双主梁曲线钢管混凝土组合桁梁桥冲击系数研究

为研究双主梁曲线钢管混凝土组合桁梁桥冲击系数,分别建立了桥梁有限元模型和7个自由度车辆弹簧-质量模型;考虑离心力和桥面不平度,采用分离迭代法进行了车-桥耦合振动分析;讨论了多车道曲线梁桥冲击系数分析的车辆加载工况;分析了车辆横向加载车道、离心力、行车速度和曲率半径对车桥耦合振动响应影响;构造了双主梁曲线梁桥冲击系数估算公式。

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。

钢管混凝土组合桁梁弯剪性能试验研究

钢管混凝土组合桁梁是由钢管混凝土桁架和混凝土板组成,既有桁架结构受力特征,又受板桁组合作用及节点力学性能影响显著,受力机理复杂,破坏模式多样化。为对钢管混凝土组合桁梁承载力进行研究,采用跨中单点加载模式对8榀不同截面形式、剪跨比及板桁连接方式的组合桁梁及桁架进行模型试验,对板桁组合作用、弹塑性阶段内力分布以及节点对整体力学性能的影响进行研究。结果表明:板桁组合作用可显著降低与之相连弦杆的应力水平,改变试件的破坏模式,提高结构承载力和抗弯刚度;将组合桁梁的上弦杆和混凝土板视为组合上弦杆后,其杆件轴力分布与铰接桁架模型吻合较好。依据试件的破坏模式、承载力,考虑板桁组合作用对组合桁梁承载力的影响,完善并验证了组合桁梁承载力简化计算方法,在不同弯剪加载模式下该方法预测的破坏模式均与试验结果相符,受弯及受剪承载力计算结果精度较高。

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。

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。

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。

地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁行车安全性分析

为研究地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的行车安全性,以干海子特大桥为研究对象,建立考虑地震作用的车桥耦合振动方程,并将计算方法添加到基于梁单元的双重非线性有限元程序NL_Beam3D中,实现地震作用下车桥系统相互作用的耦合计算。考虑车辆倾覆指标和桥梁横向变形的影响,进行行车安全性分析。结果表明:有限元计算得到的基频和不同车速下最大动挠度与实桥荷载试验得到的结果接近;与已有振动台试验结果相比,位移时程曲线形状吻合,位移幅值满足相似比关系,验证了计算模型和方法的有效性。柔性高墩轻型桥梁对地震波有滤波效应,地震波传至桥梁时强度明显减弱;最不利的重型货车的倾覆指标阈值大于E1多遇地震时的桥面最大横向加速度,即不存在车辆侧倾现象;墩顶位移满足设计要求,干海子特大桥行车安全性能良好。部分墩顶横向位移在地面峰值加速度达到1. 6倍E1多遇地震动时,将超过《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》给出的限值。桥面最大加速度在地面峰值加速度为2倍E1多遇地震动时,倾覆指标阈值小于桥面最大横向加速度,重型货车存在倾覆可能;对应的桥墩墩顶最大横向位移与墩高比例系数达1/198,大于指南限值1/300,说明该指南对桥墩墩顶位移限值规定相对比较保守。

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。