钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥地震响应影响分析

为揭示河谷场地"钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥"地震响应规律,以京昆高速公路"干海子特大桥"为工程背景,建立其三维有限元动力计算模型;采用有限元与间接边界积分方程耦合法(FEM-IBIEM耦合法)进行场地反应计算,并通过多点激励(改进LMM法)方式进行地震动输入,研究行波效应、局部场地效应对其地震响应影响,并和一致激励进行比较,结果表明:该类桥梁低墩较高墩对地震动更敏感,且在墩高突变区域最为明显;较一致激励和高墩和对应梁跨,行波效应增大其墩底轴力、跨中下弦杆和斜腹杆轴力,但减小其它量测值;低墩和对应梁跨,行波效应减小其墩底弯矩、墩顶位移和跨中位移;较一致激励和行波效应,局部场地效应显著增大了大多桥墩和梁跨的位移和内力,且对墩高突变处低墩、梁跨的放大作用最为明显,因此对于河谷场地中"钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥"抗震设计,特别是墩高突变区的低墩和梁跨,必须重点考虑局部场地效应的影响。

双主梁曲线钢管混凝土组合桁梁桥冲击系数研究

为研究双主梁曲线钢管混凝土组合桁梁桥冲击系数,分别建立了桥梁有限元模型和7个自由度车辆弹簧-质量模型;考虑离心力和桥面不平度,采用分离迭代法进行了车-桥耦合振动分析;讨论了多车道曲线梁桥冲击系数分析的车辆加载工况;分析了车辆横向加载车道、离心力、行车速度和曲率半径对车桥耦合振动响应影响;构造了双主梁曲线梁桥冲击系数估算公式。

钢管混凝土桁式弦杆组合连续梁抗弯性能

为研究钢管混凝土桁式弦杆组合连续梁的抗弯性能和计算方法,开展了模型试验和理论分析,研究钢管混凝土桁式弦杆组合连续梁正、负弯矩区的应变分布、变形特性、破坏形态和抗弯承载能力,并对正、负弯矩区的抗弯承载能力计算方法进行讨论。结果表明:钢管混凝土桁式弦杆组合连续梁正、负弯矩区的腹杆和节点均具有较高的强度和刚度,能够保证节点破坏不会先于截面整体破坏。截面应变沿高度方向基本呈线性变化,满足平截面假定。正、负弯矩区的抗弯承载能力破坏形态分别是弦杆钢管全截面屈服和混凝土桥面板内部钢筋发生屈服。腹杆对钢管混凝土桁式弦杆组合连续梁正、负弯矩区抗弯承载能力的贡献度分别为12.5%和8.6%。本文提出了考虑腹杆贡献的钢管混凝土桁式弦杆组合连续梁抗弯承载能力的计算方法,其计算结果与试验和有限元分析结果进行对比分析,误差不超过8.1%。

钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁非线性地震响应分析

以干海子大桥第二联为原型,建立基于纤维单元的三维有限元简化模型,分析该钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁在地震作用下的响应特性,讨论进入非线性后桥墩屈服顺序和内力重分布效应。通过与精细有限元模型、实桥测试、振动台试验比较验证了该文建立的简化单梁计算模型的正确性。以桥墩柱肢钢管边缘应变为判断标准,确定了水平最不利地震动输入方向为两端支座连线的法线方向,同时需要考虑竖向地震动的影响。通过地震响应分析表明,在设计地震动下桥梁处于弹性状态;进入塑性后,格构墩和复合墩以面内受力为主,轴力增幅小于地震动增幅,墩顶位移增幅大于地震动增幅;复合高墩面内弯矩增幅大于矮墩,有利于全桥的抗震。

腹杆形式对钢管混凝土桁梁受力性能影响的研究

进行了3榀钢管混凝土桁梁试件四分点对称加载静力试验,研究腹杆布置形式对整体受力性能的影响,并探讨了有限元法和节点承载力验算方法。试验研究结果表明,3榀桁梁试件的整体极限承载力和极限变形能力从大到小的腹杆布置形式为修正的Warren式、Pratt式和Warren式。不同腹杆布置形式的桁梁节点失效模式不同,修正的Warren桁梁和Pratt桁梁的节点失效模式为弦杆钢管扯裂失效,而Warren桁梁为受压腹杆接头局部屈曲。通过对比荷载-变形关系实测曲线与计算曲线,对有限元梁单元模型计算钢管混凝土桁梁整体受力性能的精度进行了分析。在不考虑节点处弦杆钢管与管内混凝土界面非线性的影响时,有限元刚接梁单元模型和铰接梁单元模型计算的整体极限承载力均大于实测值,而计算变形值均小于实测值。与铰接梁单元模型比较,刚接梁单元模型计算的弹塑性阶段整体抗弯刚度及整体极限承载力的精度更高。刚接梁单元模型计算的腹杆轴力与实测值吻合良好。当忽略腹杆弯矩影响时,桁梁节点承载力可以采用钢管K型节点弦杆钢管扯裂失效承载力公式进行计算,节点理论承载力略小于实测腹杆轴力。

波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁桥疲劳性能

为研究波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,开展了波形钢腹板-钢管混凝土(CSW-CFST)桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管(CSW-ST)桁式弦杆组合梁疲劳性能试验和有限元分析;研究了CSW-CFST和CSW-ST桁式弦杆组合梁疲劳性能的异同,分析了弦杆内混凝土改善组合梁疲劳性能的本质原因,探讨了CSW-CFST桁式弦杆组合梁疲劳寿命的评价方法,并将采用美国石油协会(API)、国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)和挪威船级社(DNV)设计标准所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命分别与试验结果进行了对比。研究结果表明:采用线性外推方式得到的CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力为二次外推方式所得的1.036倍,偏安全角度考虑,CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力宜采用线性外推求解;组合梁斜腹板段热点应力明显大于直腹板段,最大热点应力出现在斜腹板与圆弧过渡段相交处,相较于CSW-ST桁式弦杆组合梁,弦杆内混凝土能使CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力下降26.8%,但热点应力分布规律不变;建议将疲劳裂缝萌生时刻对应的反复加载次数定义为CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命;弦杆内混凝土能够延缓疲劳裂缝沿壁厚和长度方向的扩展速度,可使CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命提高61.5%,但不改变组合梁的疲劳破坏模式和疲劳裂缝类型;采用DNV所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命与试验结果间的误差最小,不超过26.4%,建议采用DNV给出的钢管相贯节点疲劳设计应力(S)-疲劳寿命(N)曲线初步计算CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命。

地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁行车安全性分析

为研究地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的行车安全性,以干海子特大桥为研究对象,建立考虑地震作用的车桥耦合振动方程,并将计算方法添加到基于梁单元的双重非线性有限元程序NL_Beam3D中,实现地震作用下车桥系统相互作用的耦合计算。考虑车辆倾覆指标和桥梁横向变形的影响,进行行车安全性分析。结果表明:有限元计算得到的基频和不同车速下最大动挠度与实桥荷载试验得到的结果接近;与已有振动台试验结果相比,位移时程曲线形状吻合,位移幅值满足相似比关系,验证了计算模型和方法的有效性。柔性高墩轻型桥梁对地震波有滤波效应,地震波传至桥梁时强度明显减弱;最不利的重型货车的倾覆指标阈值大于E1多遇地震时的桥面最大横向加速度,即不存在车辆侧倾现象;墩顶位移满足设计要求,干海子特大桥行车安全性能良好。部分墩顶横向位移在地面峰值加速度达到1. 6倍E1多遇地震动时,将超过《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》给出的限值。桥面最大加速度在地面峰值加速度为2倍E1多遇地震动时,倾覆指标阈值小于桥面最大横向加速度,重型货车存在倾覆可能;对应的桥墩墩顶最大横向位移与墩高比例系数达1/198,大于指南限值1/300,说明该指南对桥墩墩顶位移限值规定相对比较保守。