用率高,结构刚度大,当结构跨径达到80 m时,用钢量指标仍在400 kg·m^(-2)以下;PBL加劲型等宽钢管混凝土节点可有效改善节点传力性能、静力破坏模式及抗疲劳性能;PBL加劲型矩形钢管混凝土构件可改善钢混界面传力及钢管局部屈曲性能,有效提高构件承载力;组合桁梁桥主桁单元、桥面板单元、桥墩单元可在工厂标准化生产,预制构件单元质量可控,现场装配速度快,施工周期短;与混凝土箱梁桥相比,组合桁梁桥结构体系地震响应内力下降显著,反应谱分析中纵桥向墩底弯矩与剪力下降达94.0%、81.2%,时程分析中纵桥向墩底弯矩下降达91.6%;采用可更换桥面板构件、桥墩系梁构件使组合桁梁桥全寿命周期性能优异。可见,矩形钢管混凝土组合桁梁桥是一种装配式高性能桥梁结构体系,可为中国中等跨径公路装配化桥梁设计提供参考。

基于响应面法的钢管混凝土组合桁梁桥多尺度有限元模型修正

为建立适用于钢管混凝土桥梁的高效、高精度有限元分析模型,提出一种基于响应面法的全桥多尺度有限元模型修正方法。首先以一座钢管混凝土组合桁梁桥为工程背景建立包含全桥、组合桁梁桥面板以及钢管混凝土桁架杆件3个尺度的ABAQUS全桥多尺度有限元模型。在考虑钢管混凝土结构的特点和施工误差的基础上选取桥面板混凝土弹模、厚度,桁架弦杆内混凝土弹模,钢材弹模以及加载车辆荷载5个影响因素作为待修正参数;根据实桥试验条件选择中跨跨中挠度、下弦空管弦杆应力、墩顶钢管混凝土弦杆应力、墩顶受压腹杆应力以及桥面板顺桥向应力5个目标函数。其次采用中心复合设计方法生成了待修正参数的样本集,并将每组参数样本代入有限元模型进行计算。进而采用响应面法建立待修正结构参数和目标函数的2次多项式函数关系,结合参数显著性分析得到响应面方程。最后结合实桥试验结果对多尺度有限元模型3个尺度上的结构参数进行同步修正。结果表明:修正后的参数变化情况与依托工程的实际施工情况相符;采用修正后的参数建立的多尺度有限元模型计算值与实桥试验结果吻合良好;修正后的有限元模型具有较高的精度,可真实反映实际工程中桥梁结构的受力状态。该修正方法可为桥梁结构运营期间的健康监测、状态评估、损伤检测提供可靠的分析手段。

矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区受力性能试验研究

矩形钢管混凝土组合桁梁由混凝土板和矩形钢管混凝土桁架组成,在竖向荷载作用下,其正弯矩区可充分发挥混凝土板和桁架的组合作用,但负弯矩区的力学性能较为薄弱且受拉混凝土板容易开裂。针对这一问题,提出了在负弯矩区混凝土板施加预应力以及布置局部释放剪切作用的剪力钉相结合的组合桁梁结构形式。采用跨中施加反向集中荷载模拟连续梁支点反力的方法,对2榀承受负弯矩的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了静力加载试验,对其荷载-位移关系、裂缝发展规律、混凝土板应变分布、桁梁荷载-应变关系、钢与混凝土界面滑移及承载力进行了分析。还根据组合桁梁的简化力学模型对不同加载阶段的结构特征荷载进行了讨论。结果表明:采用局部释放剪切作用的剪力钉和混凝土板施加预应力的组合桁梁结构形式可有效提高其抗裂性能,但对受弯承载力影响较小;在加载过程中混凝土板的开裂和杆件的屈服导致结构塑性变形增大,最终节点处焊缝撕裂,组合桁梁丧失承载力;由简化力学模型计算得到的结构特征内力与实测值吻合较好,可为矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区的设计和计算提供参考。

基于桁梁实桥试验的钢管混凝土界面传力机制

为分析钢管混凝土桁梁桥的承载性能和钢-混凝土组合作用机理,进行了桁梁上、下弦钢管混凝土界面传力行为实桥试验和全桥板壳-实体有限元参数分析;以主跨71 m的简支半穿式钢桁梁桥为依托,沿其上、下弦杆节间长度范围内共布设102个应变测点,测试并分析了加载车作用下钢管轴向应变分布和钢-混凝土界面传力特征;采用ABAQUS软件建立了试验桥板壳-实体有限元模型,经实测挠度与应变数据验证模型的可靠性后,进行了界面连接状态、界面抗剪刚度、钢管厚度、管内混凝土强度等对钢管混凝土界面传力性能的参数影响分析。分析结果表明:钢管轴向应变分布规律可反映钢管混凝土界面传力的基本特征;钢管混凝土桁架上、下弦杆节点区域均出现界面剪力不均匀分布现象,钢-混凝土界面有效传力范围内钢管轴向应变呈负指数函数分布,其他区域钢管轴向应变保持不变;完全脱黏的钢管混凝土桁架弦杆的钢管轴向应变在节点一定范围内呈二次抛物线函数分布;钢管轴向应变因界面连接状态所表现出的不同应变分布规律和剪力传递长度可用于评价钢管混凝土组合作用强弱和界面工作状态;桁架弦杆的剪力传递长度随钢管厚度和管内混凝土强度的增加而增大,钢管厚度的影响更显著;在钢管混凝土桁架弦杆内设置抗剪连接件可缩短剪力传递长度。

张靖皋长江大桥建设综述

张靖皋长江大桥南航道桥推荐采用梁跨布置2 300 m+717 m的双塔两跨悬索桥方案,创下六项“世界之最”。跨径突破以及桥区建设条件带来了诸多技术挑战,张靖皋长江大桥建立了顶层科技规划,以2 300 m级超大跨悬索桥建设所需设计、施工、运维技术为核心,根据设计、施工、运维的全寿命周期需求,推动新技术、新工艺、新设备、新材料创新,支撑张靖皋长江大桥建设。创造性地提出了超大跨度悬索桥主缆自平衡结构体系、超高钢箱—钢管约束混凝土组合索塔、超大规模双回字复合地下连续墙锚碇基础、超大型自行走装配式索鞍、智能感知可更换锚固体系、全桥一体化智能防腐体系、L型纵肋正交异性钢桥面板系统等创新设计。