高速铁路无砟轨道斜拉桥刚度理论分析与设计参数研究

为研究高速铁路无砟轨道斜拉桥的刚度特征以及合理结构设计参数,采用理论公式推导、数值分析等手段,得到结构设计参数刚度影响解析公式及其影响规律,用于指导桥梁设计。首先引入索梁活载刚度比的概念,通过建立斜拉桥主梁多点支承连续梁的三弯矩方程得到主梁刚度,通过考虑主塔变形和拉索伸长量得到斜拉索等效刚度,进而给出斜拉桥整体刚度、索梁活载刚度比和主梁跨中挠度的理论公式,并基于理论公式得出主梁惯性矩、斜拉索倾角、塔高以及拉索面积对斜拉桥整体刚度的影响。以广湛铁路东平水道特大桥主桥(67.5+60+60+350+60+60+67.5)m钢箱混合组合梁无砟轨道斜拉桥为例,通过对比跨中活载位移理论解与数值解验证本文理论公式的准确性,进而采用理论公式分析结构设计参数对桥梁刚度的影响。研究结果表明:随拉索倾角增大或者塔高增加,主梁的跨中位移先减小后增大,索梁活载刚度比先增大再减小,拉索倾角为29.2°~73.9°时主梁跨中位移达到最小值36.4 cm,此时索梁活载刚度比为15.4。随着主梁的梁高增加,主梁跨中位移减小,索梁活载刚度比减小,但是减小幅度较为缓慢。拉索面积增大,主梁跨中活载位移减小,索梁活载刚度比增加。提出了桥梁合理梁高、塔高和斜拉索规格及拉索面积。桥梁结构静动力检算、桥上轨道静态高低不平顺验算以及无砟轨道受力与层间压缩量等检算结果均表明,该桥具有良好的安全性和行车平稳性。

尼龙织物夹层橡胶支座竖向力学性能研究

为了提高村镇建筑的减隔震水平,设计制作了一种低成本、低刚度、高阻尼比的尼龙织物夹层橡胶支座,对其原材料进行了力学性能试验,并对这种新型支座开展了竖向循环压缩试验。试验结果表明,橡胶的断裂伸长率在600%左右,在橡胶中加入尼龙织物可大幅增加橡胶的初始拉伸刚度;尼龙织物夹层橡胶支座的竖向刚度相对于叠层钢板橡胶支座明显较小,其竖向刚度与压应力呈正相关,等效阻尼比与压应力呈负相关,且等效阻尼比均在6%以上,具有较强的耗能能力;竖向刚度与支座中尼龙织物层数和橡胶层总厚度均呈负相关,但两者对等效阻尼比的影响不大,且采用尼龙织物1680D的支座具有更出色的力学性能。最后,在传统橡胶支座刚度计算公式中引入修正系数对其进行了修正,并基于试验结果验证了预测值的准确性。

影响四塔三跨悬索桥结构刚度的因素分析

为研究结构设计参数对四塔三跨悬索桥结构刚度的影响,以边塔高度、主缆垂跨比、桥塔刚度为变量,研究了不同参数下结构的刚度特性。研究表明:增大边塔高度对结构刚度和整体受力影响不大。索塔高度不同时,竖向基频、一阶对称扭转基频及反对称扭转基频基本一致,结构跨中挠度也基本相同且有增大趋势。主缆垂跨比是悬索桥设计中的一项重要指标,减小垂跨比可以增加全桥的刚度。可变荷载作用下,主缆截面面积对主梁竖向挠度有较大影响。

张弦梁采光顶结构设计关键技术分析

张弦梁结构是一种预应力结构体系,优点众多,在大跨空间结构建筑体系中应用广泛。结合工程案例,以张弦梁结构在采光顶中的应用为研究对象。分析预张力的确定、垂跨比对力学性能的影响、撑杆数量及间距的设置、上弦杆截面刚度的影响和支座节点等。通过分析结果得出优选建议,为张弦梁结构形式的采光顶结构设计提供技术参考。

桥梁高阻尼隔震橡胶支座性能试验研究

高阻尼隔震橡胶支座是一种具有耗能性能的新型隔震支座,已经开始应用于桥梁减隔震控制中。为了研究这种新型隔震支座的滞回性能,选取用于某高速公路桥梁的高阻尼隔震支座进行竖向压缩和水平剪切加载试验研究,研究其竖向压应力、水平极限剪切应变、加载频率及加载次数对滞回性能的影响。研究结果表明:高阻尼隔震橡胶支座的滞回曲线较为饱满,耗能效果较好,且多次循环加载后其耗能能力未出现降低的趋势;加载频率对于支座的等效刚度和等效阻尼有一定的影响。

碟形弹簧竖向隔震装置的恢复力模型及其试验验证

为研究碟形弹簧竖向隔震装置(DSI装置)的恢复力模型,对DSI装置的受力机理及变形特征进行深入分析;在此基础上,建立DSI装置的原点指向恢复力模型(OO恢复力模型).此外,对典型DSI装置进行往复荷载作用下的力学性能试验,分析其荷载-位移滞回曲线特征,并利用试验结果对OO恢复力模型的有效性进行验证.研究表明:OO恢复力模型具有典型的非对称性特征,摩擦力对其恢复力特性影响较大;往复荷载试验工况下,DSI装置的荷载-位移滞回曲线具有典型的非对称性特征,加载频率对其力学特性影响较小,动荷载幅值和加载预压位移的大小对其力学特性影响较大.随着动荷载幅值的增加,DSI装置的荷载-位移滞回曲线饱满度逐渐减小,因加、卸载刚度不同呈明显不对称性形状;随着加载预压位移的增大,DSI装置的荷载-位移滞回曲线趋于饱满,其耗能能力逐渐增强.OO恢复力模型能够有效模拟DSI装置的力学行为,利用OO恢复力模型计算的DSI装置的等效刚度及等效阻尼与试验结果的误差在8%之内.

高阻尼隔震橡胶支座力学性能试验研究

高阻尼隔震橡胶支座是一种具有良好耗能能力的新型隔震支座。针对高阻尼隔震橡胶支座进行了竖向压缩性能试验、水平剪切性能试验、水平剪切相关性试验和极限剪切性能试验,并将试验结果与按规范计算结果进行了对比分析,考察了支座截面形状对滞回性能的影响。结果表明:高阻尼隔震橡胶支座的滞回曲线饱满,剪应变和压应力的变化对支座水平等效刚度和等效阻尼比的影响较大,加载次数对支座隔震性能影响较小。

碟形弹簧竖向减震装置的性能试验研究

基础隔震技术是目前应用最广泛的结构控制方法,但是,目前这种技术只是最大限度地减少或隔离水平地震作用,而对竖向地震作用几乎没有影响。为改善隔震技术在隔离竖向地震中的限制,研制了一种由碟形弹簧和粘弹性阻尼器组合而成的碟形弹簧竖向减震装置,并对其进行了在静载和动载作用下的力学性能试验研究,给出了该装置在竖向静力和动力作用下的等效刚度和阻尼比,建立了恢复力模型,试验研究表明,碟形弹簧竖向减震装置能有效的解决竖向大承载力和竖向阻尼的难题,力学性能优良且稳定,加工制作容易,是一种比较理想的竖向减震装置。

隔震层竖向刚度对高层基础隔震结构的影响

高层隔震建筑的隔震层在罕遇地震作用下会产生拉应力。本文通过对一栋20层的高层隔震结构,分别采用等拉压刚度模型和不等拉压刚度模型进行动力非线性时程分析,研究叠层橡胶隔震支座竖向刚度模型对高层基础隔震结构动力响应的影响。研究表明,超出线弹性工作范围后,竖向等拉压刚度模型将会低估隔震层的竖向位移量,低估上部结构的动力响应。

复杂体型高层建筑结构稳定性验算

高烈度区结构刚度一般由水平荷载控制,而在低烈度区则往往由整体稳定决定。结构侧向刚度和重力荷载是影响结构整体稳定和P-Δ效应的主要因素,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)采用刚重比作为控制指标。基于结构楼层荷载沿竖向均匀分布,规范给出了刚重比的限值指标。对于体型复杂的高层建筑,不同建筑之间质量沿高度分布差异很大,采用同样的控制参数,结构实际稳定性无法保证。根据实际体型和水平荷载分布情况,引入楼层竖向荷载分布系数β,通过控制结构在风荷载和地震作用下的P-Δ效应,计算了结构合理刚重比,对规范指标进行了修正;同时根据实际荷载分布提出了任意水平荷载分布下的等效侧向刚度的计算公式。

基础隔震结构高宽比限值研究

根据结构变形特点,提出基于Timoshenko理论的基础隔震分布参数体系模型,推导隔震结构高宽比限值计算公式,分析各参数对隔震结构高宽比限值的影响规律。分析表明,隔震结构和非隔震结构基本周期比值在一定范围内变化时,剪力系数、弯矩系数与周期比呈稳定曲线关系;高宽比限值随结构宽度方向布置支座个数增加而降低;在隔震支座总面积确定时,选择大直径隔震支座大间距布置方式可提高隔震层变形能力及高宽比限值;高宽比限值受竖向地震作用影响较小,随竖向地震系数增大高宽比限值略有降低;降低隔震层刚度、增大隔震层阻尼可提高结构高宽比限值;容许支座出现拉应力可在一定程度上提高结构高宽比限值。最后结合20层框剪结构工程算例,验证隔震结构高宽比限值公式的有效性。

考虑初始位移的串联隔震体系竖向承载力有限元分析

在实际工程中,叠层橡胶支座由于某些原因会产生初始变形,这对结构的安全性产生影响。该文以方形叠层橡胶支座和钢筋混凝土(RC)柱组成的串联隔震体系为研究对象,用有限元软件MARC对有初始位移的串联隔震体系进行偏压的分析。对比4种模型3种工况下水平变形和竖向变形,根据变形特点给出4种模型3种工况的竖向极限承载力,分析叠层橡胶支座与RC柱的线刚度比和初始位移对串联隔震体系竖向承载力的影响。

基于连续介质力学模型的部分埋入单桩的纵向振动研究

采用连续介质力学模型,考虑桩-土之间的连续条件和边界条件,得到了土体的纵向振动位移,建立了埋入和外露部分桩基的纵向振动微分方程.考虑埋入和外露部分桩基的连续条件和边界条件,求解了部分埋入单桩的纵向振动,并以数值算例的形式讨论了桩基埋入深度和桩土模量比对桩顶复刚度的影响.通过参数分析和讨论,表明部分埋入桩纵向简谐振动存在共振现象,桩基的埋入深度和桩土模量比对桩顶复刚度有较大影响,且桩基外露部分越长,桩顶复刚度随频率变化曲线波动越厉害.

高速铁路连续梁-拱桥拱梁竖向刚度比分析

研究目的:在梁-拱组合体系桥梁设计中,拱梁刚度比对整体结构的受力和变形、动力特性、稳定性以及施工方法有较大影响,设计中应根据具体情况,合理选择拱梁的相对刚度,以达到最优的结构体系。已有梁-拱组合体系结构性能研究中,拱梁刚度比一般认为是拱肋和主梁构件抗弯刚度的比值,这种计算方法只是简单地将拱和梁的抗弯能力进行比对,并不能准确反映结构刚度。因此,为了真实反映梁-拱组合桥的拱梁相对刚度,有必要基于力学原理科学计算拱梁竖向刚度比,并探讨其对结构性能的影响及结构相关设计参数。研究结论:(1)采用拱肋与主梁跨中竖向刚度之比值作为拱梁竖向刚度比指标更能全面反映梁-拱组合结构的刚度特性;(2)随着拱梁竖向刚度比的提高,边跨主梁的静活载挠度不断增大;在拱梁刚度比增加到一定数值后,边跨主梁挠跨比将大于主跨,结构竖向刚度则可能由边跨主梁刚度控制;(3)随着拱梁刚度比的增大,二期恒载和活载作用下,拱肋分担荷载也逐渐增大,且变化速度明显由快变慢;当拱梁竖向刚度比达到0.621 2后,拱肋分担荷载比增长速度基本趋于稳定;(4)可根据拱肋和主梁竖向刚度比将连续梁-拱组合体系桥划分为3类,即拱梁竖向刚度比小于0.3时,为强梁弱拱桥;大于1.5时,为强拱弱梁桥;介于0.3~1.5之间,为强梁强拱桥;(5)在连续梁-拱组合体系桥设计时,随着拱梁刚度比的增大,宜同步减小边跨与中跨的跨径比;合理边中跨径比上限值y与拱梁竖向刚度比x的关系可取为y=0.414 4x^(-0.105);(6)本研究结果可供梁-拱组合体系桥结构分析和工程设计参考。

考虑竖向荷载的波形钢板剪力墙力学性能研究

为了探明波形钢板剪力墙在竖向和水平荷载共同作用下的力学性能,采用ABAQUS软件建立了24个波形钢板剪力墙模型,进行非线性推覆分析和滞回分析,研究竖向荷载对波形钢板剪力墙抗侧性能和滞回性能的影响机理,分析边柱-内嵌板刚度比对波形钢板剪力墙力学性能的影响。研究结果表明:边柱在竖向荷载和水平荷载共同作用下会发生底部变形和失稳破坏,竖向荷载对波形钢板剪力墙的力学性能有不利影响;波形钢板剪力墙的边柱-内嵌板刚度比增大,剪力墙延性性能和滞回性能提升,反之则降低;边柱-内嵌板刚度比提升到1000m3后,刚度比的增加对波形钢板剪力墙力学性能的影响不再明显,剪力墙柱板刚度比合理的取值范围约为500~1200m^3。

支撑面转动时弹簧的刚度特性分析

目前,对弹簧特性的研究大都集中在上下支撑保持平行情况下,水平刚度和垂直刚度比值与弹簧高度和中径比值之间的关系等方面,而在弹簧上支撑可以转动的情况下,对弹簧的刚度特性研究比较少。将对弹簧上支撑在自由转动情况下,对弹簧水平刚度和垂直刚度比值与弹簧高径比之间的关系进行讨论,得到该条件下水平刚度和垂直刚度比值与弹簧高径比之间的确切关系,并通过实验对其进行验证。

钢筋混凝土高层建筑结构设计中的常见问题分析

对钢筋混凝土高层建筑结构设计过程中经常遇到的问题进行分析,为结构设计提供计算方法及理论依据。

高阻尼橡胶复合材料在桥梁隔震支座中的应用

选用天然橡胶(NR)、丁腈橡胶(NBR)、氯化丁基橡胶(CIIR)和丁基橡胶为基体,制备4种高性能橡胶复合材料,并用于高阻尼桥梁隔震支座样品制备。结果表明:NBR/AO80和NR/NBR/AO80复合材料的硬度、拉伸强度和拉断伸长率满足桥梁支座用橡胶材料的要求;NBR/AO80,NR/NBR/AO80和CIIR/石油树脂复合材料在与支座的工作环境温度相匹配的温域内表现出良好的阻尼性能;应用NR/NBR/AO80复合材料制备的橡胶支座样品,其竖向刚度、水平等效刚度和等效阻尼比符合桥梁支座用橡胶材料国家标准要求。

工字形钢筋混凝土剪力墙有效刚度研究

工字形钢筋混凝土剪力墙因具有较高的承载力与刚度,被广泛运用于建筑结构抗震设计之中。有效刚度对于钢筋混凝土剪力墙的抗震性能有着重要影响。利用有限元软件DIANA对拟静力加载下工字形钢筋混凝土剪力墙进行研究,分析了翼缘宽度、轴压比、剪跨比、腹板纵筋强度、翼缘纵筋配筋率对有效刚度的影响。结果表明,工字形钢筋混凝土剪力墙的有效刚度折减系数随着翼缘宽度、腹板纵筋强度的增加而减小,随着轴压比、剪跨比的增大而增大,翼缘纵筋配筋率影响不大。提出了适用于工字形钢筋混凝土剪力墙有效刚度的计算公式,其计算结果贴合试验值,说明该公式准确度较高,可用于计算工字形钢筋混凝土剪力墙的有效刚度。

螺旋弹簧中高频动态特性及影响因素研究

为研究等截面圆柱形螺旋钢制弹簧在中高频激励下的垂向动态传递特性,建立弹簧离散模型,通过有限元计算,绘制垂向动刚度随激励频率变化曲线。分别对双卷并联弹簧组及弹簧、橡胶垫串联系统进行仿真分析。依次改变预压缩量、激励幅值及弹簧和橡胶材料的阻尼比,探究影响垂向传递特性的因素。结果表明:随着激励频率的增加,螺旋弹簧垂向动刚度在共振频率附近出现谷值,在共振频率之后的某一频率区间内出现峰值,总体呈现波动上升的趋势;预压缩量及激励幅值的大小对弹簧的模态和传递特性没有显著影响;提高材料的阻尼比以及在弹簧端部串联橡胶垫,均可以有效降低垂向动刚度的放大倍数,减小波动范围。