刘家峡大桥钢管混凝土桥塔共同工作性能研究

刘家峡大桥首次将钢管混凝土桥塔应用在大跨度悬索桥中,目前国内外对大尺寸钢管混凝土粘结性能的研究较少,受主缆约束,桥塔受力特点类似于下端固结上端铰接的立柱,荷载作用下若钢管与混凝土粘结力超过粘结破坏强度,则两者不能共同受力,现行规范中给出的钢管混凝土承载力计算公式将不再适用。为此,专门针对刘家峡大桥钢管混凝土桥塔能否共同工作的问题进行了研究。研究结果表明,钢管与混凝土之间的粘结问题并不突出,通过设置剪力钉可以大幅度提高两者之间的粘结强度。     

刘家峡大桥钢管混凝土桥塔黏结滑移力学试验研究

刘家峡大桥首次在国内采用大规模钢管混凝土构件作为悬索桥桥塔。为保证该桥桥塔在施工各阶段的安全性,模拟刘家峡悬索桥桥塔实际受力制作1/10缩尺比例模型进行加载试验,并采用ANSYS软件建立有限元模型对试验结果进行验证与对比,研究钢管混凝土结构钢管与混凝土的黏结滑移力学性能。研究结果表明:当试验荷载超过钢管与混凝土黏结力后,钢管和混凝土的相对位移与试验荷载呈线形变化关系;钢管应变从受力端向构件中部逐渐减小,受混凝土材料的不均匀性、钢管壁的粗糙程度不同等因素的影响,钢管应变与距加力端距离呈非线性变化关系,但总体呈逐渐增加趋势;通过试验结果得到的黏结强度及滑移位移均大于有限元软件计算结果,但两者相差不大,说明有限元结果可用于实际工程,并偏于安全。     

复杂应力条件下快速施工钢-混组合梁群钉推出试件参数分析

为了研究快速施工钢-混组合结构中群钉剪力连接件在复杂应力条件下的受力特性,探讨焊钉尺寸和不同应力条件对群钉推出试件受力特性的影响,基于混凝土和焊钉损伤塑性模型,考虑结构非线性行为,采用数值有限元法对设计的5组不同参数的群钉推出试件进行数值模拟及分析。在此基础上,进一步分析了不同横弯力和预压应力对焊钉周围的混凝土性能和焊钉失效模式的影响。结果表明:横弯力和预压应力对焊钉的滑移影响较小,但对焊钉的抗剪承载能力和抗剪刚度影响较大;增大横弯力和预压应力,焊钉的抗剪承载力最多可提高31%,抗剪刚度最多可提高61%;焊钉高度大于其直径的4倍时,其高度变化对群钉中焊钉的平均抗剪承载能力和抗剪刚度影响不大;基于混凝土和焊钉损伤塑性模型的有限元建模方法可以较好地用于钢-混组合结构群钉力学行为的参数分析;横向预应力的施加,能够有效改善群钉周围混凝土的性能,提高群钉剪力连接件的刚度和钢-混组合结构耐久性,为群钉在快速施工钢-混组合结构桥梁中的应用提供新的技术选择。     

基于混凝土损伤理论的混凝土榫破坏机理研究

钢-混组合结构的有限元仿真分析的关键在于材料模型的准确模拟。文章基于混凝土损伤理论建立了混凝土榫的数值仿真模型,分析了混凝土榫荷载-滑移曲线、孔中混凝土有效承压面积及破坏机理,并与试验结果进行了比较。结果表明,模拟方法是可行的。     

板桁组合结构钢-混结合段的受力性能

为研究某公路、铁路两用斜拉桥公路桥面钢-混结合段的受力性能,对其进行了非线性有限元分析。同时依据相似性原则设计了钢-混结合段的大比例试验模型,测试了荷载作用下试验模型的控制断面和主要构件的应变和位移。理论分析与试验测试结果表明:钢-混结合段中钢结构、混凝土结构及栓钉的应力水平较低,具有较强的安全储备;钢与混凝土之间相对滑移量较小,钢结构荷载比较顺畅地传递到混凝土结构,钢-混结合段的工作性能良好,构造设计合理。本文的研究结果可供板桁组合结构钢-混结合段的设计参考。     

大跨度斜拉桥双向曲面混合桥塔钢-混结合段受力性能研究

为研究大跨度斜拉桥双向曲面混合桥塔钢-混结合段的力学行为与传力机理,设计相似比为1:4的全截面静载试验模型,测试最不利及超载工况下结构的应力、变形、开裂等;结合有限元仿真分析,研究桥塔钢-混结合段的传力机理,并进一步探讨结构构造参数对其影响规律。结果表明:最不利荷载工况下,钢结构最不利压应力为-165.44 MPa,位于钢过渡段主跨受压侧壁板;混凝土最不利拉应力为8.65 MPa,叠加预应力效应后约为1.73 MPa,位于混凝土段边跨受拉侧;沿塔轴向,钢结构应力平缓降低并在承压板附近存在突变,混凝土应力较为平稳;剪力钉及PBL剪力键弯曲应力均呈"两头大、中间小"的马鞍形分布。模型各构件实测应力随荷载增加呈线性增长,模型整体处于弹性受力状态;结合段钢-混最大滑移值仅65 μm,钢-混之间协同受力良好;模型上下缘实测应力差异约为10%,表明双向曲面构造引起一定的空间受力特性,但挠度量值差异小。超载工况下,1.4倍加载时混凝土段边跨受拉侧出现裂纹;1.7倍加载时钢过渡段主跨受压侧局部应力屈服,模型受力整体表现为以钢过渡段受压侧及混凝土段受拉侧最为不利。2.0倍加载下,模型水平挠度随荷载变化均近似线性增加,转角近似满足线性变化,受混凝土开裂影响较小;最大水平挠度仅1.43 mm,挠跨比约为1/3 000,结构具有良好的刚度性能;结合段内混凝土局部开裂对受拉区的钢-混相对滑移影响较为显著。通过承压板、钢壁板及PBL板分别传递荷载66.3%、15.2%及18.5%,承压板为主要传力构件。参数讨论表明,原桥合理承压板、钢壁板厚度分别介于40~80、24~40 mm之间,剪力连接件刚度对结构传力影响较小。     

常泰长江大桥组合索塔锚固结构钢-混传剪构造足尺模型试验研究

常泰长江大桥索塔锚固结构采用钢箱-核芯混凝土组合结构,为研究该新型组合索塔锚固结构钢-混传剪构造的受力特性,进行钢-混传剪构造足尺模型试验研究。制作2个锚固结构足尺节段试验模型,通过压剪试验研究锚固结构的荷载～滑移曲线及应力、应变分布等受力特性,并通过有限元模型分析锚固结构的传力机理和各组件的内力分配比例,推导剪力钉剪力计算方法。结果表明：在2.14倍单索最大索力荷载作用下,锚固结构保持弹性状态,钢壁板未产生明显滑移,钢-混界面最大滑移不超过0.25 mm,该锚固结构中钢-混传剪构造至少具有2.14倍的安全系数;荷载作用下,剪力钉剪力从上至下逐渐增大,锚腹板附近底部3排剪力钉剪力较大,钢-混传剪构造至少存在剪力钉和界面摩擦力2种传剪机制,钢-混传剪构造的承载能力显著提高;钢-混传剪构造受力过程分为粘结力传力阶段和局部滑移阶段,剪力钉剪力分布不仅与沿剪切方向长度分布有关,也与荷载的大小线性相关。     

预制装配式组合剪力钉试验研究

为研究预制装配式组合剪力钉(PCSS)的抗剪性能,考虑剪力钉布置形式、剪力钉个数、钢与混凝土界面粘结对抗剪性能的影响,设计制作了9组试件(8组PCSS试件和1组常规剪力钉试件),采用MTS 5000kN试验机进行推出试验,分析试件的破坏形式、极限承载力、滑移性能和抗剪刚度。结果表明,与常规剪力钉相比,PCSS试件的极限承载力较高,其破坏形态为延性破坏;剪力钉越多,PCSS试件的承载力越高,但PCSS试件的荷载~滑移曲线的趋势不受剪力钉个数的影响;钢与混凝土界面的粘结程度越高,PCSS试件的抗剪承载力和抗剪刚度也越大。建议不考虑界面粘结对承载力的提高作用,以钢与混凝土界面全光滑粘结试验值作为设计依据,提高结构安全储备。     

体外预应力钢-混结合梁桥温度效应分析

针对简支体外预应力钢-混结合梁,考虑钢梁与混凝土之间的相对滑移,温度沿混凝土截面线性分布,体外预应力筋直线布置,剪力钉所受到的剪力和钢梁与混凝土板的相对滑移呈线性关系,推导出结合梁及体外预应力筋由温度效应产生的内力计算公式。通过算例与有限元分析进行对比,并讨论了在日照温度效应下,各种因素对体外预应力钢-混结合梁温度应力的影响。结果表明:公式法和有限元法计算结果吻合;日照温度效应使简支结合梁的混凝土板受压,钢梁顶部受拉,底部受压,对体外预应力筋应力影响很小;当剪力钉刚度足够大时,温度应力不随剪力钉刚度变化而变化,剪力钉布置和桥梁跨度对体外预应力钢-混结合梁温度应力的影响不大。     

钢-混组合梁剪力钉抗剪性能试验研究

为研究钢—普通混凝土与钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪强度及破坏形式,根据某实际钢—混组合桥梁结构,设计2种钢—混组合梁剪力钉试件进行极限抗剪强度推出试验,根据试验结果拟合试件荷载～滑移曲线,并与不同规范计算得到的剪力钉抗剪承载力进行比较分析.结果表明:钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪承载力较钢—普通混凝土组合梁剪力钉高约16％;其极限承载力对应的滑移值约为钢—普通混凝土组合梁剪力钉的2～2.5倍;钢—钢纤维混凝土组合梁破坏特征为剪力钉全部被剪断,钢—普通混凝土组合梁破坏特征为混凝土被压裂.由各公式得到的试件抗剪承载力均偏于保守.     

桥塔钢-混结合段剪力连接件承载力试验研究

为确保斜拉桥桥塔钢-混结合段连接的安全可靠,应选择合适的剪力连接件。结合连岛工程跨海斜拉桥索塔锚固区的设计,比较不同极限承载力公式的差异。对栓钉连接件进行模型试验研究,试验得到栓钉的荷载~滑移量曲线。重点研究栓钉的抗剪承载力及破坏形态等,并将试验结果与所有公式的计算结果进行比较。试验结果表明:栓钉连接件以栓钉受弯剪破坏为主,具有良好的延性,在破坏前有明显的屈服过程。在承载力方面,群钉试验得到的用于桥塔钢-混结合段的单钉极限承载力平均比《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)的计算值高32%左右。     

钢管与核心混凝土之间的粘结单元及其应用

为了研究钢管混凝土拱桥钢管与核心混凝土之间的粘结性能,将双弹簧单元和四边形滑移单元用于模拟钢管与核心混凝土之间的粘结,对两种单元刚度矩阵中各非线性刚度系数的取值进行了讨论,应用两种粘结单元考虑材料非线性编制了有限元计算程序.以茅草街大桥为例用自编程序进行了分析计算,结果表明:在自重和车辆荷载作用下钢管与混凝土之间不会发生脱粘,钢管与核心混凝土之间基本没有相对滑移;在温度影响和收缩徐变作用下如果钢管与混凝土之间发生了脱粘,则在自重和车辆荷载作用下钢管与核心混凝土之间的相对滑移明显增大,整桥刚度降低,钢管最大应力增加,混凝土最大应力减小.     

装配式群钉组合梁与现浇组合梁对比试验研究

为了研究桥梁工程中装配式群钉组合梁和现浇组合梁在力学行为上的差异,分析混凝土浇注方式、栓钉布置形式对组合梁结构整体受力的影响,采用了装配式组合梁和现浇组合梁对比试验研究,分析了两组不同浇注方式及不同栓钉布置形式的试验梁在宏观本构曲线、破坏形态、钢-混凝土交界面滑移以及截面应变规律的差异;采用考虑混凝土损伤塑性模型和交界面连接差异的有限元模拟分析方法,建立试验梁精细化有限元模型,对比分析了试验梁栓钉Mises应力及栓钉附近混凝土损伤发展规律。结果表明:装配式组合梁和现浇组合梁在宏观本构曲线以及破坏形态上无明显差异;装配式群钉组合梁中钢与混凝土界面滑移初始荷载水平显著低于现浇组合梁,且相同荷载作用下的滑移值较大;现浇梁在大部分情况下近似满足平截面假设,装配式群钉组合梁不满足平截面假设,仅钢梁与混凝土板分别服从平截面假设;相同荷载作用下,装配式组合梁栓钉Mises应力较现浇组合梁提高约20%,其周边混凝土损伤区域集中分布于预留孔区域。该研究结果可为装配式群钉组合梁的设计以及计算提供理论依据。     

新型可拆卸开孔钢管连接件抗剪性能

为适用预制钢-混凝土组合桥梁快速装配化施工需求,提出一种新型可拆卸的开孔钢管连接件。通过设计不同钢管壁厚、开孔板条宽度与高度等参数的开孔方钢管连接构造试件,开展水平推出试验,研究其抗剪承载力、抗剪刚度、剪切破坏模式及相对滑移特征。考虑钢材理想弹塑性、混凝土塑性模型及钢-混凝土界面非线性接触,建立可拆卸连接件抗剪分析的高效精细有限元模型,并通过试验结果验证。采用验证的有限元模型,进行与方钢管具有相同用钢量、板厚、开孔形式的圆钢管连接件抗剪性能对比分析。研究结果表明：可拆卸钢管连接件不仅具有开孔板连接件相当的抗剪承载力,而且比焊钉连接件具有更好的延性;增加钢管壁厚能有效提高其抗剪刚度与强度,改变底部开孔形状对连接件的抗剪刚度影响较小,但对强度影响较大;圆管与方管连接件具有相当的剪切屈服强度,但方管连接件的极限抗剪强度更高,而圆管连接件的延性更好;塑性理论推导可拆卸连接件剪切屈服强度计算结果同试验、有限元结果吻合良好,证明该计算式准确、有效;建议荷载作用下,混凝土板不发生开裂和压溃,可拆卸连接件可屈服进入塑性状态,实现混凝土板、钢梁易更换、修复或重复利用。     

超大直径自应力钢管混凝土索塔设计与施工关键技术

该文介绍了刘家峡大桥超大直径自应力钢管混凝土索塔设计与施工关键技术。该桥采用了伊斯兰民族建筑风格以体现其地域文化特点。又因其独特的自然人文条件使该桥特色鲜明。尤其是采用了首座自应力钢管混凝土索塔,为目前世界上最大直径的钢管混凝土结构,拓展了钢管混凝土结构适用范围。为此,需利用国内外研究成果对界面粘结强度进行检算,同时采取了剪力钉和自应力混凝土等必要措施,并对钢管混凝土桥塔的抗震性能进行了深入的研究。该桥钢管的制作、安装、大直径自应力钢管混凝土的应用均超出目前应用范围,常规吊装设备已不适宜。通过相关研究确定了合理的制造、组拼和安装工艺,形成了设计与施工的成套技术。     

基于ABAQUS的栓钉连接件承载能力分析及验证

为研究钢-混凝土组合结构中栓钉连接件的受力状态及承载能力的变化规律,首先采用有限元软件Abaqus建立了栓钉连接件推出试验的有限元模型,模型中考虑了材料的非线性,并对模拟栓钉与混凝土的3种接触关系进行了对比分析。其次将3种接触模型的计算结果用各国规范、学者建议的公式以及文献的实测值加以验证,结果表明:绑定约束模型计算结果的精度可以满足工程要求,但面面接触模型的计算结果更为合理。最后对影响栓钉承载能力和滑移性能的主要参数进行分析得出:混凝土等级直接影响栓钉的破坏模式,栓钉的承载力随栓钉直径的增大呈线性增长,栓钉长度对栓钉的承载力影响较小,但建议栓钉长度与直径比大于4,以防止发生栓钉拔出破坏。     

混合梁自锚式悬索桥结合部连接件传力机理研究

为研究混合梁钢混结合部连接件的受力特性及轴力分配比例,以某独塔混合梁自锚式悬索桥结合部为研究对象,选取包含结合部在内的主梁节段,运用大型通用有限元软件Ansys11.0建立考虑钢与混凝土间相对滑移的"实-壳"混合有限元模型,并对其进行局部仿真分析。结果表明:在恒载和最不利弯矩工况下,结合部内焊钉顺桥向剪力总体沿着远离端承压板方向依次递增,各部位焊钉承受了约20%的轴压力,其中顶底板焊钉构成了焊钉传力的主体。     

刘家峡大桥大直径钢管混凝土桥塔设计与施工技术应用

刘家峡大桥采用民族建筑风格的钢管混凝土桥塔,体现了人文、自然环境与结构设计一体化的设计理念;桥梁地域文化标志作用得到清晰体现,承载的先进技术和鲜明文化特征起到鼓舞当地人民精神和加强民族团结的作用;开展的桥塔钢管与混凝土黏结性能研究,以及钢管自应力混凝土模拟试验,拓展了钢管混凝土适用范围,提出并确定了新型桥塔结构和钢管自应力混凝土设计及无损检测参数;首次在高震区对钢管混凝土桥塔抗震性能开展系统研究,以掌握高烈度、两岸不同地震动峰值条件下钢管混凝土悬索桥桥塔抗震性能指标;针对山区场地狭小、运输困难特点,在桥梁上首次研发使用了自爬升门架,成功完成索塔钢管安装;以桥塔实体结构作为起重架附着基础,使起重架吊装高度范围显著增加,实现了桥塔钢管安装技术从落地式到自爬升式的转变。文章就刘家峡大桥大直径钢管混凝土桥塔设计与施工技术应用展开论述,与同行共享。     

正交异性组合桥面板界面滑移效应研究

钢-混组合桥面板常规计算中忽略了钢桥面板与混凝土桥面板界面间的相对滑移,无法反映由相对滑移导致的组合效应降低以及层间的荷载重分配。为研究界面滑移模拟方法、界面滑移对钢-混组合结构的组合效应以及受力性能的影响,基于钢桥面板与混凝土桥面板的受力特性和变形协调条件,推导界面相对滑移微分方程,给出考虑滑移条件下的挠度计算公式;并依托海口东海岸如意岛跨海大桥项目,选取包含1个纵肋的单梁,通过有限元分析和足尺模型试验对跨中挠度、钢-混界面和栓钉滑移等进行分析。结果表明:随着荷载增大,界面滑移不断增大,且增加的速度越来越快,对组合效应的削弱和对受力性能的影响也更为明显;为得出准确的受力和变形结果,应考虑界面滑移效应;文中提出的界面滑移模拟方法能揭示界面滑移对组合效应和受力性能的影响规律。     

钢吊箱封底混凝土与钢护筒粘结力研究

通过对封底混凝土与钢护筒粘结机理的分析,结合苏通大桥封底混凝土与钢护筒模型试验结果,采用非线性弹簧单元考虑粘结滑移建立三维有限元模型进行数值分析,探寻封底混凝土与钢护筒的粘结性能。