新型空心管状翼缘钢板组合梁设计理念与力学性能

工字钢组合梁桥正朝着少主梁、精简横向联系的方向发展。与传统多主梁复杂横向联系组合梁桥相比,双主梁桥由于采用了开口截面的结构形式,极大地削弱了其抗扭能力,在偏载作用下会产生较大的变形及翘曲应力,使钢主梁处于弯扭耦合的受力状态。空心管状翼缘钢板组合梁采用空心钢管取代传统的平板上翼缘,提升了稳定性,改善了结构性能。本文通过理论分析和实体有限元法的计算,研究了单梁在自重与横向风荷载作用下的稳定性;对非组合截面的组合体系下的稳定性能进行了分析与比较,并分离出扭转翘曲应力和纵向正应力,研究了不同跨径下扭转效应的影响。最后,对横向联系、加劲肋的影响进行了分析。研究结果表明,空心管状翼缘钢板组合梁桥扭转刚度大于传统工字形截面组合梁扭转刚度,自身横向稳定性好,并且需要较少的横向联系与加劲肋,可实现单梁吊装,避免采用过多临时加固及支撑措施,提高施工效率。

中等跨径钢板组合梁截面布置优化

为了实现钢板组合梁的标准化设计,达到进一步推广应用的目的,以跨径30 m的先简支后桥面连续钢板组合梁桥为研究对象,结合目前中国钢-混组合梁桥的设计规范,以全桥造价及全桥钢材用量为目标函数,以钢板组合梁截面尺寸布置参数和主梁数量为设计变量,并以应力、变形、局部稳定和规范构造要求为约束条件,建立钢板组合梁截面参数的优化模型,并采用遗传算法展开优化分析.优化结果表明:所提算法稳定可靠、效率高,依托工程的结构截面布置有较大的优化空间.当桥宽和车道布置不变时,采用6梁式截面的全桥造价最少,相对原始设计截面可节省约13%的费用;采用4梁式截面的全桥钢材用量最少,为128.65 kg/m^(2),相对原始设计截面可节省约27%的钢材用量.优化结果可为中等跨径钢板组合梁桥的截面设计提供参考.通过经济性分析发现,当主梁间距分别取约2.3、3.2、4.8 m时,跨高比的经济取值分别为20~23、18~21、14~17.

基于Kriging模型与FORM的钢板组合梁桥结构优化设计

考虑材料参数的不确定性以及设计变量多重约束条件的影响,提出了基于可靠性分析的钢板组合梁桥结构优化设计方法。首先,利用拉丁超立方试验设计(Latin hypercube design,LHD)构建试验组合方案,并通过有限元分析获取试验设计组合下的最大挠度响应值。基于获取的训练样本,构建能够表征结构最大挠度值与随机输入之间映射关系的Kriging代理模型。基于建立的代理模型,以钢结构截面积最小化为目标函数,建立符合规范要求与可靠度约束的优化数学模型,并采用一阶可靠性方法(first order reliability method,FORM),实现设计变量优化。通过比较具有相同设计变量上限,但下限分别为初始值的80%和70%两种优化设计方案,评估了两者在相同阈值以及不同阈值下设计变量的优化结果。最后对方案二在阈值为17 mm下的优化结果进行极限状态验算。结果表明:两个优化设计方案在阈值为17 mm下的优化结果更具合理性,并且方案二在同一阈值下具有更高的优化程度。随着阈值增加,优化程度增加,且腹板高度在较大阈值下对结果影响更大,而翼缘宽度在较小阈值下影响更大。

铁路混合梁钢-混结合段受力及理论计算

为研究铁路混合梁钢-混结合段结构的受力及其理论计算公式,在既有公路桥梁钢-混结合段计算公式的基础上,提出铁路混合梁钢-混结合段截面应力、顶底板剪力连接件、承压板传力验算公式;并以主跨335 m汉巴南铁路嘉陵江特大桥为研究背景,采用有限元分析的方法探究结合段受力特性及应力纵、横向分布规律,进而开展结合段受力理论与数值计算对比分析。数值计算结果表明,结合段混凝土均处于受压状态,不同截面位置处结合段钢、混应力横向分布均存在一定的不均匀性。公式验算结果表明:结合段混凝土应力均受压,满足截面应力验算要求;剪力连接件的抗力系数介于1.30~4.49,结合段剪力连接件具有良好的安全储备;承压板抗力系数介于3.18~10.08,表明前后承压板抗力远大于计算传力荷载,并具有优化的空间。理论公式计算的结合段顶底板混凝土应力、剪力钉应力与有限元计算结果总体相近,在修正后可用于钢-混结合段的防开裂/脱离、抗剪受力计算。

钢板结合连续梁桥结构噪声分析

为了探究钢板结合梁桥的振动噪声,建立车-轨-桥耦合动力分析模型,获得了列车与桥梁的动力反应,后将此动力反应作为声学边界条件求解得到了钢板结合梁桥的结构噪声辐射,并对噪声辐射影响参数进行了探究.研究表明,列车过桥时,桥梁的结构位移呈现出周期性变化,各测点的竖向加速度均大于横向加速度;全桥结构噪声表现为全频段内均有衰减,高频区段衰减速率较低频段快;当车速提高时,各场点的总体声压级逐渐变大,车速从200 km/h升至260 km/h时,各场点声压级的上升幅度更大;双向行车时总体声压级显著增加,但各板件在峰值声压级时的贡献量比例无显著变化;有板肋时,顶板声压级贡献量较上翼缘板的更大,无板肋时则相反.添加板肋能够对局部结构进行优化,但对于整体的降噪效果影响不大.本桥板肋布置间距宜在5.2m左右.

高铁箱梁桥顶板纵向加筋对其声振特性的影响

伴随着高速铁路箱梁桥的大规模建设,列车经过时引起的高架桥低频声辐射问题已成为限制其发展重要因素之一。为了缓解列车经过箱梁桥时的声辐射问题,有必要开展桥梁降噪措施研究。以高速铁路箱梁桥为研究对象,对箱梁桥顶板增设纵向筋板,采用多体系统动力学软件UM及有限元-边界元方法建立车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型和声学预测模型,对原结构箱梁桥和加筋板箱梁桥的振动加速度、辐射声功率、线性声压级和声场分布等进行分析,研究顶板纵向加筋对箱梁桥声振特性的影响。研究结果表明:增设纵向筋板后箱梁桥各个板件振动加速度都明显减小,在顶板处减幅最大;增设纵向筋板后箱梁桥的辐射声功率和声压级明显降低,降噪效果良好;其对桥上声场的降噪效果好于桥下和桥侧声场。

中美标准锅炉大板梁分段设计方法对比

为降低运输成本、满足吊装及运输条件,660 MW及以上锅炉大板梁一般需要在高度方向和长度方向采用分段设计,形成分段式叠梁,高度方向和长度方向的连接均采用高强度螺栓连接。结合贵州某660 MW锅炉具体工程实例,给出了锅炉分段式叠梁运用中国GB 50017—2017《钢结构设计标准》和美国ANSI/AISC 360-16 Specification for Structural Steel Buildings(LRFD方法)的翼缘拼接、腹板拼接、叠合面翼缘拼接的设计方法。对于分段连接所用的高强度螺栓,美国规范计算得到的单颗螺栓承载力较大,螺栓数的需求较少,中国标准偏于安全。对于分段连接处板材,采用美国规范计算的应力系数低于采用中国标准计算的应力系数。对于大板梁分段设计,中美规范的安全水准基本一致,中国规范略偏保守。研究结果为锅炉分段式叠梁的连接设计提供了参考。

曲线连续钢箱梁设计要点分析

由于钢箱梁具有结构高度低、跨越能力大、自重轻、抗弯和抗扭刚度大、强度高及施工速度快等优点,在大跨度曲线桥梁中应用越来越广泛。由于曲线桥梁受力状态非常复杂,处于一种弯、剪、扭的复杂受力状态,设计过程应进行详细计算。通过工程实例,从总体布置、构造、受力特点、建模与计算对曲线钢箱梁的设计和计算要点进行了详细研究,为同类型桥梁的设计提供参考和借鉴。

钢箱梁横隔板优化布置对顶推施工力学性能的影响分析

针对斜交连续钢箱梁的横隔板布置方式,提出在钢箱梁斜交支撑位置处加密设置正交横隔板,通过建立钢箱梁的有限元全桥模型,对不同横隔板布置方案进行了对比分析。在顶推最不利工况下,分析了不同横隔板布置方案下的结构内力、挠度、支座反力、局部应力及扭转变形,验证了新型横隔板布置方案的可行性。结果表明,新型横隔板布置方案与常规布置方案在支座反力及弯矩分布上基本一致,优势主要体现在易于加工制造、整体自重较小且能显著减小支撑区域应力水平。新型斜交连续钢箱梁横隔板优化布置方式在顶推施工中满足强度设计要求。

分体箱梁中央隔涡板涡激振动抑制机理研究

借助风洞试验和计算流体力学对分体钢箱梁的涡激振动性能及中央隔涡板的抑振效果与机理开展研究,对比不同形式(水平隔涡板、一道竖向隔涡板、两道竖向隔涡板)和尺寸中央隔涡板的抑振效果,并根据流迹与速度云图对不同形式中央隔涡板的抑振机理进行分析。结果表明:开槽顶部水平隔涡板能够阻碍开槽处的气体对流,降低开槽内部及断面周围气流速度,增加旋涡移动和脱落难度,从而在一定程度上抑制涡激振动,抑振效果随隔涡板宽度增大而增加;开槽内部竖向隔涡板能够将旋涡稳定在隔板分隔出的几个小区域内,避免产生稳定的旋涡脱落,进而有效抑制涡激振动,设置两道半高竖向隔涡板比设置一道全高竖向隔涡板效果更好,但需对两板间距进行优化。

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥关键施工技术研究——以九绵高速平武涪江特大桥为例

文章主要探究波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥关键施工技术,助力提高箱梁桥施工质量。以九绵高速平武涪江特大桥为例,简要分析波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥力学性能,从波形钢腹板施工、钢筋施工、模板施工、混凝土施工、预应力施工这几方面出发,提出关键施工技术应用措施,以期为相关工作者提供参考。

钢箱梁正交异性板加劲肋计算分析

正交异性钢箱梁具有抗扭刚度大、横向抗弯刚度大、整体性强、工厂化程度高、工期短等优点。同时顶板还可以兼做桥面系梁使用,总用钢量较同跨度钢箱梁少,在各种桥型中得到了广泛的应用。然而正交异性钢箱梁顶板所用钢板较薄,是典型的薄壁结构,在轴向压力较大时容易产生畸变或过大的局部变形,从而导致桥梁垮塌。运用有限元计算软件建立模型对钢箱梁正交异性板加劲肋进行计算分析,发现纵向加劲肋中心间距的变化对顶板跨中处的最大横向应力不产生影响却对第二体系应力影响较大,钢箱梁正交异性板的最大计算应力随着加劲肋间距的增大而增大,但被加劲板的控制应力则随着加劲肋间距的增大而减小。

基于抗扭刚度的钢板组合梁桥横向稳定性研究

钢板组合桥梁性能优异,但在偏载作用下有可能发生横向失稳,因此保证其横向稳定性十分重要。文章采用有限元分析研究了考虑抗扭刚度的钢板组合梁桥的横梁间距对内偏及外偏布载下钢板组合梁桥横向稳定性的响。结果表明横梁间距对内偏及外偏作用下纵桥向弯矩无明显影响,外偏布载相较于内偏布载对钢板组合桥梁横向稳定性的影响更显著,因此需严格控制车道外偏荷载的大小。该研究能够为今后钢板组合梁桥的设计提供参考。

波形钢腹板组合箱梁动力特性分析

以哈密顿原理为基础,综合考虑剪力滞、手风琴效应的影响,推导了组合箱梁的控制微分方程及其闭合解,分析了剪力滞、手风琴效应等参数对组合箱梁动力特性的影响。结果表明:计算结果与有限元值吻合良好;剪力滞和手风琴效应对组合箱梁的竖向刚度有减小作用;随箱梁高跨比的增大,频率阶数的升高,手风琴效应和剪力滞的影响表现越明显;不同波纹钢腹板型号对组合箱梁的竖向刚度影响较小。

大跨径箱梁桥拼接缝受力性能研究

为研究大跨径箱梁桥拓宽拼接缝的局部受力性能,考虑拼接缝材料、连接构造、接缝宽度3个因素,采用ABAQUS有限元软件,建立拼接缝模型,施加新旧桥之间基础沉降差、混凝土收缩徐变差等作用,对比分析拼接缝的变形、最大应力。结果表明拼接缝采用高延性水泥基复合材料(ECC)比超高性能混凝土(UHPC)更能满足大跨径桥梁拼接处受力和变形的要求;相比于普通钢筋,配置波形钢板能发挥拉伸效应,接缝与两侧箱梁主体整体受力更协调;接缝宽度增大,能降低两侧箱梁的应力,但不能充分发挥波形板的整体抗拉作用。通过分析提出拼接缝优化方案,为大跨径箱梁桥拓宽设计提供参考。

单线小曲线切翼缘简支箱梁施工技术研究

主要研究了在高铁车站出站口变线处及其他特殊周边环境下曲线半径过小导致梁缝的宽度过大不能保证线路的平顺性,以及由于桥梁景观的要求而进行的箱梁特殊设计及施工的问题。分析了在曲线半径过小的情况下,桥梁设计中的处理原则和方法,以及在预制过程中模板设计的要点、支座板的位置、接地端地的位置、接触网及下锚拉线的位置、桥面无砟轨道预埋套筒的位置、钢筋尺寸、张拉力的变化等质量控制要点。

在役钢板组合梁桥的时变体系冗余性

为研究多梁式钢板组合梁桥应对非对称极端作用的体系非线性冗余性能,沿着结构的传力路径和体系的再平衡过程,辨识了体系承载的3种弯曲失效模式,推导了体系弹性分配和塑性再分配能力的定量评价新指标,建立了考虑承载机制经时变异性的时变体系冗余性评估方法。基于MATLAB/OpenSEES编制了单元纤维的时变演化参数组管理程序,研究了材料劣化对体系再平衡和内力重分配性能的影响规律;采用数值增量算法,开展了结构在非对称荷载下的弹塑性全过程分析,并通过与构件-体系层次的破坏性试验对比验证了数值模型的准确性,进而建立了基于纤维宏单元的时变体系非线性冗余数值模拟方法。研究结果表明:材料劣化会导致体系从多梁协同承载机制向单梁承载机制转换,并引起构件延性、体系冗余性和可靠性发生不同程度的退化;更适应现场快速装配需求的少主梁或少横联形式容易在服役年限出现构件安全性和体系冗余性不足的情况。主梁、中部横联和端部横联的失效对体系承载性能影响较大,为钢板组合梁桥的关键构件,其他横联的敏感性较低,为非关键构件。

钢桁梁斜拉桥横向结构体系设计

中山某特大桥主桥桥跨布置为(136+312+880+312+136)m,桥梁全长1776 m,为双塔钢桁梁斜拉桥。主梁采用双主桁+板桁结合结构。主桁桁宽42.2 m,是目前国内跨径最大、桥面最宽的双层公路钢桁梁斜拉桥。横向结构体系占比大,本桥的横向结构体系设计显得尤为重要。设计对横梁体系和纵横梁体系进行了研究,采用有限元软件ANSYS建立钢桁梁局部模型,对两种结构体系的竖向刚度、桥面板应力、U肋应力进行了对比分析,分析结果表明两种结构体系均满足要求。同时,借鉴同类钢桁梁斜拉桥的成熟经验,对两种横向结构体系的经济性进行比选分析,在节间距为12.8 m的情况下,经济性相当,节间距增大至14 m时,纵横梁体系经济性更具优势。由于边跨采用混凝土桥面板进行压重时,纵横梁体系中的主横梁受力较大,需要增大梁高,考虑到全桥景观效果的一致性,本桥横向结构体系采用横梁体系更优。

预应力CFRP板加固多跨连续梁桥纵向受力相互影响分析

为研究预应力CFRP板加固多跨连续梁桥各跨纵向受力相互影响关系,本文基于新沐河连续梁桥工程背景,建立了连续梁桥预应力CFRP板加固模型。研究了预应力CFRP板加固多跨连续梁桥跨间的相互影响规律及预应力锚固位置对加固效果的影响规律,最后给出了全桥各跨达到一致加固效果时各跨张拉预应力比值。研究结果表明:多跨连续梁桥预应力CFRP板加固会引起相邻奇数跨挠度增加,相邻偶数跨产生反拱效应,对相邻第二跨后的影响明显减小;相较于简支梁桥,连续梁桥的邻跨对加固效果有削弱抑制的效应,抑制效应与加固跨所在的位置有关;中间跨与其邻跨张拉预应力比值为1∶0.3时能有效减小对邻跨的影响且对加固跨的加固效果影响较小,对桥面的平顺性影响最小。

高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥稳定性研究

为研究高速铁路大跨度钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定性,依托主跨300 m深茂铁路虎跳门水道特大桥,采用有限元软件ANSYS建立以梁单元为主的空间杆系有限元模型,对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥开展线弹性稳定分析,并进行考虑几何初始变形及材料弹塑性的非线性稳定性分析。结果表明:在弹性稳定分析下,该桥梁的一阶失稳形式为主梁整体纵飘及塔纵弯失稳,二~四阶均为桥塔处的主梁下弦杆首先出现横向偏位而局部失稳;在运营阶段弹性稳定系数最小为7.639,第二、三阶和第四、五阶稳定系数分别相同且失稳形式为对称失稳;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)后,一阶稳定系数减小6.39%;考虑非线性因素影响后稳定系数降低明显,仅考虑几何非线性因素的影响后一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低11.23%、9.01%和10.13%,而考虑几何及材料双重非线性因素影响后,一阶、二阶和四阶稳定系数分别降低67.78%、60.63%和52.56%,表明材料非线性对铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数影响更为显著;考虑最大几何初始变形(k=L/1 000)以及双重非线性因素影响后,铁路钢桁架-混凝土板组合梁斜拉桥的稳定系数为1.985,大于规范1.7的要求。