铁路钢-混凝土结合梁桥技术发展研究

钢—混凝土结合梁桥具有刚度大、噪声小、建筑高度低等优点。随着客运专线、高速铁路大规模的建设,我国对钢—混凝土结合梁桥进行了试验研究,主要形式有钢板梁—混凝土结合梁桥、上承式钢桁梁—混凝土结合梁桥、下承式钢桁梁—混凝土结合梁桥、下承式系杆拱结合梁桥。通过对钢—混凝土组合技术的应用和研究,结合我国铁路桥梁工程建设,以及高速铁路、客运专线建设和既有线路提速改造,分析了不同跨度、不同结构体系的下承式钢桁梁—混凝土结合梁桥的主要结构形式,并对其受力状态及相关的设计计算理论和方法进行研究,提出进一步发展铁路钢—混凝土结合梁桥需要解决的关键技术。

铁路混合梁钢-混结合段受力及理论计算

为研究铁路混合梁钢-混结合段结构的受力及其理论计算公式,在既有公路桥梁钢-混结合段计算公式的基础上,提出铁路混合梁钢-混结合段截面应力、顶底板剪力连接件、承压板传力验算公式;并以主跨335 m汉巴南铁路嘉陵江特大桥为研究背景,采用有限元分析的方法探究结合段受力特性及应力纵、横向分布规律,进而开展结合段受力理论与数值计算对比分析。数值计算结果表明,结合段混凝土均处于受压状态,不同截面位置处结合段钢、混应力横向分布均存在一定的不均匀性。公式验算结果表明:结合段混凝土应力均受压,满足截面应力验算要求;剪力连接件的抗力系数介于1.30~4.49,结合段剪力连接件具有良好的安全储备;承压板抗力系数介于3.18~10.08,表明前后承压板抗力远大于计算传力荷载,并具有优化的空间。理论公式计算的结合段顶底板混凝土应力、剪力钉应力与有限元计算结果总体相近,在修正后可用于钢-混结合段的防开裂/脱离、抗剪受力计算。

钢-混凝土组合箱梁桥空间网格计算模型研究

本文分析了钢-混凝土组合箱梁桥基本计算方法,指出了设计计算中应用单梁模型、梁格模型与实体模型的缺陷,详细介绍了空间网格模型的基本原理,将空间网格模型引入钢-混凝土组合箱梁计算中。为探究空间网格计算模型在钢-混凝土组合箱梁桥中的计算效率和可靠性,以一主跨480 m双塔五跨钢-混凝土组合箱梁桥为例,将主梁按照空间网格模型划分,分析成桥阶段恒载、活载以及设计标准荷载组合作用下主梁边、中跨关键截面的应力。结果表明:空间网格模型可以准确分析组合箱梁截面整体空间效应,无须单独建立局部模型就能考虑到混凝土顶板的剪力滞效应和活载局部效应,计算得出的应力结果直接用于配筋计算,为钢-混凝土组合箱梁桥分析提供新的思路和方向。

三跨连续钢-混凝土组合箱梁桥力学特性分析

钢-混凝土组合结构桥具有自重轻、刚度大、延性高以及较好的结构整体性和稳定性等优点,已经广泛地应用于我国的桥梁工程中,但对于成桥后桥梁力学特性的研究较少。因此,依托福州前横路升级改造项目三跨连续钢-混凝土组合箱梁桥梁工程,通过荷载试验收集分析应变、挠度和桥梁模态数据。结果表明:荷载作用下各测点应变和挠度均小于理论值,沿横向分布与理论值趋势基本相同,实测腹板中性轴与理论中性轴基本一致,表明桥梁刚度较高、整体性较好;偏载作用下横向增大系数在1.107~1.254之间,桥梁抗扭刚度较大,不易发生倾覆;桥梁在环境激振作用下第1阶模态自振频率为3.430 Hz,大于理论值2.590 Hz,与理论模型相比具有更高的刚度。

铁路刚构-连续组合体系梁桥钢-混结合段静力试验研究

为研究大跨度铁路刚构-连续组合体系梁桥钢-混结合段的力学性能,以新建杭温铁路永嘉右行线跨甬台温特大桥主桥为背景,基于原桥节段有限元模型研究钢-混结合段的应力分布及传力特性,并基于缩尺模型试验对钢-混结合段承载能力、变形性能等进行分析。结果表明:刚构-连续组合体系梁桥钢-混结合段传力较为顺畅,钢-混结合段钢结构、混凝土结构纵向应力横向分布不均匀系数分别为0.72~1.42、0.63~1.31,钢-混结合段内纵向应力横向分布不均匀现象较过渡段更为显著;后承压板在传力过程中起着重要作用,结合段通过后承压板、剪力钉及PBL连接件分别可传递约56.4%、27.4%、16.2%的轴力,钢-混结合段中1.5 m钢格室段及2.5 m伸长段中钢结构分别将28.3%、15.3%的轴力传递给混凝土;结合段在1.8 P(P为设计荷载)作用下仍处于弹性工作状态,具有足够的承载能力,钢、混凝土强度安全系数分别不小于2.7、2.4;钢-混结合段挠度与三次多项式相符较好,变形较为平顺。

波形钢腹板工字钢-混凝土结合板梁桥设计参数分析

为明确波形钢腹板工字钢-混凝土结合板梁桥关键设计参数的合理取值范围,以3×30 m波形钢腹板结合梁桥通用图为研究对象,建立波形钢腹板工字钢-混凝土结合板梁有限元模型进行参数敏感性分析。研究翼缘板宽厚比、波形钢腹板高厚比、横隔板间距及钢梁高跨比等对结构受力性能的影响,并给出关键设计参数合理取值建议。结果表明:波形钢腹板工字钢梁跨中处受压上翼缘板宽厚比小于23、支点处下翼缘板宽厚比小于19时可满足结构稳定性要求;跨中处波形钢腹板高厚比不宜大于265,支点处腹板厚度由抗剪需求控制;波形钢腹板横向刚度大于平钢板,横隔板间距可放宽至支点处翼缘板宽度的35倍;波形钢腹板工字钢结合板梁桥的钢梁高跨比可取1/28~1/18,经济合理高跨比约为1/25。

高速铁路钢-混凝土混合连续梁桥设计关键技术

阜淮高铁跨涡河采用(82+180+82)m钢-混凝土混合连续梁桥,通过对混合连续梁整体分析,选择合理的结构形式及边中跨比;通过对跨中钢梁长度的比选,选择合理的钢-混结合段位置;建立空间有限元模型,分析钢-混结合段的局部应力;对结构自振特性和车桥耦合动力响应进行分析。研究结果表明,钢混连续梁具有较大的结构刚度,对无砟轨道适应性好;通过合理选择结合段位置,使结合段和主梁受力更加合理,钢混结合段通过合理的结构过渡构件,使内力可以得到良好的传递。

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。

丹江口水库特大桥多格室钢-混结合段设计

丹江口水库特大桥为主跨760 m的双塔双索面部分地锚式混合梁斜拉桥,主跨主梁采用分离式双钢箱+正交异性钢-UHPC组合桥面结构轻型组合梁,边跨主梁采用PC边主梁。组合梁与PC梁连接过渡段总长6.0 m,其中钢梁段长1.0 m,钢梁加强段长3.0 m,钢-混结合段长2.0 m。为解决钢-混结合段边箱部分截面刚度过渡剧烈、应力集中明显、格室内填充混凝土施工困难等问题,利用外腹板和风嘴箱室构造边箱多格室断面,形成“钢格室+后承压板”的结构,提高钢-混结合段边箱部分截面刚度过渡均匀性;格室内钢-混连接区域采用开孔板剪力键和剪力钉,提高结合段的抗剪强度及延性,增强整体连接的可靠性;格室内填充料采用活性粉末混凝土,并综合考虑结构性能需求和技术指标进行配合比优化,改善结合段的耐久性和施工可靠性。结构受力分析结果表明,各构件受力均满足设计要求。

连续钢-混凝土结合梁桥负弯矩区处理方法研究

北京地铁5号线立水桥-立水桥北站段第2联结合梁桥首次综合施加强迫位移、预加静荷载和张拉高强钢筋三种方法对负弯矩区混凝土施加预压应力,施工工序复杂.为判别该施工方法能否有效控制裂缝开展,保证施工质量及安全,分别采用ANSYS数值模拟和施工监测手段对其各施工阶段的应力和变形进行了研究.结果表明,采用现有通用有限元软件可很好地对实际施工过程进行仿真分析,施加强迫位移、预加静荷载和张拉高强钢筋三种方法综合使用可有效为负弯矩区施加预应力,其中预加静荷载法最有效,但对钢梁内力及变形影响较大.

剪力钉刚度对曲线钢-混凝土箱形结合梁桥结构性能的影响

采用有限元软件ANSYS对剪力钉推出试验进行了仿真分析,得出了与真实试验结果非常接近的荷载-滑移曲线,因而可用于实桥分析;在SAP2000软件中用弹簧单元模拟剪力钉,其刚度采用仿真推出试验所得值,对一实桥结构进行三维空间建模分析,得出在一些荷载作用下的结构响应,以比较考虑混凝土与钢箱界面滑移与否对曲线钢-混凝土箱形结合梁桥部分结构性能的影响。结果表明:剪力钉刚度变化对于桥面板纵向应力影响较大,但对钢箱底板纵向应力、挠度及桥梁横向位移影响较小;曲线钢-混凝土结合梁桥剪力钉内力分布非常复杂,远非能用解析式或简化方法得出;必须采用有限元分析法或其他严密的方法对曲线钢-混凝土结合梁桥进行研究。

铁路刚构-连续混合梁桥钢-混结合段合理构造参数研究

以主跨216 m杭温铁路永嘉右行线跨甬台温特大桥为背景,研究铁路钢-混结合段的力学性能及传力机理,并讨论该桥钢混结合段的合理构造参数。采用ANSYS软件建立其钢-混结合段局部有限元模型,分析结合段中钢与混凝土内力的分配情况,并对影响其传力分配的构造参数进行探讨。结果表明:结构纵向受力板件处于受压状态,钢梁应力沿结合段逐渐减小;承压板分担轴力比例约为56.2%,随着承压板厚度增加,其分担荷载比例也有提高,承压板厚度在40~60 mm之间时提高较快,承压板厚度大于60 mm后提高不明显;钢梁埋入段长度大于2.5 m后,对传力效果的影响不大;剪力钉刚度的增加会显著提高其承担的顺桥向剪力,并增加剪力沿横桥向分布的不均匀性。

铁路钢-混凝土结合梁动力系数试验研究及参数分析

以抗剪连接度为参数设计了2片钢-混凝土简支结合梁,对车辆模型以不同速度和重量过梁时的动力响应进行了测试;采用ANSYS软件建立了车桥模型,分析了行车速度、结合梁跨度、车桥频率比、车桥质量比、栓钉抗剪连接度等参数对结合梁桥动力系数的影响。结果表明:随车辆速度的增加,结合梁动力系数呈共振和消振交替上升趋势;动力系数随车桥频率比的增大而增大,随结合梁跨度、栓钉抗剪连接度和车桥质量比的增大而减小,车桥质量比越小,动力系数下降速度越快。所有参数中,结合梁跨度和车桥频率比对动力系数的影响最大。

时速400 km高速铁路50 m跨钢-混凝土结合梁设计

莫斯科—喀山高速铁路设计时速400 km,50 m跨钢-混凝土简支结合梁为该线桥梁标准跨设计的重要内容。为做好世界上首例满足时速400 km高铁要求的50 m简支结合梁设计,开展了一系列分析研究。首先分析钢-混凝土结合梁设计的必要性,然后在调研国内外结合梁工程基础上给出了两种钢-混结合梁截面形式并通过有限元建模分析,工程量统计、施工分析以及景观分析等对其比选;随后对推荐方案进行静力计算确定了结合梁的合理截面尺寸并给出钢箱的构造设计;紧接着给出50 m钢-混结合简支梁桥车桥动力分析模型和主要计算结果,证实了该设计满足400 km/h高速列车的安全性和舒适性;最后探讨了50 m结合梁的施工方案。所得结论对类似高铁项目的结合梁设计提供有益参考。

某高速铁路钢-混连续结合梁桥车桥动力响应分析

考虑栓钉连接件的柔性,针对一座3跨钢-混凝土铁路连续结合梁实桥建立有限元模型,对其自振特性进行分析,并与试验结果进行对比。经研究发现:柔性栓钉连接件所引起的滑移对结合梁的动力响应有重要影响。基于上述分析,进行了高速列车荷载作用下结合梁动力响应分析,计算了桥梁和车辆的各种动力指标的最大值:包括冲击系数、桥梁的竖向和横向动位移及动加速度、机车和车辆的脱轨系数、轮重减载率、横向和竖向加速度及横向和竖向平稳性指标(Sperling指标),并与实测结果进行了对比,结果吻合较好。

新型钢-混凝土结合梁的研发及在重载铁路桥梁强化改造中的应用

为满足既有重载铁路提高轴重强化改造需求,研发了新型变高度钢-混凝土结合梁替换既有低高度钢筋混凝土梁。通过有限元计算和依据相关规范进行的检算分析,确定并优化了结合梁设计。根据桥址条件制定了便捷的换梁施工工法,在5 h天窗时间内顺利实施了换梁工程。通过组织30 t轴重KM98试验列车实车试验,验证了结合梁能够满足30 t轴重重载铁路运输要求。本文所采取的方法解决了小跨度钢筋混凝土梁重载适应性不足的问题,提供了一种桥梁改造新模式。

铁路钢-混结合梁下平联布置形式研究

为提高高速铁路钢-混结合梁的抗扭转性能,采用数值模拟对下平联布置形式进行了研究,建立了双工字形、三工字形和双槽形3种截面形式钢-混结合梁的有限元模型,分析了单线列车偏载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺值及两片主梁的位移比,结果表明:(1)双槽形钢-混结合梁抗扭性能较好,不需设置下平联即可满足高速铁路行车要求;(2)工字形钢-混结合梁设置下平联后,抗扭性能得到显著改善;(3)建议200 km/h及以下速度铁路工字型截面钢-混结合梁下平联选择桁式结构的形式,200 km/h以上速度铁路选择混凝土底板的形式。

大跨度钢-混凝土混合连续梁桥设计

以南宁市324国道金陵大桥为背景,研究大跨度钢-混凝土混合连续梁桥设计与施工关键技术。金陵大桥主桥为跨径布置(75+180+75)m的连续梁桥,为国内最大跨度的钢-混凝土混合连续梁桥。结合该桥特点,对桥梁设计与施工关键技术进行研究,供类似工程参考。

钢-混凝土结合梁桥在部分相互作用下的弯曲应力

尽管钢 -混凝土结合梁的剪力连接器需要通过滑移来传递剪力 ,但由于部分相互作用分析技术较复杂 ,多数结合梁桥仍按全相互作用设计。然而 ,在评估现存结合梁桥时 ,因为通常需要发挥结构的最大承载能力和耐久性 ,可能无法确保这种简化方法还能适用。只有使用能真实反映结构行为的部分相互作用理论 ,才能得到结构真正的最大承载能力和耐久性。提出部分相互作用集中点的概念 ,并简化了部分相互作用理论 ,得出一种由标准的和较易得到的全相互作用参数来求解部分相互作用弯曲应力的简便方法。这使工程师们能利用更为精确的方法确定现存结合梁桥的强度和耐久性。另外 ,还用一个算例说明了这种方法的应用。

某钢-混凝土结合梁铁路桥施工事故原因分析

对某钢混凝土结合梁铁路桥施工事故,从设计、施工及其他方面进行了分析,找出了发生工程事故的主要原因。为今后同类工程的设计、施工提供借鉴。