Approach for analyzing the ultimate strength of concrete filled steel tubular arch bridges with stiffening girder

A convenient approach is proposed for analyzing the ultimate load carrying capacity of concrete filled steel tubular (CFST) arch bridge with stiffening girders. A fiber model beam element is specially used to simulate the stiffening girder and CFST arch rib. The geometric nonlinearity, material nonlinearity, influence of the construction process and the contribution of prestressing reinforcement are all taken into consideration. The accuracy of this method is validated by comparing its results with experimental results. Finally, the ultimate strength of an abnormal CFST arch bridge with stiffening girders is investigated and the effect of construction method is discussed. It is concluded that the construction process has little effect on the ultimate strength of the bridge.

基于无剪力钉体系的RBPC钢桥面铺装技术及其应用

为探索长大桥钢桥面全寿命周期养护新技术,解决现有钢桥面铺装及正交异性板疲劳损伤的难题,开展树脂连接型超高性能混凝土RBPC铺装技术研发工作。研究结果表明:相比同条件环氧类EA铺装结构,RBPC铺装下钢板应力减少约40%,提升钢桥面结构刚度50%以上,验证此铺装结构对正交异性板具有一定刚度提升和补强效果;使用缓粘接湿粘接剂代替栓钉粘接防水抗滑层(RBChip)的新工艺,接触方式由“点”改“面”,便于后期维修养护,且全国首次在长江公路大桥铺装重置工程中成功应用。

不均匀温度场下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空分析

为了解不均匀温度场作用下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空原因,依托高原山区某跨径430 m的钢管混凝土拱桥,进行强辐射、大温差联合作用下拱肋拱顶节段足尺模型试验,分析模型温度场分布,并对该不均匀温度场作用下管内混凝土脱空机理进行研究。结果表明:钢管混凝土拱桥水化阶段和运营阶段径向温度场可简化为多段式折线变化规律。14:00时刻,水化阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)先减小后升高再减小,在距向阳侧界面D/8~3D/8处(D为钢管内径)存在一个大温差面,运营阶段温度沿竖直径向(从向阳侧至背阳侧)呈先减小后不变再增加的非对称分布规律,从钢管混凝土界面至距其D/8处温度变化大。混凝土水化阶段和运营阶段管内混凝土脱空机理为:在温度场作用下钢管混凝土界面最大纵向应力差分别高达82.6 MPa和61.95 MPa,最大界面径向拉应力分别为0.8 MPa和2.06 MPa,均超过钢管和混凝土间的粘结强度。

基于零位移与无应力状态控制的斜拉扣挂施工扣索力确定方法

大跨度拱桥常采用斜拉扣挂法开展拱肋施工,但在节段拼装过程中扣索索力和拱肋空间位形之间互相影响,索力优化计算以及扣索状态控制问题复杂。提出改进零位移法结合无应力状态控制法的复合扣索力计算方法:基于改进型零位移法快速得到满足成拱线形要求的扣索力大小,基于成拱索力采用无应力状态法反推各施工阶段扣索索力。该复合方法可避免传统零位移法扣索力不准和反复迭代计算的缺陷,施工中扣索可实现一次张拉,后续节段拼装中无需对扣索进行索力调整。以某跨径430 m大跨度钢管混凝土拱桥缆扣合一施工为工程应用背景,采用的零位移法结合无应力状态法对大跨度非对称式钢结构拱肋进行斜拉扣挂拼装的扣索力求解和施工模拟。分析拼装过程中扣索力变化规律,并对比验证实际线形与目标线形偏差,以及拱肋应力与设计应力之间偏差程度。结果表明,所提出的复合算法理论简单且索力求解计算便捷。所求的扣索力可有效保证拱肋拼装完成及松索后拱肋线形和受力均满足要求。

焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响

为研究焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响,基于建立的热力顺序间接耦合的有限元分析方法,对拱肋相贯节点的焊接温度场和残余应力场进行数值模拟,结合文献试验结果验证了有限元分析方法的准确性。然后对湘渝高速双堡桥拱脚处拱肋相贯节点进行焊接温度场和残余应力场的数值模拟。在此基础上,通过参数分析研究对比了不同焊接热输入和焊接速度以及进行焊前预热和焊后热处理等不同焊接工艺对拱肋相贯节点不同位置的残余应力影响。结果表明:不同焊接热输入和焊接速度下拱肋相贯节点的焊接残余应力分布规律基本一致,变化规律表现为焊接残余应力与焊接热输入呈正相关关系,与焊接速度呈负相关关系;随着焊接热输入的减小和焊接速度的提高,拉压残余应力整体减小,拱肋相贯节点经过焊前预热150~200℃以后,残余应力的峰值应力总体降低4%以上,但焊前预热对残余应力分布基本没有影响,更高的焊前预热温度能更有效地降低残余应力的峰值应力;拱肋相贯节点经过550~650℃保温温度下保温4 h的焊后热处理以后,焊接残余应力总体降低幅度在40%以上,更高的保温温度能更有效地降低焊接残余应力;钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点可通过减小焊接热输入和提高焊接速度的焊接工艺、焊前预热处理和焊后热处理来减小焊接残余应力。

不同连接构造的预制拼装钢管混凝土桥墩数值模拟与地震响应特点

无黏结预应力节段拼装钢管混凝土桥墩主要包括承插连接与混合连接两种承台连接方式。为比较两种不同连接构造下桥墩的地震响应特点,采用OpenSees软件分别建立了桥墩有限元模型,其中,承插连接钢管混凝土桥墩模型能够考虑插入承台部分钢管与周围混凝土的黏结滑移、钢管局部屈曲以及屈曲后撕裂等过程,而混合连接钢管混凝土桥墩模型能够再现出接缝的摇摆行为;并通过与相关拟静力试验数据结果进行对比,验证了两种数值模型的有效性;随后,以一座4跨连续梁桥为背景,分别研究了采用混合连接、无预应力承插连接和预应力承插连接桥墩桥梁结构在地震作用时的响应特点。结果表明:两种承插连接桥墩的墩底钢管在地震动峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)约0.4 g时发生屈曲,并伴随水平刚度下降和残余位移增大,且配置无黏结预应力的承插连接桥墩钢管屈曲引起的损伤程度更大,随着地震动输入进一步增大,预应力为桥墩提供的自复位能力逐步增加,在PGA=0.6 g时,预应力承插连接桥墩的残余位移仅为无预应力桥墩的62%。此外,配置混合连接桥墩的桥梁在地震作用下损伤较小,残余漂移比小于0.2%,比承插连接桥墩更优的自复位能力。

几何初始缺陷与初应力对钢管混凝土拱桥的影响研究

为探讨拱圈拱轴线的几何初始缺陷和钢管初应力对拱桥结构内力与应力的影响,基于实际工程案例,建立了4个有限元模型,分为2组,一组包括2个模型,考虑了拱轴线的几何初始缺陷影响;另一组也包括2个模型,首先考虑拱轴线几何初始缺陷,然后在此基础上考虑初应力影响,进行拱桥内力和应力分析对比。结果表明:几何初始缺陷对拱圈轴力影响较小,增幅<1%,但对拱圈的弯矩和应力分布影响较明显,特别是在拱顶部分,在拱顶处弯矩减小高达91.31%,而拱脚处增加17.03%,拱脚和拱顶上缘的混凝土应力增加23.19%,下缘的混凝土应力减小51.95%;考虑初应力影响后,拱桥内力分布发生显著变化。拱脚处轴力增加65.5%,拱圈弯矩最大减小68.21%,拱圈截面上缘应力增加幅度高达113.7%。因此,实际施工阶段,必须充分考虑拱圈拱轴线几何初始缺陷影响,并根据实际施工顺序准确模拟初应力。

大跨度双联连续钢管混凝土拱桥结构体系设计研究

为研究大跨度双联连续钢管混凝土拱桥的合理结构体系及中央拱座合理刚度,以主跨2×405 m渝湘复线双堡特大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立全桥有限元模型,分析考虑自重、汽车荷载和基础沉降作用下,拱桥刚接、铰接、半刚性连接约束体系和不同中央拱座刚度对桥梁力学性能的影响。结果表明:自重、汽车荷载和基础沉降作用下各结构体系力学性能均满足规范要求。双刚接方案拱肋变形对称,结构受力良好,且构造简单、施工方便。中央拱座刚度从0.8 EI(EI为原设计方案中央拱座截面刚度)增加至2.0 EI,自重产生的最大变形基本不变,最大拉应力减小了0.33%,最大压应力减小了0.47%,结构力学性能改善效果不明显。双堡特大桥结构体系推荐采用双刚性连接,中央拱座合理刚度取值为0.8 EI,全桥有限元计算结果表明,该结构体系的强度、刚度、稳定性均满足规范要求。

墩顶转体法施工的大跨度曲线钢桁梁桥总体设计及创新——以国道109新线高速公路安家庄特大桥主桥设计为例

国道109新线高速公路安家庄特大桥为全线的控制性工程,左右幅主桥分别位于半径1600 m和1500 m的圆曲线上,依次跨越丰沙铁路、永定河和现状109国道,桥梁施工安全、河道防洪和环保要求均较高。为解决上跨铁路需采用转体法施工以及桥墩阻水比偏高的问题,创新提出了大跨度曲线钢桁梁桥墩顶转体法施工以及大直径厚壁钢管混凝土桥墩的设计方案,左右幅主桥分别采用(248.95+248.95)m钢桁斜拉桥和(171.95+171+75.25)m连续钢桁梁,转体长度分别为(248+248)m和(171+171)m,水中墩采用钢管混凝土桥墩。结合桥位处相关工程建设条件,对桥梁孔跨布置、桥式方案、水中墩结构的选择依据进行分析,简要介绍主桥上部结构、下部结构及基础、转体系统等主要设计内容。该桥突破钢桁梁不宜采用墩顶转体施工的技术瓶颈,扩大了连续钢桁梁桥和墩顶转体技术的使用范围;采用大直径厚壁钢管混凝土桥墩,有效降低了墩柱截面尺寸,拓宽了钢管混凝土结构的应用范围;大跨度曲线钢桁梁构造及受力特性较为复杂,采用BIM正向设计技术,实现了复杂结构信息和设计意图的精准表达,提高了设计效率。

钢管混凝土拱桥吊杆张拉顺序对结构受力的影响

吊杆张拉是钢管混凝土拱桥施工中的重要环节,吊杆的张拉顺序不同会对结构内力分布及变形产生不同的影响。为了研究吊杆张拉顺序对钢管混凝土拱桥结构受力的影响,以新建轻纺城大桥主桥为工程背景,借助有限元软件建立桥梁三维仿真模型,对比分析了三种吊杆张拉顺序下的结构变形和内力变化规律。计算结果表明,从跨中对称向两端张拉是吊杆张拉施工的最优方案。

上承式钢管混凝土拱桥桥道系病害分析和加固

为了研究在役上承式钢管混凝土拱桥桥道系结构病害产生的原因,梳理桥梁历年养护情况,建立全桥有限元模型和上部结构单梁模型,进行影响因素分析。分析表明:T梁承载能力下降导致大量U型裂缝产生,主拱圈温度作用下的变形、桥道系自身整体性不足导致桥面铺装开裂。提出一种改进的体外预应力布置方式以提升T梁承载能力,并利用有限元分析验证其加固效果,采用超高性能混凝土重做现浇层和T梁横隔板包钢增强桥面铺装韧性和桥道系整体性。

钢纤维混凝土在路桥施工技术中的应用探析

钢纤维混凝土在路桥施工中有着远超普通混凝土的性能,将其用于路桥工程,可进一步提高工程建设质量及路桥安全系数。为探索钢纤维混凝土在路桥施工技术中的应用方式,对比钢纤维混凝土与普通混凝土的性能,讨论钢纤维混凝土在路桥施工中的优势。并以某路桥工程建设为例,详细阐述钢纤维混凝土在路桥施工中的实际应用。

混合配筋自复位节段拼装桥梁抗震性能研究

为了进一步了解该施工技术在现代桥梁建设中的应用效果,本文以某桥梁工程为例,通过有限元分析的方式,模拟分析了混合配筋自复位节段拼装桥梁抗震性能。首先,简单介绍了某路桥工程的基本情况,然后以此为基础,通过桥梁结构模型的构建,进而模拟分析了竖向轴压比、钢管壁厚、初始预应力、核心混凝土强度、耗能钢筋配筋率等不同工况条件下桥梁的抗震性能,以期为混合配筋自复位节段拼装桥梁建设提供参考。

钢管混凝土拱桥车振性能分析

从结构基频、车辆荷载冲击系数和舒适性等方面对钢管混凝土拱桥的车振性能进行分析。应用统计分析方法研究表明,钢管混凝土拱桥的面内基频约为钢拱桥的1.33倍,同时给出了面内基频的简化计算公式。收集了多座钢管混凝土拱桥的实测冲击系数,与现行各国规范进行了比较分析,并通过对实测数据的回归分析,得出钢管混凝土拱桥冲击系数的简化计算公式,可供钢管混凝土拱桥初步设计时冲击系数估算应用。最后对钢管混凝土拱桥的舒适性评价指标进行了探讨,振动速度和振动加速度等动力参数可以较好地反应出钢管混凝土拱桥在汽车荷载通过时的振动情况与振感。

自密实混凝土在钢管混凝土拱桥中的应用

通过优选原材料、复合外加剂 ,采用高掺量粉煤灰和微膨胀技术配制的自密实高性能混凝土 ,不仅具有优良的工作性且坍落度损失小、可泵性好 ,同时还具有优良的力学性能和耐久性能。自密实钢管混凝土与普通泵送钢管混凝土的轴心受压对比试验表明 ,两者的力学性能相近。将自密实混凝土作为钢管内填混凝土应用在钢管混凝土拱桥中 ,不仅能满足设计所要求的强度、弹性模量等力学指标 ,具有良好的填充性、抗离析性及混凝土与钢管壁的粘结力 ,同时满足了施工中采用泵送顶升法浇筑混凝土的技术要求 ,大大加快了施工进度、确保了工程质量。从材料成本、施工进度及工程质量等方面综合比较来看 。

方钢管混凝土轴压短柱的力学性能

根据统一强度理论,综合考虑了方钢管混凝土的材料特点,引入了考虑厚边比影响的等效约束折减系数,将钢管混凝土角部非均匀的约束力转化为均匀的约束力,从而将方钢管对混凝土的约束等效为圆钢管对混凝土的约束。在厚壁圆筒的统一强度理论解的基础上,推导了计算钢管混凝土极限承载力的公式,并用该公式对文献资料数据进行了计算对比。结果表明:该公式有很强的适用性,对发挥材料潜力、节约材料很有意义。

康富钢管混凝土拱桥振动特性分析

康富桥是一座异型钢管混凝土拱桥,该桥内拱外倾、外拱内倾,组合拱肋与系杆、横梁组成空间结构体系。该桥型较少见,为了了解该桥型的动力性能,需要对桥梁进行空间振动特性分析。采用ANSYS 软件建立该桥梁空间有限元计算模型,计算得到桥梁前15阶振动周期和振型。计算结果表明:该种桥型横向刚度较竖向刚度弱,桥梁低阶以拱肋横向振动为主。本文计算结果已为桥梁设计提供参考。

钢管混凝土偏心受压应力-应变关系模型研究

提出钢管混凝土偏心受压应力-应变关系的纤维单元模型。钢管采用一维四段直线的应力-应变关系,混凝土采用以一维形式表达、考虑钢管与混凝土相互作用的应力-应变关系。提出了偏心受压的钢管混凝土考虑钢管径向应力梯度对紧箍作用影响的核心混凝土的应力-应变关系模型。最后应用提出的钢管混凝土偏心受压应力-应变关系,对钢管混凝土偏心受压柱和钢管混凝土拱面内受力全过程进行了计算分析。

茅草街大桥主桥的地震反应分析

以湖南茅草街大桥为研究对象,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了该钢管混凝土系杆拱桥的三维有限元模型并对其进行模态分析,在此基础上运用反应谱法计算了该桥的纵向、横向和竖向地震响应,探讨了主要结构参数对中承式钢管混凝土系杆拱桥地震响应的影响,可为大跨钢管混凝土拱桥的抗震设计提供理论参考。

铁路大跨度提篮式系杆拱桥全桥模型试验

九曲河大桥是大跨度尼尔森体系钢管混凝土提篮式系杆拱桥设计方案,为了检验结构在施工及运营阶段能否满足高速铁路桥梁的功能要求,进行了该桥的全桥模型试验研究。简单介绍了模型的设计原则、相似关系和技术要点,对模型的加载方法、配重大小、测试截面设置等也进行了讨论。重点是通过对试验结果的分析以及与理论计算的比较,全面研究了结构在多种工况下的结构行为。研究表明,尼尔森体系具有受力匀称、承载能力大的特点;试验研究也验证了计算理论的正确性,同时表明该桥具有足够的横向刚度,具有较大的承受超载和偏载的能力。