简支变结构连续小箱梁桥负弯矩区UHPC-NC组合桥面板抗裂性研究

针对当前简支变结构连续小箱梁桥负弯矩区钢束易堵孔、运营中桥面开裂病害等问题,提出一种无负弯矩钢束的UHPC-NC组合桥面板结构。以一座3×30 m简支变结构连续小箱梁桥为研究对象,以正常使用极限状态梁体不开裂为控制准则确定UHPC合理构造尺寸,对所提出的负弯矩组合桥面板结构进行1∶2的缩尺模型试验。试验显示:裂缝首先出现于UHPC-NC交界面处的普通混凝土部分,随后逐渐向UHPC层沿伸,且C50混凝土开裂、梁体破坏对应的截面弯矩分别为3 520,9 152 kN·m(考虑1∶8弯矩缩尺比),大于正常使用极限状态、承载能力极限状态梁体截面弯矩3 300,5 838 kN·m,即该组合桥面板结构满足小箱梁的抗裂与承载能力要求。基于试验结果建立精细化有限元模型,采用参数分析法研究UHPC厚度对梁体开裂荷载、极限承载力等方面的影响。结果表明:梁体开裂弯矩主要由UHPC上覆层厚度决定,相较于普通钢筋混凝土梁,5 cm厚的UHPC上覆层可将梁体开裂弯矩提高28.9%,7.5 cm厚的UHPC上覆层可将梁体开裂弯矩提高41.6%;在配筋率不变的情况下,增大UHPC层厚度对梁体承载力无显著提升。综合考虑梁体受力性能以及施工便利性,建议背景工程UHPC厚度取10 cm。

斜拉桥索塔锚固区环向预应力筋优化方法研究

为防止斜拉桥索塔锚固区开裂、改善锚固区应力分布,基于遗传算法结合三维数值仿真提出一种索塔锚固区环向预应力筋优化方法,该方法利用数值仿真模型识别混凝土待优化区域,将张拉系数作为设计变量,建立数学优化模型,再结合遗传算法不断迭代优化设计变量,使索塔锚固区达到最优应力状态。以溧宁高速公路景宁高架段斜拉桥为背景,通过数值仿真和足尺模型试验,建立优化模型并采用遗传算法以锚固区应力水平为优化目标对索塔锚固区环向预应力筋进行优化迭代,并依据实测预应力损失修正优化方案。结果表明:环向预应力筋能为锚固区塔壁提供6~8 MPa的预压应力,可有效增强锚固区塔壁的抗拉能力;足尺模型试验实测预应力损失约为10%,且通过试验测得的应力值与理论计算值相吻合,数值仿真结果准确;采用最终得到的预应力方案可使索塔锚固区最大拉应力降低27.1%,有效改善锚固区应力分布状况。

船舶撞击内河桥梁下部结构力学特性研究

为研究内河桥梁下部结构在船舶撞击下的受力特性,依托安康市汉江一桥,开展水平冲击荷载作用下的单桩冲击力室内模型试验,在通过室内模型试验结果验证数值模型有效性的基础上,建立汉江一桥下部结构模型,研究分析其受船舶撞击下的船撞力、位移及损伤特性。研究结果表明:船桥碰撞产生的船撞力可分为直接撞击阶段与残余力撞击阶段,船桥碰撞问题的研究可仅采用直接撞击阶段;桥梁下部结构的刚度越大,船桥碰撞的接触时间越短、船撞力峰值越大;船舶撞击桥梁下部结构不同位置的最大位移变形主要出现在各部件的连接处,桩基的中性点主要出现在桩顶附近与桩身下半段;进行桥梁下部结构防撞设计时,应重点关注桥墩与承台连接处,承台与桩基连接处的强度问题。研究结果可为内河桥梁的防撞设计与相应的规范规程提供参考。

高速列车振动荷载作用下桥隧交叠结构动力响应特性研究

为研究桥隧结构在高速列车振动荷载作用下的动力响应特性,通过数值模拟和模型试验相结合的方法,以频响函数和峰值加速度为评价指标分析单点振动荷载作用下桥隧结构动力响应规律。依托西安地铁14号线下穿大西高速铁路特大桥基础工程,采用有限元计算软件建立数值模型,研究高速列车移动荷载作用下桥隧交叠结构的动力响应特性。研究结果表明:全频域单点扫频振动荷载作用下,桥隧交叠结构的动力响应随着频率的增加而增大,隧道不同位置处的动力响应呈现明显差别,靠近桩基一侧拱腰的动力响应明显大于拱顶和拱底,平均差值分别为2.48 dB和4.15 dB。考虑列车振动荷载的移动效应会增大桥隧交叠结构的动力响应,移动荷载作用下拱顶处的峰值加速度增加约358%,靠近桩基一侧拱腰处增加约358%,远离桩基一侧拱腰处增加约280%,隧道拱底处增加约206%。此外研究发现,隧道结构动力响应均在距离桥隧交叠结构附近约10 m处开始迅速增强,超过10 m范围内动力响应变化趋于稳定,应加强靠近桥隧交叠结构10 m范围内的监控量测。

不同温度速率下桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道热力学性能研究

针对我国CRTSⅡ型板式无砟轨道的复杂温度荷载效应,重点研究不同温度速率变化对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构热力学性能的影响。通过大型环境模拟试验箱,开展简支箱梁上5块CRTSⅡ型板式无砟轨道的1∶4几何缩尺模型的温度试验,对比分析3种环境温度变化速率下无砟轨道内的温度和应力分布特征;建立两端自由和两端约束条件下缩尺模型的热传导数值模型,验证了该数值模型的有效性,分析了两种约束条件下无砟轨道-箱梁结构的三维温度场、应力场和位移的变化规律。结果表明,随着温度变化速率下降,无砟轨道-箱梁结构的竖向位移和温度变化幅值在增大,但竖向多层的温度和位移数值在下降;结构的应力、轨道板轴力也不断增大,特别是温度变化速率从0.67℃/min下降到0.44℃/min时。此外,两端自由的纵向应力和竖向位移均比两端约束的小,但其温度要大于两端约束的,约束边界条件会加速轨道内热传递过程。

闸站并列布置工程泵站前池流态改善

为研究闸站并列布置工程泵站运行时清污机桥位置对前池内水流流态的改善效果,以南水北调东线刘山泵站工程为例,基于Navier-Stokes方程和Standard k-湍流模型对前池原设计方案和改进设计方案的进水流场进行了定常数值模拟,分析比较不同开机组合时前池流场分布和流道进口后断面的流速分布均匀度及速度加权平均角度,并进行水工模型试验验证。结果表明:原设计方案前池在4号和5号机组进水流道进口前存在回旋区,4号机组流道进口前产生有害吸气旋涡;改进设计方案前池将清污机桥整体向泵房方向移动25 m,并将节制闸与泵站间导流墙长度减短使其头部与清污机桥墩齐平,不仅消除了4号机组流道进口处有害吸气涡,还将4号机组进水流道进口流速分布均匀度平均提高2.5%,泵站进水流态改善显著。通过调整泵站进口清污机桥桥墩位置解决了前池流态存在的问题,不需再另增底坎、立柱和导流墩等措施,研究成果可为同类型工程研究提供参考。

涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁抗爆性能试验与数值模拟

为研究爆炸荷载作用下涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁的抗爆防护效果,以山东湖南路大桥为背景,通过试验和数值模拟结合的方法对自锚式悬索桥主梁的爆炸破坏特征和动力响应进行研究。采用2发3 kg TNT和1发5 kg TNT药柱,开展1∶3缩尺节段箱梁试件的2发单次爆炸试验和1发重复爆炸试验,分别编号为G(未涂覆聚脲箱梁)、PCG(涂覆聚脲箱梁首次起爆)、PCGR(涂覆聚脲箱梁二次起爆),试件顶面涂覆聚脲厚度为1.5 mm。通过LS-DYNA软件进行试件爆炸响应数值模拟及验证。研究结果表明,聚脲涂层可有效增强混凝土箱梁的抗爆性能,3 kg TNT在中间箱室上方0.4 m处首次起爆时,试件G中间箱室顶板形成贯穿性椭圆形破洞;试件PCG中间箱室顶板未贯穿,仅发生轻微的局部凹陷;5 kg TNT二次起爆后,试件PCGR中间箱室顶板出现近似圆形贯穿性破洞,1号和3号箱室在支撑处出现明显裂缝。涂覆聚脲后自锚式悬索桥主梁抗爆性能得到至少20%的提升,300 kg、500 kg、800 kg、1000 kg TNT当量作用下,未涂覆聚脲主梁顶板混凝土均出现贯穿性破洞;涂覆聚脲后仅在TNT当量为1000 kg时发生轻微贯穿。

钢箱梁局部稳定计算与横隔板受力研究

针对截面形式和构造复杂的正交异性钢箱梁,采用数值仿真与模型试验的方法,对钢箱梁的局部稳定与横隔板受力开展分析与研究。研究结果表明:在100 MPa轴压荷载作用下,主梁梁段处于弹性阶段,横隔板基本处于受拉状态,试验与数值计算结果吻合良好;在进行第一类稳定线性分析时,横隔板在横桥向拉应力作用下发生屈曲失稳,第1阶屈曲系数为-1.202,第380阶为-5.1;模型试验失稳破坏时的轴向荷载为2 160 t,此时除横隔板外大部分板件已进入塑性状态,属材料强度破坏,表明钢箱梁设计合理,节段稳定性能良好。研究结果可以给薄壁钢箱梁的设计与施工提供参考。

基于车辆防护特性的新型桥梁景观护栏设计研究

为保障车辆和深中通道桥梁主体结构安全,同时兼顾桥梁人文景观,研发一种新型桥梁景观护栏。该护栏为金属梁柱式护栏,立柱采用不规则六边形,属于晶体切面的几何构造,与深中通道伶仃洋大桥桥塔设计相呼应,横梁采用圆形,立柱与横梁组合美观大方;考虑车辆外倾和不同车型碰撞特性以及经济性,采用仿真分析技术对护栏高度和横梁厚度进行多方案比选,确定护栏设计高度为1.55 m,由上到下横梁厚度分别为8,8,6,4 mm。对护栏进行实车足尺碰撞试验,试验结果表明:该护栏阻挡功能、缓冲功能及导向功能良好,其防护等级能达到六(SS)级。

异形截面斜拉桥索塔锚固区节段足尺模型试验研究

通过对哈尔滨绕城高速公路四方台松花江大桥索塔锚固区的节段足尺模型试验,研究了主塔预应力束的施工工艺,进行了索塔模型在环向预应力束及拉索作用下的应力和变形分析,确定了索塔锚固区的抗裂安全系数并对模型进行了计算机仿真分析;由其结果与试验实测值的比较,得到了一些有益的结论。研究的部分成果已应用于实桥结构,对主塔结构的优化设计起到了一定的指导作用。

超大跨度悬索桥隧道锚承载特性的岩石力学综合研究

针对四渡河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1∶12实体模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚与围岩岩体变形机制、时效特征及超载安全性等方面开展系统研究。结果表明,通过岩石力学试验及基于实体模型试验获得的隧道锚围岩弹塑性及流变参数符合实际;在设计水平下,隧道锚锭围岩变形在mm级水平;隧道锚极限抗拉拔力≥7.6倍设计载荷,满足锚固安全系数>4.0的设计要求;实桥隧道锚碇的长期安全系数≥2.6。通过工程实际施工过程中的监测实施,对研究成果和结论的合理性进行验证。研究技术路线及成果可供山区类似桥梁建设借鉴。

悬索桥重力式锚碇结构变位规律研究

采用室内相似模型试验和数值模拟方法,对某悬索桥重力式锚碇变位问题进行了研究。相似模型的几何相似常数为1:100,体积力相似常数为1:1.325。数值模拟取相似模型试验条件,土体服从摩尔-库仑准则,锚碇和围护结构视作弹性体,选用模型试验相似材料实际参数。研究表明,软土中锚碇结构的变位随锚拉力变化的规律为:在锚拉力作用下,锚碇不仅向前水平位移,而且产生前端下沉、后端隆起的刚体转动,变位随锚拉力的增加呈非线性增大。锚碇基础下部地基加固、锚碇基坑围护结构以及锚碇周围土体对提高锚碇稳定性具有积极作用。

新型铁路钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构传力机理及应力分析

针对大跨度铁路斜拉桥活载重、索梁锚固区应力幅度变化较大等特点,宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥采用了全新设计的双挑式索梁钢锚箱。作为双挑式索梁钢锚箱的主要受力构件,支承板和承压板分别通过其双侧焊缝与主梁边腹板和风嘴板焊接在一起,形成由主梁风嘴板与边腹板共同承受并传递索力的新型索梁锚固结构。采用仿真分析与模型试验相结合的方法,进行该新型索梁锚固结构传力机理及应力分布的研究。结果表明:采用新型索梁锚固结构后,通过支承板与主梁边腹板和风嘴板间的连接焊缝,以受剪的形式将大约94%的斜拉索索力传递给钢箱主梁;虽然新型索梁锚固结构的各关键受力构件均存在一定程度的应力集中,但与传统的钢锚箱相比,可有效解决偏心弯矩引起支承板焊缝顶端应力集中严重的问题。

基于离心模型试验的路桥变形耦合特性数值模拟研究

基于离心模型试验,采用有限差分仿真法建立路桥过渡段三维数值分析模型。通过数值模拟计算结果和离心模型试验结果的对比分析,证明了所建立的模型可合理预测路、桥台变形耦合特性。数值分析结果表明:①距台背不同位置过渡段路基面沉降均随过渡段地基处理程度的加强而减小,离台背距离越近,路基面的沉降坡度越大;②桥台沉降稳定后再填筑路基有利于减小桥台自身的水平位移及台背处的差异沉降值。填筑时应注意填筑速率,重点关注桥台及过渡段路基的整体稳定性和过度的不均匀下沉,防止地基因填土堆载发生滑动破坏及路基层状几何形态的变坏所引起的路基刚度的急剧下降;③不同地基处理程度情况下路桥衔接处均存在差异沉降,因此,有必要在桥头设置搭板将路桥交界处的台阶式跳跃沉降变成斜坡式连续沉降;④过渡段路基收敛沉降值与桥台的水平位移和倾角成正相关性,在数值计算的基础上提出了台后20m处过渡段路基收敛沉降值这一控制指标,并将台后过渡段填料的容许剪应变引入到过渡段设计中。

桥墩附近流场分布及对通航船舶的影响

基于桥区船舶通航模型试验,分析桥墩附近流场对桥区船舶通航受控运动和失控漂移运动的影响。采用CFD技术对桥墩周围三维流场进行数值模拟。综合试验结果和数值分析,提出影响桥区船舶安全通航的流速范围和通航宽度。

基于两阶段响应面方法的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型修正

以灌河大桥为工程背景,建立了结构精细有限元模型和多尺度有限元模型,并进行全桥环境振动试验,以获取结构的实测动力特性.基于两阶段响应面方法,分别对多尺度模型与精确有限元模型之间的误差和初步修正后多尺度模型与实际结构之间的误差进行修正,并将修正后结果与实测值进行比较.结果表明:经过两阶段响应面模型修正后的计算结果与实测结果吻合较好,最大频率相对误差不超过8%,模态保证准则MAC值基本在90%以上,说明两阶段响应面方法能够较好地进行多尺度模型修正,保证修正后的模型参数仍然具有其物理意义;修正后的有限元模型可以进一步应用于多尺度损伤识别及损伤预后,服务于桥梁健康监测及安全评估.

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验数值模拟方法研究

直接针对大型振动台模型试验,建立液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用数值模拟的二维分析模型和计算方法。根据桩基平面应变假定,将空间桩体转换成平面板桩,并考虑桩的尺寸效应;基于桩截面节点位移协调条件和平衡力系等效原理,建立四结点梁单元刚度矩阵且对Timoshenko梁杆单元刚度矩阵进行增广修正,以考虑桩的横向尺寸影响桩周土位移场分布的尺寸效应。根据有效应力原理进行土动反应分析,采用满足M asing准则的修正双曲线模型描述土动力变形的本构关系,同时考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性。采用并联弹簧-阻尼器模拟计算域人工边界,以考虑边界波的反射作用对体系动力反应的干扰和土粘滞阻尼的影响。采用W ilson-θ逐步积分法计算体系的地震反应。通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性。

宜昌伍家岗长江大桥隧道锚设计与研究

宜昌伍家岗长江大桥为(290+1160+402)m双塔简支钢箱梁悬索桥,江北侧为国内千米级悬索桥首次在软岩上修建隧道锚。通过地质钻孔、室内试验、斜硐勘探、原位试验等多种方式研究确定合理的岩体力学参数进行隧道锚设计。隧道锚轴线长90 m,其中锚塞体段长45 m,倾斜角度为40°;前锚面尺寸为9.04 m×11.44 m,后锚面尺寸为16 m×20 m。通过室内模型试验和现场缩尺模型试验,结合数值模拟分析掌握隧道锚与围岩的破坏变形模式和流变特征,确定隧道锚的承载力为8P,保证了结构的安全稳定。

特大跨径钢桁拱桥施工过程模型试验

为探讨重庆朝天门长江大桥主桥施工过程中的力学行为,提高施工安全性,对该桥主桥施工全过程进行了1∶40的缩尺模型试验,研究了主桥的施工工艺,量测并分析了各控制工况下主桥各关键杆件的应力.对模型桥模拟施工全过程进行计算机仿真,并将仿真结果与模型测试值进行了比较.结果表明:模型试验可以较好地模拟原型桥施工过程中的受力状态;该桥最大拉应力和最大压应力均出现在单排扣索最大悬臂工况,且未超过规范限值;刚柔系杆分级转换比一次转换更为平稳可行.

非通航孔桥梁防船舶撞击新型拦阻技术

针对现有非通航孔桥梁防船撞技术的不足,提出适用于江海长桥非通航孔桥梁防船撞的新型自适应、恒阻力船舶拦阻技术。自适应、恒阻力船舶拦阻系统由系泊趸船、系泊锚链和混凝土沉块、自适应浮筒、高强度拦阻网、触发钢索以及恒阻力耗能装置组成,其工作原理为:偏航船舶撞击拦阻系统后,自适应浮筒带动拦阻网从水平状态竖起展开,包裹住来撞船首,再通过恒阻力耗能装置吸收船舶动能,拦截住船舶。通过缩尺比模型试验和实船撞击试验模拟该系统拦截船舶的过程,验证了该系统的可行性及工程设计的可靠性;采用水动力计算软件ANSYS-AQWA进行全尺寸数值仿真,仿真结果与试验结果基本一致。