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.

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。

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。

钢板结合梁斜拉桥桥面板剪力滞效应分析

为研究钢板结合梁斜拉桥混凝土桥面板的剪力滞效应,以泸州河东长江大桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立主桥空间有限元模型,计算各阶段钢板结合梁混凝土桥面板剪力滞系数,与规范计算结果进行对比,并分析桥面横坡对桥面板剪力滞系数的影响。结果表明:桥塔根部截面施工阶段、通车阶段和运营阶段桥面板剪力滞系数分别约为1.4、1.203和1.46,剪力滞效应明显大于其余截面。现行《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)和《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)对桥塔根部截面剪力滞系数计算偏安全,对跨中截面,前者计算结果与实际受力不符,后者通车阶段、徐变后期及运营阶段的计算结果与有限元计算结果较接近,但施工阶段最大悬臂状态计算结果偏小。桥面横坡每增加1%,桥面板剪力滞系数约增大5%,工程设计中应根据实际建桥条件选择合理的桥面横坡。

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。

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。

单箱双室波形钢腹板-钢底板组合梁滑移效应研究

为了解剪切变形、剪力滞效应及滑移效应对单箱双室波形钢腹板-钢底板组合梁力学性能的影响,基于能量变分原理,推导该类组合梁的总挠度、界面滑移量及正应力解析解。以某等截面简支单箱双室波形钢腹板-正交异性钢底板组合梁为背景,通过理论分析、模型试验和有限元计算相结合的方法,分析考虑滑移效应的组合梁关键截面总挠度、界面滑移量及混凝土顶板横向正应力。结果表明:在集中荷载作用下,组合梁的总挠度、界面滑移量和横向正应力的解析解与实测值及有限元解吻合良好;由于附加弯矩的存在,剪切变形及界面滑移效应对组合梁总挠度的影响均不能忽略;组合梁的总挠度和界面滑移量随剪力钉抗剪刚度的增大不断减小,但减小的趋势逐渐放缓。施工设计时,可将剪力钉的抗剪刚度控制在挠度变化趋于平缓的范围内。

钢底板波形腹板组合箱梁疲劳特性研究

研究目的:结构的疲劳细节对其疲劳破坏至关重要,为了分析钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁的疲劳细节及疲劳寿命计算方法,为该类型结构的疲劳设计提供参考,制作缩尺试验梁模型,并对其进行疲劳试验,得到这种新型结构的疲劳破坏特征。结合模型试验,利用数值模拟和断裂力学分析方法,对新型组合箱梁的疲劳寿命计算及疲劳细节分类进行研究,并采用线性损伤理论对结果进行分析验证。研究结论:(1)钢底板波形腹板-混凝土组合箱梁在疲劳荷载作用下,其疲劳裂纹首先出现在底板与两侧腹板焊缝折角处,说明该处是新型组合箱梁重要的疲劳细节;(2)根据线性损伤理论,新型结构的疲劳细节分类总体上位于AASHTO规范疲劳类别的B类与C类之间,高于B′曲线下界值,低于B′曲线中值;(3)采用数值模拟和修正后的断裂力学方法得到的S-N曲线计算出的总损伤累积值误差分别为3%和6%,说明两种曲线均适用于新型钢混组合结构的疲劳寿命计算;(4)本研究成果可为钢底板波形腹板组合箱梁疲劳细节分类及疲劳设计提供参考或借鉴。

钢板-混凝土组合梁桥的活载结构效率指数研究

为综合考虑钢板-混凝土组合桥梁的工程经济性和整体刚度,并对其量化评估,引入一种新的评价指标——活载结构效率指数(ILLSI)。该指数结合了桥梁结构的用钢量和活载作用下的挠度。对简支方案和连续方案下的ILLSI计算公式进行了理论推导,并与数值计算结果进行了对比验证。以交通运输部发布的《装配化工字组合梁钢桥通用图》为蓝本,采用ILLSI评价指标分别对双主梁、四主梁、五主梁方案进行评估,提出了ILLSI指数95%的置信区间。结果表明:对于ILLSI指数95%置信区间,在跨径为20~40 m时,双主梁简支方案为77.45~217.38 m·kN^(-1),四主梁简支方案为39.04~120.80 m·kN^(-1),五主梁简支方案为35.27~117.57 m·kN^(-1);在跨径为30~60 m时,双主梁连续方案为101.60~339.93 m·kN^(-1),四主梁连续方案为55.15~174.96 m·kN^(-1),五主梁连续方案为52.94~165.58 m·kN^(-1)。当跨径一定时,双主梁方案的ILLSI指数大于多主梁方案的ILLSI指数,四主梁方案的ILLSI指数略大于五主梁方案的ILLSI指数,但二者相差较小;工字钢-混凝土组合主梁的应力占比随ILLSI指数的增大而减小,且呈幂函数的变化规律;双主梁、四主梁、五主梁简支方案的ILLSI指数95%置信区间所对应的应力占比区间平均值为35%~67%。

基于动态贝叶斯网络及构件性能退化的钢板组合梁桥时变可靠性分析方法

为分析构件性能退化对钢板组合梁桥可靠性的影响,提出一种基于动态贝叶斯网络(Dynamic Bayesian Network,DBN)的时变可靠性分析方法。该方法首先依据材料劣化公式建立钢板组合梁桥抗力退化模型;然后基于DBN构建组合梁桥构件性能退化初始模型,利用钢板组合梁桥抗力退化模型随机生成不同变量组合作用下的抗力数据,对该初始模型进行训练,通过参数学习得到DBN先验模型及节点条件依赖关系,并加入观测节点及可靠度节点,建立适用于可靠性分析的DBN模型;最后输入桥梁检测数据,实现桥梁可靠度指标更新。采用该方法和蒙特卡洛法对某钢板组合梁桥时变可靠性进行分析,结果表明:2种方法预测结果基本一致,该方法可准确预测钢板组合梁时变可靠度;以可靠度为寿命评价指标,输入该桥运营60年时的检测信息,更新前、后该桥的使用寿命分别为75年、64年,应提前对桥梁采取维修与养护措施。

钢桁腹-混凝土组合箱梁畸变效应研究

为研究梯形截面的钢桁腹-混凝土组合箱梁的畸变效应,在薄壁箱梁理论的基础上,考虑钢桁腹杆的力学特性,应用改进的板元分析法建立畸变控制微分方程,并给出畸变解析解。通过ANSYS建立实体模型验证所推公式的正确性。结合数值算例,对比分析在均布畸变荷载作用下相同截面参数的钢桁腹-混凝土组合箱梁和传统混凝土箱梁的畸变翘曲正应力,并分析梁宽和钢腹杆俯角对组合箱梁畸变内力的影响。结果表明,相同截面参数下,由于组合箱梁钢桁腹杆的纵向刚度很小,其畸变翘曲正应力为混凝土箱梁的1.71倍;梁宽对畸变内力影响较大,当梁宽增加至4.5 m时,畸变双力矩和畸变矩分别增大至3.68倍和1.36倍,且前者在纵向上双峰的分布趋势逐渐平缓;腹杆俯角对畸变双力矩影响较大,当腹杆俯角增加至27°时,畸变双力矩减小了约14.3%,但其对畸变矩影响很小。

板桁结合悬索加劲钢桁梁桥特殊节点受力行为

为了研究板桁结合悬索加劲连续钢桁梁桥加劲弦与上弦杆连接部位特殊节点的静力受力行为,依托重庆曾家岩嘉陵江大桥建立了全桥三维多尺度有限元模型,并通过缩尺模型试验对有限元分析结果进行验证,对特殊节点在最不利荷载组合作用下的受力状况进行了研究。研究结果表明:特殊节点中加劲弦与上弦杆交界处附近应力较大,且应力分布较复杂,为重点关注部位;特殊节点总体Von Mises应力在198.0 MPa以内,特殊节点各杆件Von Mises应力均小于钢材的强度设计值,结构具有足够的安全储备;正交异性桥面系参与主梁竖向弯曲受力,上层桥面系传递的内力约占纵桥向、横桥向上合力的34%和33%;荷载由跨中向支点经过特殊节点的传递,钢桥面板、上弦杆、竖腹杆以及斜腹杆承担的力逐渐传递给了加劲弦,引入加劲弦来提高梁高,抵抗主梁截面的竖向弯矩。有限元分析结果验证了重庆曾家岩嘉陵江大桥特殊节点的可靠性,也为类似节点的研究与设计提供参考。

某立交桥加固改造设计与施工

某立交桥为7跨20 m预应力空心板简支梁桥,运营多年后发现主梁整体性不足,单梁受力状况突出,桥面板出现纵向开裂等病害,同时桥墩盖梁出现弯曲裂缝,侧向挡块破损严重。针对病害情况,确定采用外包钢板加固盖梁、钢-混组合梁替换旧桥部分薄弱梁体、中部三跨由简支到三跨连续的结构体系转换等方法对桥梁进行加固改造。加固改造设计验算结果表明:加固改造完成后的桥梁承载能力能够满足目前的设计需求,具备较高的安全储备。加固改造施工时,采用人工配合风镐拆除旧桥桥面板,吊除梁体;按照设计的加固位置采用外包钢板加固盖梁;钢-混组合梁施工采用先吊装单根钢梁、后吊装横向联系梁的方案;按施工工序进行钢-混结合部和桥面铺装施工。该桥加固改造完成后桥梁运营状况良好。

重庆凤来特大桥总体设计

重庆凤来特大桥主桥为计算跨径580 m的上承式钢桁拱桥。该桥设计过程中,选取主跨710 m单跨悬索桥、主跨600 m斜拉桥和计算跨径580 m的上承式钢桁拱桥3个方案,从结构特点、施工技术和经济性3个方面进行分析比选。由于计算跨径580 m的上承式钢桁拱桥方案具有结构简洁、整体刚度大、对V形河谷地形适应性好、上部结构施工难度低和造价最低的优势,因此最终采用该桥型方案。主拱拱轴线采用悬链线,计算矢高116 m,计算矢跨比1/5,拱轴系数2.0,拱肋采用双片主桁,上、下游两榀主桁平行布置,横向中心间距20.2 m;主桁上、下弦杆采用箱形截面,截面内宽1.8 m,内高1.8 m。结合原位试验和基坑有限元计算结果,拱座采用重力式拱座,扩大基础,自然山体两侧基坑边坡开挖后,采用预应力锚索和喷锚支护。拱上立柱采用等截面钢箱排架结构。拱上主梁采用工字形钢板梁+预应力混凝土桥面板的组合梁。通过结构计算,拱肋、平联和斜撑等各钢结构杆件强度和整体刚度、稳定性均满足要求。采用斜拉扣挂、缆索吊装方案进行主拱节段、立柱单元以及主梁构件安装。

常规跨径钢板组合梁桥中欧规范汽车荷载效应对比研究

钢板组合梁可充分发挥钢材和混凝土的材料优势,为给我国桥梁设计人员设计海外钢板组合梁桥提供建议,对《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)及欧洲桥规(Eurocode—Basic of Structural Design、Eurocode 1:Actions on Structures—Part 2:Traffic Loads on Bridges)中常规跨径钢板组合梁汽车荷载效应进行对比。分析了中欧桥梁设计规范中汽车荷载模式、横向多车道折减效应、冲击系数、荷载组合等规定的异同,采用2种规范计算常规跨径钢板组合梁在汽车荷载及基本组合、频遇组合作用下的主梁弯矩。结果表明:欧洲桥规规定4种汽车荷载模式,已考虑冲击系数和横向车道折减,中国桥规规定了车道荷载和车辆荷载2种汽车荷载,计算汽车荷载效应后期需考虑冲击系数和横向车道折减;2种规范极限状态和设计状况规定一致,区别在于作用分项系数和可变作用组合系数取值;多片主梁钢板组合梁的边梁弯矩最大,单独考虑汽车荷载时,欧洲桥规计算的主梁最大弯矩比中国桥规大35%~36%;在考虑荷载组合时,欧洲桥规主梁最大弯矩计算结果在基本组合作用下比中国桥规大21%~22%,在频遇组合作用下比中国桥规大6%~9%。

60M钢板组合梁桥钢梁施工稳定性分析

钢板组合连续梁桥因自重轻、截面较薄,在施工过程中受外荷载影响存在整体失稳和局部屈曲风险,影响桥梁施工安全。以交通部钢板组合梁桥60 m跨径进行参数分析,研究其施工阶段整体及局部稳定性。同时,对比分析了不同跨径、高跨比和横梁间距下稳定性变化规律。结果表明:(1)随着节段跨径增大,钢梁稳定系数下降,跨径每增大5 m,稳定性降低40%左右,40 m跨径时处于规范限值临界状态;(2)相同跨径下,钢梁稳定性随着梁高增大而减小,梁高超过3.5 m时,40 m跨径单梁稳定系数低于规范临界限值,结构稳定性较差;(3)横梁间距超过10 m时,缩短横梁间距可以提高结构稳定性,间距小于10 m时改变横梁间距对结构稳定性提升不大。

钢板组合梁桥吊装施工过程风险源分析

吊装施工是钢板组合梁桥施工的主要施工方法之一,其施工过程主要包括钢梁起吊、钢梁拼接架设和桥面板施工等三个阶段。为保证采用吊装施工的钢板组合梁桥在施工过程短暂受力情况下的承载能力、稳定性及结构抗倾覆性满足要求,将围绕不同施工阶段下钢梁的受力特点及其可能承受的荷载作用进行分析,探讨各施工阶段下钢梁施工风险源形式及施工安全分析重点,可为钢板组合梁桥安全施工过程分析及采取预防措施提供指导。

基于层次分析法的钢板-混凝土组合梁桥施工风险分析评价

高速公路桥梁施工过程中影响施工安全的不确定因素较多。为了结合工程建设管理实际,加强施工现场安全生产管理,采用层次分析法建立了基于钢板-混凝土组合梁桥主梁段拼装运梁、顶推落梁、永久支座安装、行车道板预制吊装等主要过程中可能发生的各类典型安全事故的数学模型并进行风险评价。分析结果表明,顶推落梁过程较为重要,其发生的落梁倾覆和局部屈曲安全事故影响较大。分析结果对项目施工现场安全防护具有指导意义,施工中应有针对性地加强防护措施。

无预应力波形钢腹板组合箱梁桥的结构力学行为分析 ——以福州鹅头溪大桥为例

为降低传统波形钢腹板箱梁自重,提高箱室整体性与可施工性能,避免箱梁混凝土底板开裂,采用平钢底板替代传统的混凝土底板,取消纵向预应力的设置,降低了施工的复杂性。为了使该结构适用于主跨40m以上的桥梁建造,同时降低桥面标高,采用变截面连续梁结构形式,最终形成无预应力变截面波形钢腹板组合箱梁桥。该新型桥梁结构自重轻、结构受力合理、造型美观,具有很好的发展前景。文章以无预应力波形钢腹板组合箱梁桥——福州鹅头溪大桥为例,建立主梁受力计算模型分析恒载和活载内容,进行了结构安全性验算。研究结果表明:该桥各项设计指标均满足相关规范要求,无预应力波形钢腹板组合箱梁桥结构受力合理,研究成果可为同类桥梁设计与验算提供参考。