河道斜交桥梁壅水及流场特性分析

圆端桥墩是平原河道内一种常见的桥墩型式,为探究斜交圆端桥墩不同布置方式引起的壅水特性和水流流态变化,建立三维数值模型,采用SIMPLE算法耦合k-ε紊流模型求解N-S方程组,应用VOF法追踪自由液面,分析了单个桥墩壅水特性、绕流流场和升阻力系数随斜交角度变化的规律。研究结果表明:下游墩前壅水高度最大,壅水长度最长,上游墩前冲高值最大;水流绕流经过上游桥墩后偏向下游桥墩侧,桥墩垂直桥轴线布置方式绕流形成的壅水叠加效应更明显;斜交桥梁布置采取圆端桥墩时,桥墩顺水流布置,可有效减小阻水宽度与壅水高度,弱化流场结构变化。

圆端形墩台尾迹水动力特性开缝控制三维数值分析

水流绕流水闸闸墩、导流墩等水工建筑物后产生旋涡分离流,其三维尾迹结构水动力特性复杂,对旋涡分离流进行流动控制,不仅是闸墩优化设计的需要,而且关系到工程运行的效率和工程安全。在验证三维水动力数学模型的基础上,对圆端形墩台开缝后的旋涡分离流和流动控制的三维水动力特性进行了研究,对比了无缝与开缝墩台方案下纵向、横向和竖向方向的时均流速分布,紊流动能以及紊流强度分布等水力学指标,探究了开缝墩台水动力特性。分析表明,墩台开缝后可以明显改善墩台后方的水流结构,开缝位置越靠近水深的中部位置,对墩后尾流旋涡的抑制越大,对绕流墩台绕流的控制越来越好,水深中部位置开缝最大程度的影响了开缝墩后的上部水流和下部水流,使得开缝对时均流速的影响最大,开缝对旋涡的抑制也最大最佳。为抑制墩后的旋涡对工程的不利影响,工程的设计中应首先确定墩台后的水深,开缝位置应尽量设置在墩台后水深的中部位置。

考虑端部形状影响的矩形桥墩局部冲刷试验研究

文章以宽度相同、长度不同的矩形桥墩为研究对象,考虑矩形、圆端形、三角尖形3种典型端部形状,在铺设10 cm等厚定级配沙的矩形长直水槽内进行不同流速下桥墩局部冲刷室内试验,量测不同时刻桥墩周边测点流场、墩周冲刷坑深度等参数,结合基本理论对桥梁基础局部冲刷进行研究。结果表明:圆端形和三角尖形端部桥墩墩前下降水流和墩周马蹄形涡流强度较矩形端部小;在相同条件下,圆端形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小34.9%,而三角尖形端部桥墩最大冲刷坑深度相对于矩形端部桥墩减小66.7%;在保证矩形桥墩长宽比L/B≥2的前提下,当弗劳德数Fr≤0.111时L/B越小,墩周冲刷破坏程度越小,而当0.148≤Fr≤0.185时则相反。根据河道不同流速合理选择墩型,能够更好地预防冲刷破坏。试验结果可为桥墩局部冲刷设计提供参考。

小剪跨比铁路圆端桥墩拟静力试验及易损性分析

为厘清小剪跨比圆端铁路桥墩横桥向的地震损伤机理,以国内某铁路沿线桥梁为参考开展3组缩尺比1∶8的拟静力试验,对滞回曲线的延性、残余位移、滞回耗能和刚度退化4个方面进行分析,以试验结果为参考使用OpenSees建立纤维截面有限元模型并进行耐震时程动力计算,以桥墩的位移延性比为损伤指标,基于试验中观察得到的4个关键节点定义无、轻微、中度、严重和完全损伤5种损伤状态之间的位移延性比临界值,通过易损性分析桥墩的损伤发展历程。研究结果表明:1)配筋率从0.3%提升至0.7%,桥墩的承载能力提高至1.37倍,极限位移提高至1.22倍,最终残余位移提高至1.55倍,耗散能量增加至1.80倍,初始刚度提升至1.08倍,最终刚度提升至1.12倍。提高配筋率可以提升桥梁抗震性能,也能增加桥梁抗震韧性。2)当桥墩配筋率由0.3%提至0.7%时,在多遇地震下,轻微损伤概率从87.2%降为29.8%;在设计地震下,中度损伤的概率从63.5%降为30.0%;在罕遇地震下,严重损伤的概率从61.7%降为16.4%。纵筋配筋率可以大幅降低桥墩的损伤概率,提升桥墩的抗震性能。3)在现行铁路规范允许的延性系数为4.8时,3个桥墩均处于严重损伤的阶段。当发生罕遇地震时,3个桥墩出现完全破坏的概率为6.4%、0和1.4%,小剪跨比圆端铁路桥墩在强震作用下具有一定的抗震安全储备。

圆端形桥墩侧向紊流宽度的试验研究

在水槽中进行概化试验,采用三维声学多普勒测速仪(ADV)测量圆端形桥墩周围三维流场及紊动强度分布.分析有桥墩时的紊流强度垂向分布及有、无桥墩时紊流强度比值的横向分布变化,分析结果表明,垂线上紊流强度最大位置在0~0.2h与0.8h^1.0h两个区间,桥墩对紊流强度的变化影响存在极值,极值大小和出现位置与流速有关,流速越大,极值越大,且极值位置与桥墩的距离也越大.根据极值出现位置离桥墩距离确定紊流宽度,给出了桥墩紊流宽度与弗汝德数的关系.

圆形桥墩紊流范围数值研究

合理布置桥区航道对于船舶在桥区的安全航行非常重要.桥墩的紊流范围是布置桥区航道时要考虑的一个重要指标.文中分析了顺直航道圆形桥墩紊流范围的相关主控因素.通过设置主控因素的序列数据,数值模拟计算并经回归分析,得出了顺直航道圆形桥墩最大紊流范围的经验表达式.研究结果表明,桥墩最大紊流范围与水面流速和桥墩直径密切相关,且流速和桥墩直径越大,桥墩紊流最大范围也越大.

圆端形铁路桥墩变形能力分析方法研究

研究目的:目前,国内外桥梁抗震设计规范普遍采用基于墩底截面弯矩-曲率分析和塑性铰模型的变形能力分析方法来定量计算桥墩在水平地震下的延性能力,为了考察这种分析方法在我国铁路桥墩抗震设计中的适用性,对当前尚缺少研究的圆端形铁路桥墩的变形能力进行理论分析和试验验证。研究结论:(1)圆端形桥墩试件变形能力的理论计算结果与试验结果非常吻合,基于墩底截面弯矩-曲率分析和塑性铰模型的变形能力分析方法适用于圆端形铁路桥墩的抗震设计;(2)圆端形铁路桥墩的等效塑性铰长度经验公式和塑性铰区最大容许转角的延性安全系数的取值可以与我国JTG/T B02—01细则和CJJ166规范的规定相一致;(3)本文给出的圆端形桥墩变形能力分析方法为我国铁路桥梁圆端形桥墩的延性抗震设计提供了方法和依据。

高速铁路桥梁圆端形墩地震反应数值分析

以高速铁路简支桥梁圆端型实体墩为工程背景,建立了2种有限元模型计算桥墩的弹塑性地震反应,一种是包括桥墩的杆系单元全桥体系模型,可以考虑列车荷载的影响;另一种是单墩实体模型,用以分析桥墩的地震响应;基于2种有限元模型和弯矩-曲率关系程序,分别计算了不同车速、墩高、地震作用组合和有车/无车等工况下桥墩的弹塑性地震响应.计算结果表明,随着地震强度的增加,桥墩的地震响应呈上升趋势,车速、墩高的增加对桥墩地震响应的影响不呈线性增长关系,地震频谱特性对桥墩地震反应影响较大;罕遇地震作用下墩底进入弹塑性状态,给出了适合低配筋率桥墩塑性铰区箍筋加密长度简化计算公式.

圆端型墩高速铁路桥梁的弹塑性地震反应分析

为适应高速铁路的快速发展,有必要深入分析地震作用下的桥梁动力响应.文中基于有限元软件建立了圆端型墩高速铁路多跨简支梁桥体系的全桥模型,分析了结构的自振特性,分别输入不同车速、强震记录、墩高、地震强度以及不同方向地震作用组合等工况,计算了车桥系统的弹性地震响应;并通过赋予非线性梁单元弯矩?曲率关系,计算了有车/无车工况下圆端型桥墩的弹塑性地震反应.计算结果表明,设计地震作用下桥梁结构处于弹性状态,随着车速、墩高的增加,桥梁的地震响应呈上升趋势;罕遇地震作用下墩底进入弹塑性状态,列车荷载对桥墩地震响应影响较小,墩底形成塑性铰,需采取措施以保证墩底塑性铰区的安全.

高速铁路圆端形实体桥墩抗震性能试验研究

圆端形实体桥墩在高速铁路中广泛使用,有纵横方向长度比大,纵筋率较小等特点,目前该类桥墩已有的试验缺乏系统性和完善性,其抗震性能研究还不够充分。以当前高速铁路中常见的圆端形截面桥墩为原型,根据模型相似理论,改变影响抗震性能主要因素的设计变量,按正交试验设计方法,设计9根桥墩缩尺模型。在考虑恒定轴向力的作用下,进行低周反复荷载试验,得到不同桥墩模型的破坏特性、滞回曲线,依此分析各因素水平下桥墩的延性、耗能性能、刚度与强度退化规律。通过试验回归分析,比较分析剪跨比、轴压比、纵筋率与体积配箍率等4个因素对延性性能的影响程度。试验结果表明,纵筋率较低的圆端形实体桥墩的滞回曲线呈显著的捏缩状,轴压比和纵筋率的提高都将使桥墩的延性减小,而剪跨比与体积配箍率对延性影响较小。当纵筋率较低时桥墩的耗能性能较差,而提高纵筋率能够显著提高桥墩的耗能性能。

纵向地震下高速铁路桥梁圆端型实体墩塑性铰长度研究

以纵向地震下高速铁路桥梁圆端型实体墩为工程背景,将桥墩置于全桥体系中,利用弯矩曲率关系程序和有限元软件对桥梁进行弹塑性分析计算,得出不同墩高、不同车速以及不同地震作用组合工况下的高速铁路桥墩塑性铰长度,并与既有试验结果以及各国桥梁抗震设计规范塑性铰长度计算公式相对比。计算结果表明:在设计纵向配筋率、体积含箍率、剪跨比、轴压比下的塑性铰长度经过修正可以满足要求,提出了适合铁路桥梁圆端型墩的塑性铰长度建议计算公式,为高铁桥梁设计提供参考。

高速铁路HRBF500钢筋混凝土圆端形桥墩抗震性能试验研究

为了研究纵筋采用500 MPa级细晶粒钢筋的高速铁路圆端形桥墩的抗震性能,对4个配置HRBF500钢筋和1个配置HRB335钢筋的圆端形桥墩试件进行了拟静力试验.试验参数主要包括纵筋强度、轴压比、配筋率和箍筋加密区的拉筋数量.试验结果表明:配置HRBF500钢筋的圆端形桥墩抗震性能变化规律与配置HRB335钢筋的圆端形桥墩基本相同;配置HRBF500钢筋可以显著减少桥墩纵向钢筋的用量,提高桥墩的承载力并具有良好的抗震延性;增加轴压比或提高配筋率均可提高桥墩的承载力,但同时也会减小其变形能力;在墩底箍筋加密区增加拉筋的数量可明显提高桥墩的延性.研究表明,配置HRBF500钢筋的圆端形桥墩具有良好的抗震性能,可在高速铁路工程中安全应用.

环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷试验及水力特性

由于传统桥墩冲刷防护措施的局限性,引入新型防冲装置-环翼式防冲板,对圆端形桥墩冲刷进行防护,通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构,主动降低了下降水流对桥墩的冲刷。为探究环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷的防护作用,采用3种比例圆端形桥墩、3种环翼式防冲板安装位置进行物理模型试验,对圆端形桥墩周围的冲坑特征、垂向流速、垂向紊动强度、紊动切应力等水力要素进行研究。结果表明:安装环翼式防冲板后,3种圆端形桥墩冲刷程度均减小,中圆端形桥墩冲刷减小幅度最大,冲坑体积减小率为30.0%;中圆端形桥墩安装环翼式防冲板后,墩前垂向流速减小为0.039m/s、垂向紊动强度减小为0.025m/s;防冲板上垂面紊动切应力增大,板下垂面紊动切应力减小。试验结果表明环翼式防冲板能够减小桥墩的局部冲刷,具有很高的实用价值。

钢筋混凝土空心圆端墩柱截面弯曲承载力和延性的分析研究

针对空心圆端截面的形状和特征 ,提出了在箍筋约束作用下核心混凝土约束应力的分布和两个主轴方向极限状态控制点位置的确定准则 ;考虑了约束混凝土的应力 应变关系 ,通过分条方法对空心圆端截面的弯曲承载力和延性进行了分析研究 ;分析了轴压比、配箍率。

铁路圆端空心墩等效塑性铰长度试验研究

等效塑性铰长度通常用于估算桥墩顶部的位移能力,是空心墩抗震性能分析的重要指标之一。鉴于目前塑性铰长度公式大多源于实心构件的试验和理论成果,铁路圆端空心墩的塑性铰特性、现有计算模型的适用性等亟待深入研究。因此,对4个1/6缩尺的圆端空心墩模型进行拟静力加载,观测试件损伤演化历程,分析桥墩塑性铰和曲率分布特性,并比较既有塑性铰长度公式计算值与实测值。结果表明:最终墩身裂缝分布范围约占桥墩高度的2/3,塑性损伤主要集中在墩底空心墩倒角附近区域;由于墩底实心段、倒角过渡段和墩身变截面的影响,墩底塑性铰区相对延长并整体上移;Eurocode8模型计算结果与试验值最为接近,可用于估算铁路圆端空心墩等效塑性铰长度。

双向偏心受压下圆端形重力式桥墩台极限承载力的计算

在承载力极限状态计算中,需要解决双向偏心受压下铁路桥涵重力式桥墩台的承载力计算问题。在该极 限状态下,不考虑截面受拉区材料参与工作,按受压区为矩形应力图形的假定进行承载力计算。这种计算假定 对双向斜偏心受压情况下的圆端形截面的承载力计算是相当复杂的。为了简化计算,引入了一个类似于在容许 应力法计算中应力重分布系数的承载力折减系数,文中给出了利用图解法求解该承载力折减系数的原则和步 骤。通过多元回归分析,给出了一组简单、实用且能满足工程精度要求的圆端形重力式桥墩台极限承载力折减 系数实用计算公式,该组公式适用于目前铁路桥涵重力式墩台常用的设计范围。

破碎波作用下圆端形桥墩受力特性数值模拟

当波浪由外海向跨海桥梁所在的近岸海域传播时,随着水深急剧变浅,波浪会发生破碎。强非线性的破碎波会给桥墩结构带来极大冲击作用。基于计算流体力学(CFD)数值软件Flow-3D建立三维数值水槽,造波边界设为斯托克斯五阶波。通过在数值水槽中建立逐渐浅化的三维地形,采用k-ω湍流模型求解雷诺平均N-S(RANS)方程,模拟破碎波冲击桥墩。与前人水槽试验及数值模拟结果进行比对,验证数值水槽的有效性。采用验证过的数值水槽,研究了不同入射波高和周期下的破碎波浪特性,计算了不同长宽比圆端形桥墩在不同入射波高的破碎波作用下受力和流场变化,讨论了最大压强作用点、准静态力和冲击力随桥墩长宽比的变化规律。研究表明:与前人试验和数值模拟相比,所建立的数值水槽具有较高精度;圆端形桥墩破波力随桥墩长宽比增大,先增大后趋于稳定,破波力峰值随着入射波高的增大而增大,同时,圆端形桥墩破波力峰值主要由冲击力控制。进行跨海桥梁圆端形桥墩设计时,应重点关注桥墩长宽比和破碎波冲击力的影响。

铁路圆端空心墩抗震延性的拟静力试验研究

为研究高烈度地区铁路圆端空心墩的延性抗震性能,对5个1:6缩尺模型进行了低周往复加载试验,分析了圆端空心墩损伤行为和塑性铰演化机理,探讨了不同设计参数桥墩的滞回性能、位移延性、强度/刚度及等效阻尼比等。结合损伤状态,基于位移延性对圆端空心墩抗震性能目标进行量化,并通过回归分析建立了强度/刚度退化与圆端空心墩性能目标的联系。鉴于已有模型不能很好估算圆端空心墩等效阻尼比,给出了基于试验数据的等效阻尼比公式。试验及分析结果表明:桥墩由于墩底倒角处混凝土压溃剥落、钢筋屈曲或拉断而发生弯曲破坏,墩身弯曲裂缝范围约占墩高的0.61~0.75;墩底实心段、倒角过渡段和墩身变截面的共同影响使得塑性铰区延长并整体上移;随着配箍率增加,桥墩延性有较大提升;在一定范围内增大轴压比可以提高桥墩抗弯能力,但过大的轴压会使墩底混凝土提前压溃而降低延性性能;在现行铁路规范允许位移延性比4.8下桥墩处于中等损伤状态,表明按规范设计的桥墩具有较好的抗震安全性。

同一收缩比下的三角分流墩体型优化研究

为了找出消能高效且结构合理的挑流鼻坎三角分流墩结构型式,在广西河池市的拉纳水利枢纽水工模型试验中,通过从消能效率、河床冲刷程度、水流流态等方面,研究了同一收缩比条件下的三角分流墩的体型对消能效果的影响,并利用有限元方法对上游顶角进行加圆处理后的三角分流墩进行了应力分析。研究结果表明,同一收缩比下的三角分流墩,分水比越大,分流墩的上游顶角越小;分流墩的消能率越大,且水流在下游河床冲刷深度会越小,因此对下游河床冲刷的影响也会越小;并对分流墩上游顶角进行143°加圆处理后分流墩应力分布对结构安全最有利。即在同一收缩比下的三角分流墩当上游顶角小且沿断面分布均匀时,其消能效果最好,这一结论可以为分流墩在实际工程中的应用作出理论依据。

带加劲肋的圆端形夹层板桥墩防撞套箱受力分析

带圆端头的桥墩是常见的桥墩形式之一,为探讨该种圆端形桥墩在采用夹层板防撞套箱时内部设置不同形式和数量加劲肋对防撞性能的影响,采用数值计算法,通过静力等效的荷载作用方式,对分别设置不同数量的水平加劲肋和竖向加劲肋的夹层板防撞箱内、外层钢板在最不利正撞时的应力和变形进行了对比分析。结果表明:设置水平加劲肋和竖向加劲肋均能有效减小防撞箱撞击点处夹层板的应力,但对内、外层钢板的应力减小程度不相同,对同一位置不同方向的应力减小程度也不相同;设置竖向加劲肋能有效减小防撞套箱撞击点处夹层板外层钢板的竖向和横向(水平向)应力,但对内层钢板只有效减小竖向应力;水平加劲肋只有效减小防撞套箱撞击点处夹层板外层钢板的竖向应力和内层钢板的横向应力,其他应力不明显;竖向加劲肋对撞击点处夹层板外层钢板的两个方向应力减少程度大于水平加劲肋的减少程度,而对内层钢板而言,水平加劲肋对撞击点处横向应力的减少程度大于竖向应力的减少程度;设置过多数量的水平加劲肋或竖向加劲肋对改善防撞箱受力和变形不明显,反而增加自重及成本,但由于现实中碰撞点是随机的,必须设置一定密度的加劲肋,特别是竖向加劲肋,而水平加劲肋不宜多设。