大跨度公铁合建斜拉桥钢混板-桁组合梁关键节点空间受力特性

针对大跨度公铁合建斜拉桥—主跨808 m洪奇沥特大桥新型钢混板-桁组合梁的关键节点—辅助墩顶钢混节点,采用ANSYS软件建立钢桁-混凝土板组合梁部分节段细化的全桥多尺度有限元模型,分析边跨组合梁节点在受力最不利工况下的受力规律及传力特性,并讨论下弦杆等杆件截面等结构参数变化对节点受力、传力的影响规律。结果表明:最不利组合工况下,边跨组合梁辅助墩顶钢混节点处钢结构最不利Mises应力为265.9 MPa,混凝土局部最大名义拉应力为9.2 MPa,导致局部开裂而受力转移至钢结构;在辅助墩顶局部负弯矩影响下,内外节点板处应力总体呈“倒V”形分布,混凝土顶面及底面分别呈“鞍形”及“倒鞍”形分布;节点处下弦杆(含管内混凝土)、竖杆分别传递77.86%和40.15%荷载,为纵向、竖向主要传力构件;混凝土桥面厚度变化对自身应力影响明显,其厚度和下弦杆截面面积对纵向传力比影响大,竖杆截面面积对自身竖向传力影响相对明显;混凝土厚度及下弦杆、斜腹杆、竖杆截面为节点受力、传力的主要影响因素,其系数在0.8~1.1时,组合梁关键节点各构件应力及传力比均较为合理。

中等跨径钢板组合梁截面布置优化

为了实现钢板组合梁的标准化设计,达到进一步推广应用的目的,以跨径30 m的先简支后桥面连续钢板组合梁桥为研究对象,结合目前中国钢-混组合梁桥的设计规范,以全桥造价及全桥钢材用量为目标函数,以钢板组合梁截面尺寸布置参数和主梁数量为设计变量,并以应力、变形、局部稳定和规范构造要求为约束条件,建立钢板组合梁截面参数的优化模型,并采用遗传算法展开优化分析.优化结果表明:所提算法稳定可靠、效率高,依托工程的结构截面布置有较大的优化空间.当桥宽和车道布置不变时,采用6梁式截面的全桥造价最少,相对原始设计截面可节省约13%的费用;采用4梁式截面的全桥钢材用量最少,为128.65 kg/m^(2),相对原始设计截面可节省约27%的钢材用量.优化结果可为中等跨径钢板组合梁桥的截面设计提供参考.通过经济性分析发现,当主梁间距分别取约2.3、3.2、4.8 m时,跨高比的经济取值分别为20~23、18~21、14~17.

基于Kriging模型与FORM的钢板组合梁桥结构优化设计

考虑材料参数的不确定性以及设计变量多重约束条件的影响,提出了基于可靠性分析的钢板组合梁桥结构优化设计方法。首先,利用拉丁超立方试验设计(Latin hypercube design,LHD)构建试验组合方案,并通过有限元分析获取试验设计组合下的最大挠度响应值。基于获取的训练样本,构建能够表征结构最大挠度值与随机输入之间映射关系的Kriging代理模型。基于建立的代理模型,以钢结构截面积最小化为目标函数,建立符合规范要求与可靠度约束的优化数学模型,并采用一阶可靠性方法(first order reliability method,FORM),实现设计变量优化。通过比较具有相同设计变量上限,但下限分别为初始值的80%和70%两种优化设计方案,评估了两者在相同阈值以及不同阈值下设计变量的优化结果。最后对方案二在阈值为17 mm下的优化结果进行极限状态验算。结果表明:两个优化设计方案在阈值为17 mm下的优化结果更具合理性,并且方案二在同一阈值下具有更高的优化程度。随着阈值增加,优化程度增加,且腹板高度在较大阈值下对结果影响更大,而翼缘宽度在较小阈值下影响更大。

中小跨径简支钢板组合梁桥荷载横向分布研究

为评价经典荷载横向分布计算方法对中小跨径简支钢板组合梁桥的适用性,首先利用实桥荷载试验结果,验证了基于ABAQUS软件的三维有限元模拟方法;然后以计算跨径、主梁数量、主梁间距为研究参数,设计了108个分析模型,分别采用修正的刚性横梁法、刚接梁法、G-M法以及有限元法计算荷载横向分布影响线,进而得到单车道和多车道作用下各主梁的荷载横向分布系数;最后基于线性相关系数、横向分布影响线吻合程度指标及横向分布系数相对误差,进行横向分布线性判断及各理论计算方法的误差分析。结果表明:当钢板组合梁桥宽跨比B/L小于0.34时,各主梁在荷载作用下挠曲呈直线变形,即认为钢板组合梁桥B/L<0.34时为窄桥;利用理论计算方法计算横向分布系数时,单车道布载下,当B/L<0.2,宜采用修正刚性横梁法、刚接梁法、G-M法,当0.2<B/L<0.3,宜采用刚接梁法、G-M法,当0.3<B/L<0.75,宜采用G-M法;多车道布载下,当B/L<0.3,宜采用修正刚性横梁法、刚接梁法、G-M法,当0.3<B/L<0.45,宜采用刚接梁法、G-M法,当0.45<B/L<0.75,宜采用G-M法;提出了修正的刚性横梁法、刚接梁法、G-M法计算精度判定条件,控制理论计算结果与有限元计算结果相对误差在10%以内;研究成果可为中小跨径钢板组合梁桥的荷载横向分布计算方法选取提供依据。

引江济淮淠河总干渠渡槽桥概念设计

引江济淮淠河总干渠渡槽桥是安徽省1号工程引江济淮河道上的一座通水、通航桥梁,桥上水体重量约4万吨,且旱、涝水位变幅极大,属于超量级可变重载。针对该桥竖向刚度和竖向位移、开口断面抗扭能力以及先建后挖的边坡稳定和基础变位等难以控制的问题进行概念设计。该桥采用左右分幅、上桁下拱的结构方案,有效控制了下挠和上拱值,较好地解决了竖向刚度和竖向位移变幅问题;采用上开下合布置形式,梁式U形槽下设置2个拱片+M形横联,有效控制了侧倾和压弯下挠,解决了U形槽的横向变形和扭转问题;采用外桁内波布置,创造性地采用了一种波形板槽壁,通过叶摆式支撑板连接在桁架桥上,解决了水槽与桥体传递力线、水凉钢热的温差效应、水体与桥槽的流固耦合等问题,并采用水工试验等验证了结构的减振作用;采用分阶段的土体开挖施工方案,形成时间差,解决了先建后挖的边坡稳定和基础变位问题;设置分流岛结构、观景平台和监控景观塔,解决了大体量桥体景观设计问题。充水试验结果表明桥梁结构状态良好。

基于可滑移底模工艺的异形底面先张法桥面板预制技术分析

钢板组合梁桥能够在跨河、跨结构物等有障碍物阻挡时,发挥巨大优势。本文提出了一种钢板组合梁先张法预制桥面板装配式施工关键技术,能实现异形底面变截面桥面板的预制工厂化、机械化、流水化作业:利用专用钢筋绑扎胎架、预应力筋定位齿板及整体吊具,解决了狭小空间下钢筋及预应力筋精确定位的难题;通过异形可滑移式先张法底膜和千斤顶可调节放张平台,实现了预应力放张时桥面板与底模位移同步。

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。

丰城紫云大桥组合钢板梁设计

丰城市紫云大桥陆上引桥采用连续组合钢板梁,南岸标准段跨径布置为(34.5+2×36+3×42+2×36+34.5)m。主梁采用双主梁组合钢板梁结构,小横梁体系,梁高2.1 m。钢梁由焊接工字钢纵梁、中间小横梁以及支点横梁等组成,中支点两侧各约0.125 L范围内的钢纵梁纵向板件采用Q420qD钢,其余钢材采用Q345qD钢。桥面板采用全宽预制的预应力混凝土桥面板,湿接缝混凝土采用超高性能混凝土(UHPC),预制桥面板纵向钢筋外伸长度大于10 d,无需现场焊接或绑扎。板梁连接采用新型灌浆剪力键,钢梁与桥面板通过焊钉连接件、槽口、高强砂浆填充料、注浆孔、通气孔以及橡胶条,形成一个完全连接的整体。钢梁采用临时支架分段吊装施工,预制桥面板采用先吊装结合正弯矩区桥面板后负弯矩区桥面板的顺序铺设。对结构进行强度、稳定和变形分析,结果均满足设计要求。

基于抗扭刚度的钢板组合梁桥横向稳定性研究

钢板组合桥梁性能优异,但在偏载作用下有可能发生横向失稳,因此保证其横向稳定性十分重要。文章采用有限元分析研究了考虑抗扭刚度的钢板组合梁桥的横梁间距对内偏及外偏布载下钢板组合梁桥横向稳定性的响。结果表明横梁间距对内偏及外偏作用下纵桥向弯矩无明显影响,外偏布载相较于内偏布载对钢板组合桥梁横向稳定性的影响更显著,因此需严格控制车道外偏荷载的大小。该研究能够为今后钢板组合梁桥的设计提供参考。

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。

钢板结合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应分析

为研究钢板结合梁斜拉桥混凝土桥面板的剪力滞效应,以泸州河东长江大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立主桥空间有限元模型,计算各阶段钢板结合梁混凝土桥面板剪力滞系数,与规范计算结果进行对比,并分析桥面横坡对桥面板剪力滞系数的影响。结果表明:桥塔根部截面施工阶段、通车阶段和运营阶段桥面板剪力滞系数分别约为1.4、1.203和1.46,剪力滞效应明显大于其余截面。现行《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)和《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)对桥塔根部截面剪力滞系数计算偏安全,对跨中截面,前者计算结果与实际受力不符,后者通车阶段、徐变后期及运营阶段的计算结果与有限元计算结果较接近,但施工阶段最大悬臂状态计算结果偏小。桥面横坡每增加1%,桥面板剪力滞系数约增大5%,工程设计中应根据实际建桥条件选择合理的桥面横坡。

在役钢板组合梁桥的时变体系冗余性

为研究多梁式钢板组合梁桥应对非对称极端作用的体系非线性冗余性能,沿着结构的传力路径和体系的再平衡过程,辨识了体系承载的3种弯曲失效模式,推导了体系弹性分配和塑性再分配能力的定量评价新指标,建立了考虑承载机制经时变异性的时变体系冗余性评估方法。基于MATLAB/OpenSEES编制了单元纤维的时变演化参数组管理程序,研究了材料劣化对体系再平衡和内力重分配性能的影响规律;采用数值增量算法,开展了结构在非对称荷载下的弹塑性全过程分析,并通过与构件-体系层次的破坏性试验对比验证了数值模型的准确性,进而建立了基于纤维宏单元的时变体系非线性冗余数值模拟方法。研究结果表明:材料劣化会导致体系从多梁协同承载机制向单梁承载机制转换,并引起构件延性、体系冗余性和可靠性发生不同程度的退化;更适应现场快速装配需求的少主梁或少横联形式容易在服役年限出现构件安全性和体系冗余性不足的情况。主梁、中部横联和端部横联的失效对体系承载性能影响较大,为钢板组合梁桥的关键构件,其他横联的敏感性较低,为非关键构件。

贵州凯峡河特大桥总体设计

贵州凯峡河特大桥为(180+230)m不对称半飘浮体系独塔结合梁斜拉桥,桥梁依次跨越凯峡河河谷和U形溶蚀槽谷。主梁采用双边“上”字形钢主梁与混凝土桥面板组成的结合梁,全宽30 m,桥面板采用C55高性能混凝土。桥塔采用“人”字形结构,塔高117 m。斜拉索采用环氧喷涂钢绞线成品索,按空间双索面扇形布置,单个索面布置18对,全桥共72根斜拉索。索塔锚固采用钢锚梁;索梁锚固采用锚拉板,为适应空间索面斜拉索锚固,锚拉板与钢主梁腹板采用小角度弯折焊接。桥塔采用爬模法施工,钢主梁采用桥面吊机悬拼。分别采用有限元软件MIDAS Civil和MIDAS FEA对斜拉桥进行总体和局部计算,结果表明该桥各项指标均满足规范要求。

带翼缘板嵌入式连接件抗剪性能提升试验研究

为防止波纹钢腹板PC箱梁桥带翼缘板嵌入式连接件翼缘板过早失稳导致失去抗剪能力,在翼缘板宽厚比较大处焊接栓钉。设计制作7组足尺试件进行推出试验,分析栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件在剪力作用下的破坏形态和荷载滑移性能,以及翼缘板宽厚比、腹板嵌入深度、翼缘板栓钉、腹板厚度和接合钢筋直径对抗剪性能的影响,并验证嵌入式连接件极限承载力计算公式适用性。结果表明:栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件试件破坏模式为混凝土劈裂,荷载~滑移曲线分为弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。在翼缘板宽厚比较大处焊接栓钉,阻止了翼缘板失稳,抗剪承载力得到显著提高;翼缘板宽厚比、腹板嵌入深度对栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件的抗剪性能影响较明显,而腹板厚度和接合钢筋直径的影响可以忽略。带翼缘板嵌入式连接件承载力修正计算公式与推出试验结果吻合度较好,可适用于栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件的设计计算。

钢板-混凝土组合梁桥的活载结构效率指数研究

为综合考虑钢板-混凝土组合桥梁的工程经济性和整体刚度,并对其量化评估,引入一种新的评价指标——活载结构效率指数(ILLSI)。该指数结合了桥梁结构的用钢量和活载作用下的挠度。对简支方案和连续方案下的ILLSI计算公式进行了理论推导,并与数值计算结果进行了对比验证。以交通运输部发布的《装配化工字组合梁钢桥通用图》为蓝本,采用ILLSI评价指标分别对双主梁、四主梁、五主梁方案进行评估,提出了ILLSI指数95%的置信区间。结果表明:对于ILLSI指数95%置信区间,在跨径为20~40 m时,双主梁简支方案为77.45~217.38 m·kN^(-1),四主梁简支方案为39.04~120.80 m·kN^(-1),五主梁简支方案为35.27~117.57 m·kN^(-1);在跨径为30~60 m时,双主梁连续方案为101.60~339.93 m·kN^(-1),四主梁连续方案为55.15~174.96 m·kN^(-1),五主梁连续方案为52.94~165.58 m·kN^(-1)。当跨径一定时,双主梁方案的ILLSI指数大于多主梁方案的ILLSI指数,四主梁方案的ILLSI指数略大于五主梁方案的ILLSI指数,但二者相差较小;工字钢-混凝土组合主梁的应力占比随ILLSI指数的增大而减小,且呈幂函数的变化规律;双主梁、四主梁、五主梁简支方案的ILLSI指数95%置信区间所对应的应力占比区间平均值为35%~67%。

常规跨径钢板组合梁桥中欧规范汽车荷载效应对比研究

钢板组合梁可充分发挥钢材和混凝土的材料优势,为给我国桥梁设计人员设计海外钢板组合梁桥提供建议,对《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)及欧洲桥规(Eurocode—Basic of Structural Design、Eurocode 1:Actions on Structures—Part 2:Traffic Loads on Bridges)中常规跨径钢板组合梁汽车荷载效应进行对比。分析了中欧桥梁设计规范中汽车荷载模式、横向多车道折减效应、冲击系数、荷载组合等规定的异同,采用2种规范计算常规跨径钢板组合梁在汽车荷载及基本组合、频遇组合作用下的主梁弯矩。结果表明:欧洲桥规规定4种汽车荷载模式,已考虑冲击系数和横向车道折减,中国桥规规定了车道荷载和车辆荷载2种汽车荷载,计算汽车荷载效应后期需考虑冲击系数和横向车道折减;2种规范极限状态和设计状况规定一致,区别在于作用分项系数和可变作用组合系数取值;多片主梁钢板组合梁的边梁弯矩最大,单独考虑汽车荷载时,欧洲桥规计算的主梁最大弯矩比中国桥规大35%~36%;在考虑荷载组合时,欧洲桥规主梁最大弯矩计算结果在基本组合作用下比中国桥规大21%~22%,在频遇组合作用下比中国桥规大6%~9%。

钢板组合梁桥吊装施工过程风险源分析

吊装施工是钢板组合梁桥施工的主要施工方法之一,其施工过程主要包括钢梁起吊、钢梁拼接架设和桥面板施工等三个阶段。为保证采用吊装施工的钢板组合梁桥在施工过程短暂受力情况下的承载能力、稳定性及结构抗倾覆性满足要求,将围绕不同施工阶段下钢梁的受力特点及其可能承受的荷载作用进行分析,探讨各施工阶段下钢梁施工风险源形式及施工安全分析重点,可为钢板组合梁桥安全施工过程分析及采取预防措施提供指导。

60M钢板组合梁桥钢梁施工稳定性分析

钢板组合连续梁桥因自重轻、截面较薄,在施工过程中受外荷载影响存在整体失稳和局部屈曲风险,影响桥梁施工安全。以交通部钢板组合梁桥60 m跨径进行参数分析,研究其施工阶段整体及局部稳定性。同时,对比分析了不同跨径、高跨比和横梁间距下稳定性变化规律。结果表明:(1)随着节段跨径增大,钢梁稳定系数下降,跨径每增大5 m,稳定性降低40%左右,40 m跨径时处于规范限值临界状态;(2)相同跨径下,钢梁稳定性随着梁高增大而减小,梁高超过3.5 m时,40 m跨径单梁稳定系数低于规范临界限值,结构稳定性较差;(3)横梁间距超过10 m时,缩短横梁间距可以提高结构稳定性,间距小于10 m时改变横梁间距对结构稳定性提升不大。

某立交桥加固改造设计与施工

某立交桥为7跨20 m预应力空心板简支梁桥,运营多年后发现主梁整体性不足,单梁受力状况突出,桥面板出现纵向开裂等病害,同时桥墩盖梁出现弯曲裂缝,侧向挡块破损严重。针对病害情况,确定采用外包钢板加固盖梁、钢-混组合梁替换旧桥部分薄弱梁体、中部三跨由简支到三跨连续的结构体系转换等方法对桥梁进行加固改造。加固改造设计验算结果表明:加固改造完成后的桥梁承载能力能够满足目前的设计需求,具备较高的安全储备。加固改造施工时,采用人工配合风镐拆除旧桥桥面板,吊除梁体;按照设计的加固位置采用外包钢板加固盖梁;钢-混组合梁施工采用先吊装单根钢梁、后吊装横向联系梁的方案;按施工工序进行钢-混结合部和桥面铺装施工。该桥加固改造完成后桥梁运营状况良好。

重庆凤来特大桥总体设计

重庆凤来特大桥主桥为计算跨径580 m的上承式钢桁拱桥。该桥设计过程中,选取主跨710 m单跨悬索桥、主跨600 m斜拉桥和计算跨径580 m的上承式钢桁拱桥3个方案,从结构特点、施工技术和经济性3个方面进行分析比选。由于计算跨径580 m的上承式钢桁拱桥方案具有结构简洁、整体刚度大、对V形河谷地形适应性好、上部结构施工难度低和造价最低的优势,因此最终采用该桥型方案。主拱拱轴线采用悬链线,计算矢高116 m,计算矢跨比1/5,拱轴系数2.0,拱肋采用双片主桁,上、下游两榀主桁平行布置,横向中心间距20.2 m;主桁上、下弦杆采用箱形截面,截面内宽1.8 m,内高1.8 m。结合原位试验和基坑有限元计算结果,拱座采用重力式拱座,扩大基础,自然山体两侧基坑边坡开挖后,采用预应力锚索和喷锚支护。拱上立柱采用等截面钢箱排架结构。拱上主梁采用工字形钢板梁+预应力混凝土桥面板的组合梁。通过结构计算,拱肋、平联和斜撑等各钢结构杆件强度和整体刚度、稳定性均满足要求。采用斜拉扣挂、缆索吊装方案进行主拱节段、立柱单元以及主梁构件安装。