Nonlinear Stability Analysis of Long Span Continuous Rigid Frame Bridge with Thin Wall High Piers

By utilizing the current finite element program ANSYS, two types of finite element models (FEM), the beam model (BM) and shell model (SM), are established for the nonlinear stability analysis of a practical rigid frame bridge—Longtanhe Great Bridge. In these analyses, geometrical and material nonlinearities are simultaneously taken into account. For geometrical nonlinearity, updated Lagrangian formulations are adopted to derive the tangent stiffness matrix. In order to simulate the nonlinear behavior of the plastic hinge of the piers, the multi lines spring element COMBIN39 is used in the SM while the bilinear rotational spring element COMBIN40 is employed in the BM. Numerical calculations show that satisfying results can be obtained in the stability analysis of the bridge when the double coupling nonlinearity effects are considered. In addition, the conclusion is significant for practical engineering.

外包钢套加固震损双层高架桥框架式桥墩地震损伤分析与评估

为了对外包钢套加固震损双层框架式桥墩的地震损伤进行分析与评估,基于已有试验,应用OpenSees开放平台,以损伤指数折减材料性能参数模拟地震损伤,建立了双层框架式桥墩非线性有限元模型,对其进行低周往复加载,对比模拟与试验得到的滞回曲线和骨架曲线,验证了所建模型的可行性。采用Pushover分析方法,结合能力谱法求得4榀双层框架式桥墩试件在不同地震烈度下的性能点以及层间位移角,基于改进的Park-Ang损伤模型对桥墩试件的地震损伤进行分析。研究表明:当遭遇8度地震时,试件FP-2和试件FP-3最大层间位移角相对原型对比试件FP-0分别减小了26.4%和22.5%;当遭遇9度地震时,分别减小了26.5%和22.2%;当遭遇6度和7度地震时,各试件基本完好或造成轻微损伤;当遭遇8度和9度地震时,原型对比试件FP-0处于重度损伤,试件FP-2和试件FP-3均处于中度损伤,说明震损加固试件的损伤程度相较于原型对比试件均得到不同程度的减小。

不等高双薄壁墩结构参数对连续刚构桥力学行为影响分析

对于因地形和地貌原因而使双薄壁墩连续刚构桥相邻桥墩高度相差较大的情况,设计常采用不等高双薄壁墩。相比常规双薄壁墩,不等高双薄壁墩结构设计及优化可供借鉴和参考的成果不多。以某不等高、不等厚双薄壁墩预应力混凝土连续刚构桥为工程依托,基于有限元数值分析方法,改变低墩壁厚和墩间距,针对结构恒载作用、最大悬臂状态稳定及结构自振,采用单因素分析方法研究薄壁墩结构参数对连续刚构桥结构力学行为影响。结果表明:恒载作用下,低墩壁厚对主梁根部弯矩影响很小,对跨中弯矩影响相对较大;增大双肢间距可明显降低主跨跨中、根部弯矩。低墩稳定安全系数对壁厚更敏感;墩参数变化不改变失稳模态。随着低墩壁厚和间距增加,结构自振频率增大,壁厚、双肢间距影响结构一阶振动模态,且壁厚对一阶自振影响最显著。分析结论可供不等高双薄壁墩连续刚构桥结构设计和优化参考。

CFRP及EWSS复合加固震损双层高架桥框架式桥墩恢复力模型研究

为研究碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)及外包型钢(Externally Wrapped Steel Section,EWSS)复合加固震损双层高架桥框架式桥墩的恢复力模型,对1榀原型对比试件、1榀无预损加固试件和2榀遭受不同地震损伤加固试件进行了低周往复加载破坏试验,获取了滞回曲线并提取骨架曲线,分析其滞回特性,提出一种弹性段和强化段为双折线、下降段为指数函数且考虑初始损伤的骨架曲线模型;采用试验数据回归拟合方法,定量描述了试件滞回曲线卸载刚度的退化规律,考虑了同级加载承载力退化和定点指向特征,建立了恢复力模型。研究结果表明:复合加固试件滞回曲线捏缩现象明显,呈倒S型,各滞回环分别相交于骨架曲线上正向、负向荷载为屈服荷载0.25倍的点,峰值荷载后EWSS产生包辛格效应;所提出的骨架曲线模型对中度震损和重度震损加固试件下降段指数函数的参数k建议取值分别为3.6和3.4;所建立的骨架曲线模型和恢复力模型计算结果与试验实测结果吻合较好,可为该类结构弹塑性地震反应分析提供依据。

铁路快速建造式框架墩设计技术研究

新建铁路常采用框架墩跨越运营铁路,现有框架墩特别是立柱施工对运营铁路影响较大,如何快速高效地完成施工、减少对运营铁路的影响值得研究。以铁路快速建造式框架墩为研究对象,通过理论分析、有限元计算、方案对比和工程应用验证等方法,开展结构形式、连接形式、设计计算和施工方法等研究。主要研究成果如下:(1)快速建造式框架墩横梁采用钢结构,立柱采用混凝土立柱、钢混组合立柱、钢立柱及钢混混合立柱,采用全装配化施工,可适应不同横梁跨度、高度的框架墩快速建造需要;(2)提出快速建造式框架墩横梁与立柱间、立柱与基础间等新型形式,可实现现场快速化拼装;(3)通过计算分析,快速建造式框架墩的强度、刚度、疲劳、连接性能等均满足受力要求;(4)研究成果在工程上成功实施,实现了减少施工对运营铁路影响、降低行车安全风险的目标,具有较好的推广价值。

高铁大跨双肢墩连续刚构桥减震系梁地震易损性分析

为了解地震作用下减震系梁对高铁大跨双肢墩连续刚构桥的减震效果,以某主跨180 m的山区高铁双肢墩连续刚构桥为背景,分别建立采用钢筋混凝土(RC)系梁、2种新型减震系梁(可屈服钢系梁与斜交筒式黏弹性阻尼器系梁)方案的全桥有限元模型,对比分析不同系梁方案下的结构损伤、桥面平顺性指标等。结果表明:2种新型减震系梁均不会在地震作用下出现负刚度,新型减震系梁方案较RC系梁方案能有效降低系梁和主墩的结构损伤概率,主墩最大压应变降低83.3%;但减震系梁对震后桥面平顺性指标无明显改善,需采用更具针对性的技术措施。

基于荷载试验的预应力混凝土刚构桥承载能力评估

为了检测高墩大跨宽体箱梁刚构桥的桥梁承载能力及其动力特性,了解桥梁的健康状况,分析是否能满足设计及使用的要求。以凤凰特大桥为工程背景,建立有限元分析模型,通过静载试验和动载试验的结果与计算模型理论值进行对比和分析。在静载试验下,该桥的挠度校验系数为0.710~0.884,应变测点校验系数为0.603~0.800,相对残余应变和相对残余变位均小于20%。动载试验下桥梁左右两幅自振振动频率最小值为4.103 Hz,实测桥跨最大冲击系数为0.039。凤凰特大桥主桥左幅、右幅静载试验结论表明桥跨在正常使用状态下的承载能力能够满足公路-Ⅰ级汽车荷载的使用要求,动载试验结果表明,受检桥跨的实测自振特性及动力响应满足设计要求。

山区高墩大跨连续刚构桥稳定性影响因素研究

本文选用四川省某高墩大跨度连续刚构桥为例,通过有限元分析软件研究了该桥在最高墩阶段、最大悬臂阶段和成桥阶段各组合工况下的结构稳定性,对比分析了桩土作用、混凝土强度、墩高、壁厚等参数对桥梁结构稳定安全系数的影响。研究表明:在最大悬臂阶段一侧挂篮坠落时结构稳定性最差;风荷载和温度荷载对结构稳定性影响较小,桩土作用对结构稳定性影响较大;随着桥墩混凝土强度的提高,结构稳定安全系数越大,但提升幅度不断减小。研究结论对于山区高墩大跨连续刚构桥的稳定性分析提供了有益参考。

某高墩刚构桥抗震性能分析

为合理评定高墩刚构桥的抗震性能,以某实际高墩刚构桥为算例,建立其非线性有限元模型,进行了E1,E2水准下的非线性地震时程反应分析,重点讨论了支座、桥墩以及地震碰撞反应结果,分析了不同水准地震动作用下该桥主要构件的损伤程度及地震碰撞对桥梁反应的影响,并基于现行的桥梁抗震规范开展该高墩刚构桥的抗震性能评定。结果表明:在E1水准地震作用下,该高墩刚构桥整体处于线弹性阶段;在E2水准作用下,支座、桥墩和系梁出现不同程度损伤,在EL Centro波作用下产生碰撞时,相应位置上的支座、桥墩受力情况均出现明显的阶跃现象,但未出现严重的结构损伤。两水准地震作用下该高墩刚构桥均符合抗震设防目标。

基于整体节点理念的钢盖梁与混凝土墩柱连接结构优化设计

针对传统钢盖梁设置套筒外包混凝土墩柱方案墩梁连接位置刚度突变、应力集中及施工定位精度要求高的问题,基于梁柱整体节点理念,以门式框架墩为例,提出一种钢盖梁与钢套筒连接结构优化方案。该方案将连接位置处钢盖梁和钢套筒腹板设计为整体节点板,钢盖梁和钢套筒翼缘板加劲肋一一对应,并将现场接头设置在钢盖梁侧。以某公路工程匝道桥为背景,采用有限元软件分析其门式框架墩采用传统方案与优化方案的受力性能,并将优化方案应用于实桥。结果表明:该优化方案传力顺畅,结构应力集中程度较低,构造合理;该优化方案施工较为简单,容错性更好,具有良好的推广应用前景。

双幅整体转体跨铁路刚构桥主墩设计方案比选

广西滨海公路长坜桥主桥为2×79 m连续刚构桥,桥宽39.4 m,主梁为双幅单箱三室箱梁,左、右幅箱梁共用一个箱式双肢薄壁墩,墩高5.22 m。该桥采用先平行铁路双幅整体支架现浇后转体跨越铁路的施工方法,转体重量3.6万吨,球铰直径6.0 m。根据桥墩较矮、桥宽较宽、转体T构悬臂较大、转体吨位大、上承台受力较大的构造和结构受力特点,提出双肢薄壁墩、墙式墩、箱形空心墩3种主墩方案,从构造、结构受力、抗推刚度等方面进行综合比选。结果表明:双肢薄壁墩抗弯刚度大,可提高大悬臂转体施工状态下的结构安全性,对梁体主墩处的负弯矩起削峰作用;其抗推刚度小,可降低墩梁刚度比,改善梁体和桥墩的受力,故选择双肢薄壁墩方案。为进一步减小上承台厚度,解决矮墩身、分幅梁体、中心转铰带来的墩身受力问题,在常规整体式双肢薄壁墩的墩顶设置预应力混凝土系梁,形成箱式双肢薄壁墩。经计算,相较于整体式双肢薄壁墩,箱式双肢薄壁墩能有效减小上承台厚度,且能极大地降低主墩和上承台的应力,使结构受力更优,因此该桥最终采用箱式双肢薄壁墩方案。

基于分叉传递矩阵法的多跨连续刚构桥桥墩有效长度系数

桥墩的有效长度系数对桥墩的稳定性和强度十分重要。为解决桥墩的稳定性问题,本文建立了一种便于采用传递矩阵法求解的新颖力学模型,并基于该方法计算了多跨连续刚构桥的有效长度系数。首先,建立n跨刚构桥的一般力学模型,并利用传递矩阵法推导了其在考虑自重荷载情况下的平面内稳定特征方程,进而求得弹性屈曲载荷和有效长度系数,并将其与有限元法得到的结果进行对比,从而验证所提理论和方法的正确性。其次,研究了用碳纤维增强聚合物和超高性能混凝土加固桥墩时,桥墩有效长度系数的变化规律。最后,探讨了边跨与中跨之比、桥面梁刚度以及桥墩刚度对桥墩有效长度系数的影响。结果表明,增强整体结构刚度比增强局部刚度对提高稳定性更有效,桥梁边跨和中跨跨度对有效长度系数的影响较大。同时,还观察到碳纤维增强聚合物加固高度改变时,桥墩有效长度系数变化曲线产生了独特的双峰效应。

不中断交通下既有桥梁墩柱置换技术

广东中江高速公路扩建主线路基下穿四村立交C、E匝道桥,两匝道桥各有1个桥墩(C18号墩、E12号墩)位于下穿高速公路扩建的主线路基上,需对该2个桥墩进行置换,为下穿高速公路扩建主线路基提供建设空间。既有2个桥墩均为圆柱式双柱墩,且均为上部前、后两联连续箱梁的交接墩。考虑扩建路基空间需要及既有桥梁结构安全,在不中断交通的条件下,分别采用普通大跨径横梁和隐形横梁的门架墩置换原桥墩,并分析墩柱置换施工对匝道桥主梁受力的影响,结果表明墩柱置换后桥梁结构仍满足承载要求。置换施工时,先施工新建置换墩,待新建置换墩具备承载能力后,再切除既有桥墩,实现体系转换。为降低墩柱置换施工对桥梁运营的影响以及减少体系转换次数,C18号墩门架墩横梁包围既有桥墩立柱上部;E12号墩门架墩隐形横梁与上部主梁固结,并在伸缩缝两侧分别单独设置门架墩。

某高墩大跨连续刚构桥主墩优化设计研究

选择合理的桥墩型式是降低高墩大跨连续刚构桥造价的有效措施.以瓦厂特大桥的设计为背景,将原设计主墩采用的组合墩墩型,优化成单肢空心薄壁墩,通过建立各墩型的空间有限元模型,进行对比分析.结果表明:两种主墩墩型的梁部应力水平相当;单肢空心墩稳定性优于组合墩;在最大双悬臂施工状态下,采用单肢空心薄壁墩强度安全系数较组合墩小,但成桥后安全系数相当;采用单肢空心薄壁墩经济性优于组合墩,能大幅节省造价,在施工质量与工期方面具有明显的优势.研究结果可为今后山区同类的桥梁提供一定的借鉴和参考意义.

高墩大跨连续刚构桥施工全过程稳定性分析

本文以三门峡国道209上跨陇海铁路立交桥为研究对象,采用MIDAS/Civil建立裸墩、最大双悬臂和成桥合龙3种状态下的有限元模型,对主墩进行线性屈曲分析和几何非线性屈曲分析,计算出稳定性系数,探讨不同荷载工况下稳定性的影响因素。通过调整桥墩主要设计参数,对主墩进行稳定性影响参数的敏感性分析。结果表明:全桥施工及成桥状态下,墩顶施工荷载、挂篮荷载、温度效应和车道荷载对主墩的稳定性影响较大;在稳定性影响参数敏感性分析中,随壁厚和混凝土强度等级的提高,稳定性系数逐渐增大;墩高的增加会使稳定性系数逐渐降低,但降低速率会逐渐减缓;系梁数量和位置均会对稳定性产生显著影响;随主墩高差的减小,稳定性系数逐渐降低,桥梁结构荷载重分配,墩顶主梁弯矩逐渐降低。

高烈度区高墩连续刚构桥抗震性能研究

以高烈度近场震区铁路桥为依托,采用Midascivil软件建立了不同墩高的桥梁结构力学模型,针对多遇地震及罕遇地震2种地震工况进行数值模拟,以桥墩高度为主要参数,以模型自振频率、桥墩墩顶、墩底位移及内力变化、阻尼器作用效果等方面对其抗震性能进行评价。研究结果表明:墩高增加时,桥梁整体的振型周期增大,对于多遇地震和罕遇地震无阻尼情况下墩底的弯矩纵横向弯矩变化幅度不大,而轴力增加明显;随着墩高增加,阻尼器对于桥墩墩顶墩底的弯矩减小比例较大,减震效果比较好。

混凝土框架墩结构设计影响因素研究及对比评价

依托某高速铁路跨越漯舞铁路工程,对控制框架墩结构设计指标的多项影响因素进行系统分析,并对混凝土实心横梁和空心横梁结构设计的合理性、经济性及安全性进行对比评价。研究表明,框架墩结构对基础刚度、温度及沉降的影响较为敏感,除横梁跨中弯矩随基础刚度的增加而变小外,各截面内力均随各项影响因素指标的增大而大幅增加;在基础刚度、整体降温、基础沉降等对框架墩自身结构影响较大的因素作用下,两种横梁受力性能相当;从受力特性来说,两种横梁的刚度、强度设计指标相当,结构设计均较为合理;从经济性角度出发,空心横梁主要工程费用低4.3%,相对于实心横梁更经济;从安全性角度考虑,空心横梁能够有效避免现浇施工对既有运营铁路的影响,施工风险性更低。

铁路全钢结构框架墩设计与施工关键技术

针对传统钢横梁-混凝土立柱框架墩邻近营业线时,混凝土立柱施工周期长、钢横梁吊装难度大的问题,提出钢横梁-钢立柱全钢结构框架墩方案。以宣绩高铁跨越既有皖赣铁路工程为背景,对全钢结构框架墩进行设计及应用研究。全钢结构框架墩立柱与横梁均为钢结构,提升了结构整体性;采用轻量化设计降低吊装难度和工程投资;通过柱底混合连接构造连接框架墩钢立柱和混凝土基础,提高了安装精度和连接可靠性。对结构稳定、局部承压、疲劳强度、刚度变形等各项指标进行验算,结果表明均满足规范要求。全钢结构框架墩采用旁位拼装、整体吊装、柱底对位连接的施工方案,施工阶段采用吊装变形控制和对位引导等施工关键技术,有效提高了施工工效和安装精度。对比传统钢横梁混凝土立柱框架墩,全钢结构框架墩工程投资相当,但减小了对既有铁路运营的干扰,施工难度和施工风险均大幅降低。

大跨高墩连续刚构桥0、1号块同步施工安全技术措施研究

针对当前高墩大跨连续刚构桥0号块与1号块分段悬臂施工效率低,存在安全风险大,有诸多安全隐患的问题,论文提出一种利用“三角托架+预埋钢牛腿”形式的托架进行施工,介绍该施工方式的施工流程,并针对施工过程中存在的安全隐患提出相应的安全技术措施,包括建立安全组织机构和安全制度、重视施工用电及施工设备使用安全、重视高空作业安全等,最终实现两个号块的同步施工。

连续刚构桥双肢薄壁高墩施工阶段单墩稳定性影响因素分析

为解决大跨度连续刚构桥双肢薄壁高墩稳定性问题,以新站特大桥为工程背景,针对该桥最高双肢薄壁墩(墩高114 m),通过Midas/Civil软件建立空间有限元模型,进行了数值模拟稳定性分析;探讨了墩身混凝土强度,桥墩高度,墩身截面尺寸、截面空心率和系梁位置、数量等设计要素,对连续刚构桥的双肢薄壁墩单墩的线性稳定性影响。分析结果表明:在最高裸墩状态下,桥墩的稳定性主要由自重和施工荷载控制,顺桥向和横桥向的风荷载对高墩的稳定性影响很小;桥墩的高度、系梁设置的数量与位置对其稳定性具有显著的影响,而混凝土强度、墩身截面空心率、墩截面顺桥向宽度和横桥向宽度变化对其稳定性的影响相对较小。因此,在双肢薄壁高墩设计中应综合考虑这些影响因素,以确保墩体的稳定性。