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。

重庆渝湘复线双堡特大桥主桥设计

重庆渝湘复线双堡特大桥主桥为2×405 m连续上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥,矢跨比1/4.75,悬链线拱轴线,拱轴系数1.55。主拱圈由两幅拱肋和风撑组成。拱肋采用四肢格构式结构,单幅拱肋宽7.5 m,两幅拱肋横向中心距17.5 m。拱肋弦管采用Q390D钢,直径1400 mm,内灌C70自密实混凝土。风撑采用米字撑。拱上立柱采用双肢排架式空心矩形截面钢箱结构,桥面系采用连续钢-混组合梁,单跨27 m。中央拱座基础采用“浅挖拱座+桩基础”的构造形式,以适应岩溶发育区地质条件及降低连拱效应。拱肋采用900 m超长缆索吊装配合自平衡斜拉扣挂系统大节段吊装,桥面系采用地面组拼并张拉预应力、整体吊装的装配式施工方案。

部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥冲击系数

为研究部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥车激动力放大效应,以某3跨连续部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥为研究对象,通过桥梁冲击系数定义求得桁梁桥挠度冲击系数与轴力冲击系数。对比分析了不同车速、桥面不平度、车重、填充系数等因素对桁梁桥冲击系数的影响,并采用MATLAB软件对共867个冲击系数进行拟合优度检验,得到95%保证率下桁梁桥冲击系数统计值。结果表明:部分填充混凝土后能有效降低矩形钢管组合桁梁桥下弦杆动力响应,但并没有降低桁梁桥在车辆荷载作用下的动力放大效应;车速对桁梁桥冲击系数的影响规律不可预测;桥面不平度是影响冲击系数的重要因素,桁梁桥关键截面冲击系数随桥面恶化显著增大,最大增幅约为400%;随着车重降低,桁梁桥关键截面冲击系数增大,最大增幅约为200%;随着混凝土填充系数的增大(下弦杆混凝土填充长度增加),由于桁梁桥下弦杆相对刚度提高,其冲击系数值略有增大;桁梁桥关键截面轴力冲击系数大于挠度冲击系数。在95%保证率下,该部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥冲击系数统计值为0.223,小于美国规范、澳大利亚规范、英国规范和加拿大规范中的冲击系数取值,但大于中国规范中的冲击系数取值,应引起桥梁设计者的高度重视。

钢管拱切线拼装坐标修正在ANSYS中的实现方法

钢管混凝土拱桥钢管拱肋多采用分段安装,可采用ANSYS的生死单元进行过程分析,受到未激活单元虚位移影响,节段单元在ANSYS程序中并非在切线位置上激活。针对桁式断面的钢管混凝土拱桥,提出用悬臂端节点位移平均值作为拱肋整个截面的位移来修正激活前的单元坐标,使其处在前一节段的切线位置上;给出了坐标修正的计算公式,编制了钢管拱安装计算命令流,用于一座320m跨钢管混凝土拱桥施工中。结果表明:在实现扣索一次张拉的前提下,实测扣索力与理论索力的误差在3%以内,上、下游拱肋高程差控制在5mm内,成拱后的拱肋线形与裸拱自重线形吻合良好。

德余高速乌江特大桥主桥设计

德余高速乌江特大桥桥位处江面宽、岸坡陡,对(203+450+203)m组合梁斜拉桥和计算跨径475 m上承式钢管混凝土拱桥2个桥型方案进行比选,最终采用景观好、造价低、易养护的上承式钢管混凝土拱桥。主桥拱轴线采用悬链线,拱轴系数2.2,矢高90 m,矢跨比1/5.278。主拱圈由两幅拱肋组成,单幅拱肋为四肢等宽变高桁架结构,腹杆为钢箱和H形截面,竖腹杆与拱轴线中心径向布置。拱上立柱为钢箱截面,与拱肋、桥面系钢梁刚接。桥面系为槽形钢箱梁+粗骨料活性粉末混凝土桥面板的连续组合结构。拱座为梯形结构,采用扩大基础,交界墩采用变截面薄壁墩。采用斜拉扣挂、缆索吊装安装主拱节段、立柱单元及主梁构件。结构静力、稳定性计算及拱座受力验算均满足设计要求。

曲弦下承式钢管混凝土桁梁桥加固方案研究

郑州市北三环路彩虹桥为(122+62+62+122)m简支曲弦下承式钢管混凝土桁梁桥,为改善其目前运营服务能力,提出6种加固改造方案,针对各加固方案进行仿真计算分析。计算结果表明:简支变连续体系改造使主桁端部出现应力集中现象,不适用于该桥改造;在改造横撑的基础上增设跨中吊杆是减小横梁跨中相对变形的有效途径;增设边纵梁和外吊杆可有效改善横梁悬臂端变形,提升悬臂段桥面承载力;增大腹杆截面可明显提高62m跨径桥梁的整体刚度和横梁局部刚度,有效降低腹杆的应力幅;加强纵向预应力可有效降低桥梁的下弦杆变形,但对横梁相对变形影响不大。综合运用横撑改造、增设跨中吊杆和外吊杆、增大腹杆面积、加强下弦杆纵向预应力等几种改造措施使桥面变形明显改善,62m跨径桥梁整体结构刚度得到有效提高,腹杆最大应力显著降低,上弦杆最大应力仍有足够的安全储备。

曲弦下承式钢管混凝土桁梁桥改造方案分析

针对某上跨铁路曲弦下承式钢管混凝土桁梁桥运营中出现桥面变形大的问题,利用桥梁专用软件建立数值分析模型,并结合桥梁静载试验数据,探讨桥面结构变形大的原因;本着少影响下方铁路运行、施工安全可行、节约投资,且能切实改善大桥运营状态的原则,提出简支变连续、加强横撑并增加吊索张拉横梁等措施,对桥面以上部位进行改造,同时对改造步骤给出建议;最后对改造效果进行理论分析.理论分析表明:改造后结构安全,且活载作用下横梁及桥面变形大幅度减小,改造效果显著.

矩形钢管混凝土桁架静力性能非线性有限元分析

为了研究矩形钢管混凝土桁架的静力性能和分析模型,采用非线性有限元法,建立了两种不同的杆系模型,并将分析结果进行比较.结果表明:单材料模型对矩形钢管混凝土桁架的分析结果较为可靠,但材料本构关系成为有限元分析的关键;矩形钢管混凝土桁架的破坏并不是杆件造成的,而是由节点失效引起的,且失效将发生在相对变形量较大的节点位置;分析所得极限承载力为桁架节点发生塑性变形时荷载值,与桁架整体极限承载力稍有偏差,但分析模型能够满足桁架在桥梁结构中的设计要求.

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。

矩形钢管混凝土桁架与圆形钢管混凝土桁架受力性能对比分析

应用非线性有限元方法,对矩形钢管混凝土桁架的受力性能进行了分析,并与圆形钢管混凝土桁架的受力性能进行了比较。结果表明:矩形钢管混凝土桁架的承载力相对于圆形钢管混凝土桁架的承载力要低些,但是结构的塑性和延性都相对较好,与圆形钢管桁架的差别不大;另外,由于矩形钢管混凝土桁架在制作和施工上的方便,弥补了承载力相对较低的缺陷,在经济上仍具有一定的优势。因此,矩形钢管混凝土桁架在桥梁工程上具有较为广泛的应用前景。

加设钢管桁架纵梁改造中承式拱桥悬挂桥道系的应用研究

既有的大量钢管混凝土中下承式拱桥的悬吊桥道系,以横梁为主结构,横梁之间缺乏有效的纵向联系,整体性较差,在车辆作用下的变形和振动较大,抗风险能力也较差。其加固改造是一个重要的课题。以石潭溪大桥为例,对采用吊杆横梁间加设钢管桁架加劲纵梁的加固改造方案,从静力性能、动力性能等方面进行了分析,提出了加固改造的技术方案,对加固改造后的桥梁进行了静动载试验。研究结果表明,对于早期修建的无加劲纵梁的中下承式钢管混凝土拱桥的悬挂桥道系,加设钢管桁架纵梁是一种可行有效的加固改造方案,能有效改善桥道系的车振性能、提高其抗风险能力,且施工简单、造价经济、对交通影响小。

曲弦下承式钢管混凝土桁梁桥动力特性分析

为了分析与评价桥梁的动力性能,了解桥梁的刚度分布特征,采用有限元程序Midas/civil探讨了曲弦下承式钢管混凝土桁梁桥的有限元建模方法。分别建立62m和122m跨径桥梁的空间有限元模型,计算其自振频率和振型特征。得出结论:桥梁主桁横向刚度相对最弱,全桥竖向刚度居中,全桥抗扭刚度相对最大;该桥型的振型复杂,桥梁多阶主振动中伴随有桥面系的局部竖向振动;桥面系的竖向刚度和扭转刚度明显较弱,需采取措施来提高桥面系的刚度;桥面系局部竖向弯曲振动易激发腹杆产生横向弯曲振动,应重视腹杆的面外振动,防止其产生过大的横向振动。所得结论为该桥加固设计提供思路和依据。

大跨径钢管混凝土桁架拱桥稳定性分析

对小三峡大桥主桥即中承式钢管混凝土桁架拱桥的空间稳定性进行了分析。采用Midas/civil有限元程序建立该拱桥的空间有限元计算模型,对其进行了空间稳定性计算与分析。计算结果表明:该拱桥拱肋的横向刚度较小,可以通过优化拱肋截面尺寸与改善横撑结构形式达到提高拱肋横向刚度的目的;桥面系面外刚度略小,需要加强预制小T梁与横梁的连接,同时加大边纵梁的截面尺寸并与横梁固结,以提高桥面系的面外刚度,使桥面系形成强大的梁格体系,共同抵抗外荷载的作用。

基于热点应力法的钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳评估

为准确预测钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳寿命,提出一种基于热点应力的疲劳评估方法。该方法采用全桥多尺度三维有限元模型计算节点热点应力幅,并进行回归分析得到钢管混凝土节点的热点应力幅S~N曲线。基于该方法对一座已建成的钢管混凝土桁式拱桥进行节点疲劳评估。结果表明:疲劳易损部位位于1/4跨附近的拱肋上弦节点,起始裂纹位于节点主管表面的冠点处;采用《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中的疲劳荷载计算模型Ⅱ和疲劳荷载谱计算得到的疲劳寿命分别为20210049次和27311265次,采用疲劳荷载谱计算时多车效应纵向修正为14.9%;采用《公路钢结构桥梁设计规范》预测的节点疲劳寿命偏低,导致设计偏于保守。

东阳中山大桥有支架施工法

详细介绍了中山大桥有支架施工的优点、控制拱肋节段标高方法、预抬量的计算和如何落架。大桥顺利合拢证明了少支架安装的合理性。作为一个案例,为今后在建造大跨度钢管混凝土拱桥采用有支架施工法提供了参考。

矩形钢管混凝土桁架受压弦杆的计算长度

桁架受压弦杆受到相邻杆件的约束,其计算长度不能直接按两端铰接或两端固定杆件来取值。基于合理的假定,考虑相邻节间弦杆内力比对矩形钢管混凝土桁架受压弦杆计算长度的影响,推导出矩形钢管混凝土桁架受压弦杆屈曲的特征方程,给出相应的计算长度系数,并对不同截面的矩形钢管桁架受压弦杆进行了有限元计算。结果表明,采用计算长度系数的计算结果与有限元计算结果吻合较好,相邻弦杆的内力比对受压弦杆的计算长度影响明显,考虑相邻弦杆的内力比对计算长度的影响后,受压弦杆的计算长度系数有所减小。最后给出了便于工程应用的受压弦杆计算长度系数简化计算公式。

弯曲引桥作为钢管拱吊装扣锚平衡系统的可行性研究

针对弯曲引桥情况下钢管拱肋吊装中以交界墩代替扣索塔的施工方法,结合景阳河大桥的施工实践,分析与讨论了钢管拱吊装过程中扣索与锚索的不平衡水平力对弯曲引桥的影响,比较分析了不同支座情况下弯曲引桥桥面与桥墩的受力和变形,讨论了利用弯曲引桥结构作为扣锚拱肋吊装时平衡系统的可行性。

部分填充混凝土钢管结构桥梁研究

在总结各国钢管结构研究现状的基础上,分析了部分填充混凝土钢管结构的类型及工程应用,探讨了部分填充混凝土钢管桁架结构桥梁的形式,展望了部分填充混凝土钢管桁架新型结构桥梁的优势和应用前景,最后以一座刚性悬索加劲的三跨连续钢桁梁桥为例进行了部分填充混凝土前后的静动力特性对比分析。结果表明:在钢桁梁桥弦杆内填混凝土能降低杆件的应力水平,提高桥梁的整体刚度。

62m钢管混凝土曲弦桁梁桥加固前后抗震性能时程对比分析

以某62m钢管混凝土曲弦桁架桥为研究对象,依据其加固方案,运用通用有限元软件ANSYS建立其加固前后的空间有限元模型,计算该类型桥梁加固前后的自振频率,采用动态时程分析法对比分析其抗震性能。分析结果表明:加固后桥梁的频率值有不同程度的增大,特别是桥梁竖向与扭转频率增幅明显。加固前后桥梁上弦内力中轴力最大,剪力和弯矩较小,内力最大值基本上都出现在上弦两端位置处,此位置应作为桥梁抗震薄弱环节予以重视。在相同工况下,与加固前相比,桥梁加固后的轴力减小约30%,桥梁加固后的位移均有不同程度的减小。加固措施对桥梁横向刚度有所改善,对桥梁竖向刚度有明显提高,特别是对桥面系刚度提高显著。该类型桥梁宜用Taft波动态时程分析结果进行抗震截面验算,用EI-Centro波动态时程分析结果进行挠度验算。

钢管混凝土拱桥拱铰斜腹杆合理夹角分析

钢管混凝土拱桥钢管拱通常采用缆索吊装悬臂拼装法施工,为便于调整拱肋安装线形,多在拱脚处设置临时拱铰。将拱铰结构分别简化为理想桁架和刚架结构,根据力系平衡原理推导出理想桁架的斜腹杆轴向力一致表达式,将欧拉临界荷载与轴向力之比定义为腹杆的稳定系数,建立起稳定系数与腹杆夹角的关系,得到了腹杆最大稳定系数对应的夹角值;运用力法原理,推导了三角刚架端弯矩和轴向力计算表达式,通过算例验证了计算公式的正确性,在此基础上进一步研究了拱铰刚架内力与斜腹杆夹角的变化规律。结合JTG/T-D65-06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》对主、支管夹角不宜小于30°的构造要求,得到拱铰斜腹杆夹角在60°~100°间较为合理结论,验证了国内部分已建钢管混凝土拱桥拱铰构造设计的合理性。