考虑吊杆断裂动力作用的钢管混凝土拱桥等效静力计算方法

为简化吊杆断裂后拱桥剩余结构动力响应计算过程,提升中、下承式钢管混凝土(CFST)拱桥断索时的强健性,采用动力系数考虑断索过程的动力效应,建立一种考虑断索动力作用的中、下承式CFST拱桥等效静力方法;设计并制作跨径20m的下承式CFST拱桥大比例缩尺试验模型,研发一种电磁铁断索触发装置实现了吊杆瞬间断裂模拟,开展吊杆断裂后拱桥剩余结构的动力响应试验研究;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立可考虑吊杆断裂过程的有限元模型,并进行试验与有限元结果的对比分析。构建11种不同跨径的中、下承式CFST标准拱桥,通过不同动力系数下标准拱桥断索时静力效应与动力效应的对比分析,确定各标准拱桥在不同吊杆断裂时的动力系数取值。研究结果表明:研发的电磁铁断索触发器可实现0.1s内断索,准确模拟实际吊杆断裂过程;吊杆断裂对纵梁位移与应力的影响远大于对拱肋的影响,长吊杆断裂对纵梁和拱肋的位移与应力的影响大,次短吊杆断裂对相邻吊杆索力的影响大。采用等效静力计算方法进行中承式CFST拱桥受力分析时,纵梁和吊杆的动力系数均可取1.8,进行下承式CFST拱桥受力分析时,纵梁和吊杆的动力系数可分别取1.8和1.7。

整体式桥台-混凝土桩-土相互作用拟静力试验

由于整体式桥台无缝桥(以下简称整体桥)具有诸多优点,因而在欧美等国得到广泛应用。不过,整体桥结构的特殊性会引起复杂的结构-土相互作用。为了适应整体桥上部结构的纵向变形,国外多采用H型钢桩,而我国以混凝土桩(RC桩)为主。大量研究及工程实例表明,采用RC桩能够满足整体桥变形要求,但台后土对RC桩内力的影响尚不明确。为此,选取国内某整体桥为背景,以RC桩的配筋率及截面形状为设计参数制作了4个整体式桥台-RC桩试验模型,对其开展整体式桥台-RC桩-土相互作用低周往复荷载拟静力试验研究,主要研究了整体式桥台-RC桩-土体系的破坏形态、滞回耗能性能、水平变形规律和相互作用机制等。试验研究表明,往复位移加载下台后填土会出现脱空现象,试件破坏位置主要集中于桥台底部与桩顶连接头处及其下部一定埋深范围内,增大RC桩配筋率或采用矩形截面RC桩可使破坏位置下移,改善其受力性能。整体式桥台-RC桩-土体系的滞回曲线在第一象限较为饱满,表现出较好的耗能能力,而第三象限滞回曲线包裹面积较小。增大RC桩的配筋率或采用矩形截面RC桩可增大整体式桥台-RC桩-土体系的耗能能力与承载力,并可增大RC桩的弹性开裂位移,使其更晚屈服和破坏,同时其刚度退化速率和退化幅度也可显著减小。试验研究还表明,当加载位移超过弹性极限位移时,整体桥混凝土桩基的水平变形会出现明显的累积现象。同时,桥台与桩身连接头的相对转角随着损坏程度的增加而增大。提高RC桩配筋率或采用矩形截面RC桩后,桥台与桩身连接头的破坏明显减轻,累积变形显著减小。

钢管混凝土KK型节点疲劳性能试验

为研究钢管混凝土KK(CFST-KK)型节点疲劳性能,开展了CFST-KK型节点模型疲劳试验,分析了CFST-KK型节点热点应力分布规律和疲劳性能演化过程;建立了CFST-KK型节点实体有限元模型,结合试验和有限元结果,分析了CFST-KK型节点与钢管混凝土K(CFST-K)型节点疲劳性能的差异性;研究了不同参数对KK型节点疲劳性能影响,探讨了适用于CFST-KK型节点疲劳寿命的评价方法。研究结果表明:采用二次外推方式计算的CFST-KK型节点,最大热点应力位于受拉支管相贯焊缝的主管侧冠点偏外鞍点15°处;计算CFST-KK型节点应力集中系数时,支管名义应力可仅考虑轴力和面内弯矩的影响而不考虑面外弯矩的影响,其应力集中系数为6.36,比CFST-K型节点大80.2%;CFST-KK型节点的疲劳裂纹萌生于最大热点应力处,在反复加载过程中裂纹沿焊趾根部向两侧与主管壁厚方向延伸,裂纹向外鞍点扩展的速度要略快于向内鞍点扩展的速度,停止反复加载后裂纹并未贯穿主管管壁;受支管面外弯矩与支管间空间效应的影响,CFST-KK型节点的抗疲劳性能与CFST-K型节点有明显差异;主管内填混凝土能提升CFST-KK型节点径向刚度,缓解应力集中情况;支管面外夹角增大会增大支管间空间效应的影响;考虑钢管内混凝土影响的CFST-K型节点的热力应力与疲劳寿命曲线在评价CFST-KK型节点疲劳寿命时具有良好的精度。

钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能试验

为研究钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能,对其进行疲劳试验,并与钢管K形节点疲劳性能进行比较,通过对比分析得到钢管混凝土K形节点热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,并探讨钢管混凝土K形节点疲劳寿命评价方法。结果表明:钢管混凝土K形节点与钢管K形节点最大热点应力的位置均位于受拉支管与主管相贯焊缝主管侧冠点处,钢管混凝土K形节点的应力集中系数约可降低至钢管K形节点的58%,且热点应力宜采用二次外推方式;两者疲劳性能演化过程均可分为疲劳裂纹萌生、扩展和破坏三个阶段,钢管混凝土K形节点在扩展和破坏阶段分别以沿主管壁厚方向和相贯焊缝长度方向扩展为主,与钢管K形节点主要扩展方向相反;两者疲劳裂纹均属于张开型Ⅰ裂纹,钢管混凝土K形节点疲劳裂纹断口沿壁厚方向呈"呲牙"状,且疲劳裂纹扩展路径较长。钢管混凝土K形节点抗疲劳性能明显优于钢管K形节点的最主要原因在于,管内混凝土的约束作用提高了钢管混凝土K形节点主管的径向刚度,钢管混凝土K形节点的压陷和外凸变形远小于钢管K形节点。基于一点法原则建立的钢管混凝土K形节点疲劳设计S-N曲线具有较高精度。

新型装配式倒T形空心板桥受力性能

为解决现有装配式空心板桥的铰缝病害,提出了一种新型装配式倒T形空心板桥;进行了跨径8m的倒T形空心板桥足尺模型试验和非线性有限元分析,研究了车辆荷载作用下倒T形空心板桥各组成构件的应力、挠度和裂缝分布等,得到了倒T形空心板桥的受力机理与破坏模式;对比了倒T形空心板桥与带门式钢筋空心板桥的受力性能,验证了倒T形空心板解决铰缝开裂问题的有效性。研究结果表明:倒T形空心板桥的破坏过程分为弹性阶段、空心板开裂阶段、现浇结构层混凝土开裂阶段和受拉钢筋与钢板屈服阶段,其整体受力性能良好,极限荷载是带门式钢筋空心板桥的1.4倍;Ω形钢板上方受拉区混凝土首先达到拉应力限值3.17MPa,是受力薄弱部位;由于Ω形和L形钢板的设置,现浇结构层混凝土开裂时,与结构层等高度的各结合面处的法向和切向黏结应力均不会超过限值2.30和0.29MPa,避免了结合面的黏结失效;与带门式钢筋的空心板桥相比,倒T形空心板构造不会减小空心板的开裂荷载,且新旧混凝土结合面开裂在空心板开裂之后,可从根本上解决传统空心板桥在车辆荷载作用下铰缝先于空心板开裂的问题。