钢桁腹-混凝土组合梁桥受弯性能分析

基于欧拉-伯努利梁理论,分析钢桁腹-混凝土组合梁桥的受弯性能。考虑到腹杆在纵向的不连续性,通过对腹杆进行受力分析,将腹杆的受力等效为轴力和面内弯矩,分别作用在顶板和底板上。引入奇异函数建立梁挠曲的微分方程,根据支座边界条件和腹杆节点的位移协调方程求解出所有的未知系数,得到了顶板和底板在不同荷载下的挠曲函数以及腹杆的轴力。根据腹杆的轴力确定腹杆的破坏荷载以及破坏形式。最后通过ANSYS建立实体有限元模型,对比了不同腹杆倾角下顶板的挠度和腹杆轴力,计算结果与有限元结果误差在5%左右。说明该方法能计算在弯曲荷载下,任意点的挠度和所有腹杆的轴力,计算方法既简单又能满足精度要求。

钢桁腹-混凝土组合梁桥的力学性能研究

钢桁腹-混凝土组合梁桥是桥梁结构的轻型化和工业化理念下催生的新结构,在现今中等跨径新桥型中具有一定竞争力。本文拟以该类桥梁为研究对象,研究分析合理节点形式,探讨该类桥梁的可施工性和力学性能;研究钢桁腹-混凝土组合梁桥的空间受力行为,揭示点支撑下混凝土桥面板受力特性,提出钢桁腹-混凝土组合梁桥整体结构的设计理论与优化措施。

钢桁腹-混凝土组合梁等效计算模型及自振频率研究

为分析钢桁腹-混凝土组合梁这种非连续腹板结构的力学性能,基于结构等效的理念,考虑钢桁腹杆结构在不同方向上的有效弹性模量,将不连续的钢桁腹杆梁腹结构等效为正交异性板梁腹结构;运用薄壁箱梁的弯曲振动和扭转振动频率公式,可计算出钢桁腹-混凝土组合梁的弯曲振动频率和扭转振动频率,并对有限元计算结果与理论公式计算得到的理论解进行对比分析,讨论了横向刚度对有限元求解方法和理论求解方法结果产生的影响;分析组合梁高度、钢桁腹杆截面积、悬臂端长度等结构尺寸因素对钢桁腹-混凝土组合梁自振频率的影响。结果表明,利用等效原理计算钢桁腹-混凝土组合梁自振频率误差在10%以内,具有较高精度,可为工程实践提供一定的理论依据;在顶底板结构尺寸保持不变的情况下,弯曲振动频率受其他结构参数影响的变化很小,扭转振动频率受钢桁腹杆截面积、悬臂端长度的影响变化明显,随着钢桁腹杆截面积的增大而增大,随着悬臂端长度的增大而降低。

变截面钢桁腹混凝土组合梁-钢腹杆剪应力计算

基于弹性梁微元法,考虑混凝土顶底板对组合梁的抗剪贡献,在轴力、剪力及弯矩共同作用下,推导变截面钢桁腹-混凝土组合梁剪应力计算公式,并结合算例和有限元进行验证,对比分析在集中荷载作用下理论值与有限元值的相对误差,验证计算公式的适用性。研究结果表明:解析法和有限元法计算结果吻合良好,在变截面钢桁腹-混凝土组合梁剪应力计算中变截面效应的影响不可忽略。在集中荷载作用下,等截面梁与变截面梁等效钢腹板的承剪比最大差值约79.75%;从悬臂梁端部到根部,钢腹杆的剪应力在减小,钢腹杆的承剪比从81.48%降低至10.90%。

钢桁腹-混凝土组合箱梁局部外接节点静载试验及极限承载力计算研究

为了解钢桁腹-混凝土组合箱梁(顶、底板为混凝土结构,腹杆为钢结构)外接节点在水平荷载作用下的受力性能,以某钢桁腹-混凝土组合箱梁桥方案为背景,选取钢腹杆轴力最大节点设计、制作缩尺比为1∶3的钢桁腹-混凝土组合箱梁局部外接节点试件(由混凝土弦杆、方形钢腹杆、节点板组成,原混凝土板简化为混凝土弦杆)并开展静载试验,分析外接节点试件静载试验现象及破坏模式、荷载~位移曲线,以及混凝土弦杆、节点板和钢腹杆的应力分布规律,并基于有效宽度法及撕裂面法与最大强度准则提出外接节点极限承载力计算方法。结果表明:外接节点试件的破坏模式为节点板拉剪断裂失效,极限承载力为设计荷载的5.71倍,承载能力满足要求;混凝土弦杆压应力沿加载方向逐渐减小,沿竖直方向从上往下逐渐增大;节点板应力沿加载方向总体上先增后减,外露节点板是节点受力的关键构件;外接节点极限承载力由节点板和钢腹杆中较弱者控制,采用所提出的计算方法得到的外接节点极限承载力计算值与试验结果相差小于6%。

工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能影响的试验研究

为了研究工艺孔对大截面部分包覆钢-混凝土组合梁(大截面PEC梁)受弯性能的影响,对5根不同构造的大截面PEC梁进行了静力试验,研究了两点加载下主次梁腹板开洞方式对大截面PEC梁试件受弯性能、延性、破坏模式等的影响规律。结果表明:静力荷载作用下,各个试件均表现出良好的延性,腹部开孔对试件承载力和截面刚度有一定的削弱作用。型钢主钢件的应变与混凝土的应变沿截面高度方向均大致呈线性变化,符合平截面假定。按《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》(T/CECS 719—2020)计算得到的开工艺孔的大截面PEC梁抗弯承载力与试验值误差较小,受尺寸效应影响不大,所采用计算公式安全可靠。

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

针对部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点区域后浇筑混凝土不易密实的问题,研究了受拉侧混凝土对局部半包裹部分包覆钢-混凝土组合梁(局部半包裹PEC梁)受弯性能的影响,进行了2根不同构造的局部半包裹PEC梁的四点弯曲试验,模拟局部半包裹PEC梁负弯矩区受力状态,对其受弯性能、延性、破坏形式等展开分析。结果表明:局部半包裹PEC梁表现出良好的延性,挠度达到l_(0)/50时截面抗弯承载力并未下降。型钢主钢件、混凝土的应变沿截面高度方向大致呈线性变化,可引用平截面假定计算受弯承载力及刚度。局部半包裹PEC梁受拉侧混凝土对其极限承载力与破坏模式影响不大,在计算局部半包裹PEC梁柱节点受力时可不考虑受拉侧混凝土作用,节点后浇筑区域可采用半包裹填充,以加快施工进度。此外,对局部半包裹PEC梁进行建模,进行梁受弯过程的有限元分析,对比模拟结果与试验结果,二者荷载-挠度曲线吻合较好,误差均在10%以内。

波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭性能研究

以波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁为研究对象,开展抗扭性能试验和理论分析,并与波形钢腹板-钢管桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管混凝土弦杆组合箱梁抗扭性能进行对比;研究波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的扭曲破坏形态、截面类型、管内混凝土对组合梁抗扭性能的影响,并探讨波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭承载能力计算方法。结果表明,波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁可等效为闭口箱形截面。扭曲破坏形态为混凝土桥面板沿与梁轴线呈45°方向斜向开裂,且纵向钢筋发生屈服。管内混凝土对组合梁抗扭刚度和抗扭承载能力具有一定的贡献度。基于线性刚度叠加方法,提出钢管混凝土组合抗扭刚度计算方法。根据波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁可能发生的四种扭曲破坏形态,提出波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁抗扭承载能力计算方法,并将采用该文所提出的组合梁抗扭承载能力计算方法得到的理论计算结果与试验和有限元分析结果进行对比,误差不超过8.5%。

钢-混凝土组合梁螺栓连接件受剪性能试验研究

传统螺栓连接件的直径小于钢梁预留孔的孔径,导致螺栓与孔壁存在间隙,容易引发钢梁与上部混凝土板间发生相对滑移使组合梁挠度增大。为尽量减小或消除上述间隙,本文引入铰制孔螺栓和螺纹孔螺栓作为组合结构的剪力连接件,并提出锥套自锁螺栓连接件。设计并开展了8个螺栓连接件推出试验,基于各试件的荷载-滑移曲线,研究了3种螺栓连接件与传统螺栓连接件间的抗剪承载力、滑移能力及抗剪刚度等受剪力学性能的具体差异。研究结果表明:3种螺栓连接件的破坏形态与传统螺栓连接件表现一致,均为螺栓杆剪断,混凝土无压溃现象;3种螺栓连接件的抗剪承载力均接近于传统螺栓连接件的抗剪承载力;基于试件的荷载-滑移曲线,3种螺栓连接件均可分为弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段;3种螺栓连接件的延性系数和抗剪刚度均明显优于传统螺栓。综合考虑力学性能、施工性能和经济性,本文建议选用铰制孔螺栓用于组合结构的剪力连接件。

新型部分填充钢-混凝土组合梁受剪性能试验及有限元模拟研究

采用合理的材料本构关系,利用ABAQUS有限元软件建立足尺有限元模型,对新型部分填充钢-混凝土组合梁进行受剪承载力分析。结合试验研究,通过改变剪跨比、型钢强度等级、梁高度、型钢腹板厚度、翼缘栓钉间距等因素对新型组合梁组合截面受剪承载力进行了研究。结果表明,新型组合梁有较好的受剪承载力,混凝土强度等级和新型组合梁高度对峰值承载力的影响不显著,但混凝土显著提高了新型组合梁的整体稳定性;而新型组合梁高度每增加50mm,其峰值剪力值约提高7%~21%;型钢腹板厚度每增大2mm,新型组合梁峰值剪力就提高10%左右,腹板对其受剪承载力影响较大。运用叠加原理,结合腹板、翼缘内侧混凝土、翼缘栓钉和箍筋的受剪贡献,对《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)中组合梁截面受剪承载力计算公式进行了优化。结果表明,修正后的计算公式具有良好精度。

高强度钢-混凝土组合梁静力性能分析

为研究高强度钢-混凝土组合梁在跨中荷载作用下的静力性能,设计并制作了组合梁足尺试件。根据静力加载和测点布置方案进行加载试验并获取试验数据,并绘制组合梁整体荷载-挠度曲线和混凝土结构的荷载-应变曲线。分析结果表明:最大挠度出现在荷载为150kN时,试验加卸载过程中,荷载与挠度基本成正比关系;混凝土梁顶部全部受压,底部C1-1处基本受压,C2-1处受拉。利用有限元软件建立三维实体模型进行数值模拟,有限元结果与试验结果吻合较好,表明了有限元模型的合理性和准确性。

车辆荷载作用下钢-混凝土组合梁疲劳应力分析

【目的】随着桥梁服役期延长和车辆荷载增加等多种因素的影响,结构承载力会变得越来越弱,疲劳寿命不断降低,最终可能导致低应力疲劳破坏。因此有必要对车辆荷载下拱桥钢混组合梁的疲劳细节应力进行研究。【方法】采用数值模拟的方法,利用Midas FEA NX软件建立3个标准长度的三维实体精细有限元模型,分析钢混组合梁易损疲劳关键点的位置,并研究车辆荷载横向最不利加载位置和纵向加载下的疲劳细节应力变化规律。【结果】结果表明,组合梁次横梁与中纵梁交点处有三处疲劳关键点;靠近桥梁中线位置是车辆荷载下钢梁疲劳最不利的横向加载位置;四种不同标准的纵向车辆加载时,三个疲劳关键点均出现两次应力峰值,且最大应力幅值均低于常幅疲劳强度的极限值。【结论】研究成果可为钢-混凝土组合梁试验和相关研究提供参考。

可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能有限元分析

为了研究可拆卸钢-混凝土组合梁的抗弯性能,文章采用ABAQUS有限元软件建立可拆卸钢-混凝土组合梁梁式试件的有限元模型,选取钢梁强度、混凝土板强度、插块强度和螺栓强度等级这四个参数,对比分析这四个参数对可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能的影响。结果表明,H型钢梁的强度对可拆卸钢-混凝土组合梁的抗弯性能的影响最为明显;混凝土板强度对可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能存在较小影响;混凝土插块强度对可拆卸钢-混凝土组合梁抗弯性能几乎没有影响。

钢桁腹预应力混凝土组合梁桥静动载试验研究

介绍了中国首座钢桁腹预应力混凝土组合梁桥——江山桥荷载试验的主要内容和方法,并结合理论计算,对该桥的实际应力、挠度以及自振频率等进行对比分析。试验结果表明:该桥的理论分析和设计方法可行,整体性能良好。研究结果可为中国钢桁腹预应力混凝土组合梁桥的进一步深入研究和发展奠定良好的基础。

波形钢腹板-桁架-混凝土板组合梁静力三分力系数分析

为研究波形钢腹板-桁架-混凝土板组合梁的抗风性能,建立了该类梁的CFD数值分析模型,分析了-3°,0°,3°三种风攻角以及均匀流与C类地貌两种流场条件下组合梁截面的流场、截面的风压分布以及不同位置处的平均风压系数,并给出了均匀流与C类地貌下该类梁的升力系数、阻力系数与升力矩等气动三分力系数。研究结果表明:桥面板的上表面主要表现为风吸力,下表面风压分布主要受到特征湍流即分离涡的影响;均匀流场下气动三分力系数约为C类地貌下的1.1~1.2倍;与数值分析结果相比,《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)建议的气动三分力系数取值偏于保守。

钢-混凝土连续组合梁腹板局部屈曲分析

对连续组合梁负弯矩区钢腹板的稳定性进行了研究,分析了负弯矩区钢梁腹板在弯曲、轴向压力和剪切作用下的力学性能,提出了组合梁腹板在各种荷载作用下的局部稳定性简化计算模型,建立了非均匀受压、纯剪和弯剪复合受力状态下的临界屈曲应力计算公式;分别计算了钢梁腹板在非均匀受压和纯剪状态下的弹性屈曲系数,并根据偏心受压与剪切作用下的相关方程计算了钢梁腹板在复杂应力状态下的弹性屈曲系数;基于屈曲分析结果,提出了组合梁在弹性受力阶段钢梁腹板不设横向加劲肋的高厚比限值。结果表明:采用该方法确定的钢梁腹板高厚比更具合理性,且计算过程简单,结果偏于安全。

钢桁腹预应力混凝土组合梁桥的剪滞效应

钢桁腹预应力混凝土组合梁桥在截面形式上采用桁式腹杆和混凝土顶底板,由于剪切变形的不均匀性,使得组合箱梁在纵向弯曲时产生较为明显的剪滞效应。以某钢桁腹混凝土组合梁桥为例,利用空间实体模型分析了剪滞效应和有效宽度分布规律,并研究了顶底板厚度及钢管壁厚对剪滞效应的影响,为今后同类桥型的设计提供参考。

高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥稳定性研究

为研究高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定性,依托主跨300 m深茂铁路虎跳门水道特大桥,采用有限元软件ANSYS建立以梁单元为主的空间杆系有限元模型,对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥开展线弹性稳定分析,并进行考虑几何初始变形及材料弹塑性的非线性稳定性分析。结果表明:在弹性稳定分析下,该桥梁的一阶失稳形式为主梁整体纵飘及塔纵弯失稳,二~四阶均为桥塔处的主梁下弦杆首先出现横向偏位而局部失稳;在运营阶段弹性稳定系数最小为7.639,第二、三阶和第四、五阶稳定系数分别相同且失稳形式为对称失稳;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)后,一阶稳定系数减小6.39%;考虑非线性因素影响后稳定系数降低明显,仅考虑几何非线性因素的影响后一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低11.23%、9.01%和10.13%,而考虑几何及材料双重非线性因素影响后,一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低67.78%、60.63%和52.56%,表明材料非线性对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数影响更为显著;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)以及双重非线性因素影响后,铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数为1.985,大于规范1.7的要求。

收缩徐变对钢-混凝土组合梁界面行为影响的有限元分析

为研究混凝土收缩徐变对长期荷载作用下钢-混组合梁界面剪力和相对滑移的影响,提出一个简单实用的有限元分析方法。在假定荷载-滑移为线性以及钢梁与混凝土层之间无掀起的前提下,基于混凝土收缩徐变分析的初应变法,建立部分剪力连接钢-混凝土组合梁长期性能分析的有限元模型,其中界面行为通过建立混凝土板与钢梁之间对应节点的主从关系及特殊单元予以模拟。对比集中荷载作用下简支梁的计算结果与已有文献,验证所提方法的有效性。在此基础上研究收缩徐变对钢-混组合梁界面剪力和相对滑移的影响。结果表明,收缩徐变共同作用使得简支钢-混组合梁的界面滑移随着时间有较大程度地增加,但单独的收缩效应反而使界面滑移减小,尽管变化量可忽略不计;同时,由于界面剪力与滑移的正相关性,收缩徐变效应也使得端部界面剪力随时间增大,呈现出前期增长很快而后期增长缓慢的特点。