碳氢火灾下钢-混组合梁破坏试验研究

为研究钢-混组合梁(钢结构桥梁)遭遇碳氢火灾时的耐火性能与抗火设计方法,设计制作了3榀大比例钢-混组合缩尺试验梁,包括简支体系箱形截面梁、连续体系箱形截面和双肋工字形钢截面梁。开展了碳氢火灾下(前期燃油急速升温和后期天然气维持高温)简支梁跨中受火和连续梁单跨局部受火试验,获悉了截面温度场、受火跨和非受火跨挠度变化路径、裂缝发展模式、钢板屈曲特征和破坏模式。分析得到了组合梁在碳氢火灾下的耐火极限,深入揭示了组合梁截面类型和结构体系对组合梁耐火性能的影响机理。试验结果表明:混凝土具有显著的热沉效应,火灾下钢梁的升温速率远快于混凝土板,停火后钢梁温度迅速降低而混凝土板温度持续升高,混凝土板上层的温度在停火48 min后仍然呈走高趋势;碳氢火灾下简支体系钢-混组合梁的挠度从初期就表现出快速增大的趋势,最终因挠度过大而失效;连续体系钢-混组合梁受火跨的挠度在初期增长较为缓慢,最终由于墩顶负弯矩区和跨中正弯矩区均出现塑性铰,梁转为机构体系,使得跨中挠度快速增大而破坏;连续体系钢-混组合梁非受火跨由于变形协调性先上拱,随后由于受火跨刚度衰退转向下挠;闭口截面箱梁仅外表面受火,其耐火性能显著优于双肋工字形钢截面梁,在相似荷载水平下其耐火极限分别为48 min和42 min;连续体系钢-混组合梁由于多余约束的存在,从受火开始就发生剧烈的内力重分布和变形协调,相较于简支梁,其耐火极限可提高100%;高温下连续体系钢-混组合梁出现的塑性铰与常温下的不同,是一种刚度逐渐降低的时变塑性铰。研究成果可为钢结构桥梁的耐火试验方法提供指导依据,也可为其抗火设计方法奠定理论基础。     

连续钢箱梁抗火性能试验与演变机理

为研究火灾下具有板式橡胶支座支承条件的连续体系多室钢箱结构桥梁的高温响应,设计并制作了两榀两跨连续双室钢箱结构模型试验梁,对其开展了跨中区域与负弯矩区域的耐火试验。采用横向偏位加载实现弯扭耦合作用效应,制作了板式橡胶支座以研究火灾过程中支座性能的退化。通过试验获取了双室钢箱梁的截面温度分布特征、高温变形规律、钢梁屈曲模式以及裂缝开展过程,探析了火灾后钢材与橡胶支座的性能;然后建立了数值分析模型进行验证,结合模型计算剖析了其内力重分布规律与破坏过程,分析了负弯矩区功能失效路径,并开展了参数对比分析,揭示了连续钢箱梁抗火性能演变机理。研究结果表明：火灾下双室钢箱梁中腹板与边腹板的最大温差超过160℃,截面温度梯度分布受火灾强度的影响较大;单跨受火时受火跨持续下挠,而非受火跨先上拱后下挠,中支点受火时仅在末期出现位移激增,弯扭-高温耦合作用下双室钢箱梁出现随受火时间明显增长的横向扭转变形,破坏时截面两侧的挠度差值达到94 mm;连续钢箱梁在受火前期会发生剧烈的内力重分布,负弯矩区急剧扩大,中支座反力骤增至常温时的2倍以上;单跨受火时钢箱梁破坏状态表现出随着中支点附近的塑性扩展最终发展至受火跨...     

波形钢腹板-混凝土组合箱梁扭转效应分析

简支波形钢腹板-混凝土组合箱梁扭转效应显著,文中根据组合箱梁受力特性,结合传统混凝土箱梁扭转分析理论,研究组合箱梁在集中偏心荷载作用下的扭转效应。结合相关文献的实验值,对偏心荷载下截面扭转翘曲正应力和扭转翘曲剪应力值进行修正,并通过ANSYS软件计算值进行对比分析。结果表明,在波形钢腹板-混凝土组合箱梁跨中作用偏心集中荷载时,扭转双力矩和弯扭力矩在跨中具有最大值,扭转翘曲应力在跨中截面处腹板底板交点处有最大值;跨中截面翼缘板自由端部翘曲剪应力为0 Pa;考虑扭转效应时跨中截面扭转剪应力均为弯曲剪应力的49%;理论计算值与ANSYS软件计算值误差小于10%,具有较好的计算精度。     

波形腹板钢-混组合箱梁畸变效应分析

为研究波形腹板钢-混组合箱梁畸变效应,以桑园子黄河大桥引桥简支箱梁为研究对象,将畸变角重新定义,通过计算畸变中心、畸变总势能,确定初始参数,利用势能驻值原理推导与传统扭转分析理论相一致的畸变效应分析方法。根据工程实例,对车道荷载下波形腹板钢-混组合箱梁畸变翘曲应力变化规律进行研究。结果表明,畸变翘曲应力在组合箱梁应力中占比不容忽视,且随着箱梁顶板混凝土厚度增大,翘曲正应力逐渐减小,在钢底板组合箱梁增设铺底混凝土可有效减少畸变翘曲应力。     

燃油火灾下预应力混凝土梁耐火试验

为研究预应力混凝土（PC）桥梁遭遇燃油火灾时的耐火性能，设计制作了3榀大比例PC简支缩尺模型试验薄腹梁，包括1榀箱形截面梁和2榀双T形截面梁，以荷载水平和截面类型为试验参数，开展了燃油火灾升温条件下PC梁局部受火试验。获取了梁截面混凝土温度和预应力钢束温度变化、跨中挠度变化、有效预应力衰变、裂缝开展、爆裂分布与深度以及耐火极限相关试验数据，深入探索了燃油火灾高温下PC梁的损伤演化规律和破坏模式。试验结果表明：梁截面各测点温度在受火期间随着受火时间的增加其整体趋势不断升高，由于水分的蒸发造成温度曲线在100 ℃~120 ℃之间有一明显的缓平段，箱形截面梁箱内温度在达到100 ℃后几乎保持不变。停火后，混凝土内部和预应力钢束温度持续升高，距受火面距离越远，在停火后升温持续时间越长，预应力钢束在停火后最高升温161 ℃。火灾下PC梁挠曲变形分为受火初期显著增长、受火中期缓慢增长和受火后期急速增长3个阶段，最终由于预应力钢束断裂表现出明显的脆性破坏特征。按常温下适筋梁设计的PC模型试验梁在火灾高温下呈现为少筋梁破坏特征；钢束的有效预应力在火灾高温下表现出先增加、后衰减，最后被拉断应力突然降低的三阶段变化特性。箱形闭口截面梁的混凝土温度和预应力钢束温度均低于双T形开口截面梁，其耐火性能明显优于双T形开口截面梁，破坏时预应力钢束临界温度分别为397 ℃和319 ℃。荷载水平由0.35增加至0.55时，火灾下PC梁耐火极限降低21%，破坏时预应力钢束临界温度由416 ℃降低至319 ℃。研究成果可为PC桥梁耐火试验提供方法指导，为其抗火设计和灾后应急提供理论依据。     

全比例波形钢腹板PC箱梁力学特性试验研究

根据国内第一座波形钢腹板PC组合箱梁公路桥-泼河大桥的箱梁构造尺寸,设计了30 m足尺试验梁,对其力学性能进行了试验研究和有限元分析。测试了箱梁挠度,波形钢腹板、混凝土顶板及底板的应变。研究结果表明,波形钢腹板PC组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩,波形钢腹板则主要承担剪力。试验结果为实桥的设计和建造提供了重要的资料。     

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究

根据国内首座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁公路桥———泼河大桥的箱梁构造尺寸,设计了足尺模型试验梁,对其力学性能进行了试验研究。测试了波形钢腹板及顶板的混凝土纵向应变分布、挠度以及腹板剪力、体外预应力增量等问题。研究结果表明:波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩,波形钢腹板则主要承担剪力,箱梁的计算挠度应考虑钢腹板剪切变形的影响,混凝土顶板存在明显的剪力滞效应,同时得出在荷载作用下体外预应力增量呈线性变化规律,且应力增量很小。     

波纹钢腹板组合箱梁疲劳试验

在总结分析国外波纹钢腹板组合梁疲劳试验研究成果的基础上,采用美国MTS电液伺服加载系统,对3片波纹钢腹板组合箱梁试验梁进行了疲劳试验,并对波纹钢腹板组合箱梁的应变、挠度变化规律进行了分析。结果表明:波纹钢腹板疲劳残余应变随疲劳加载次数的增加而增加,变化规律比混凝土顶、底板的变化规律明显;波纹钢腹板组合箱梁混凝土顶、底板及波纹钢腹板的刚度在疲劳荷载作用下下降不明显,不足以对梁的受力产生明显影响;随着疲劳加载次数的增加,截面应变沿梁高方向的分布变化不大,而且基本保持直线;对波纹钢腹板组合箱梁采用基于平截面假定的承载能力计算方法是可行的。     

预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁受力性能研究

该文概述了预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁在国内外的发展与应用情况,采用有限元分析方法,对跨径、材料、预应力钢束以及顶底板尺寸均相同的波纹钢腹板组合箱梁和平板钢腹板组合箱梁的受弯性能、抗剪性能、抗扭性能以及剪力滞效应进行了分析;比较了两种模型在不同荷载作用下跨中截面、四分点截面上的变形与内力分布;并对两种预应力混凝土组合箱梁的动力特性进行对比。研究成果表明:与平板钢腹板组合箱梁相比,预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁的腹板纵向刚度很小,横向挠曲刚度较高;波纹钢腹板组合箱梁跨中剪力滞效应较为显著,整体刚度较小。     

波形钢腹板箱梁承载能力试验研究

通过3根波形钢腹板模型箱梁的荷载试验，量测布置在跨中底板混凝土中的钢筋应力、箱梁跨中竖向位移，波形钢腹板的主应力，并观测模型梁底板裂缝的形成以及箱梁结构的破坏状态，由试验结果分析其承载能力，为建立波形钢腹板箱梁设计实用计算公式提供参数。     

火灾下预应力混凝土T形截面梁破坏模式研究

为了给出火灾下预应力混凝土薄腹梁的破坏准则,针对火灾下预应力混凝土T形截面梁桥的破坏问题,研究火灾高温传导模式和热传导混合边界条件,设定预应力混凝土T形截面梁的火灾作用模式,分析其温度场分布状态,并给出预应力混凝土T形截面梁变形破坏的计算细节和判定条件。采用热力场耦合计算方法,研究不同火灾模式下预应力混凝土T形截面梁桥的破坏模式,跟踪不同火灾模式下预应力混凝土T形截面梁的梁肋变形和翼缘板变形路径。研究结果表明:仅预应力混凝土T形截面梁的梁肋受火时,梁肋的破坏时间和翼缘板的破坏时间相同,其耐火时间相对于其他受火模式较长;预应力混凝土T形截面梁下部单侧受火时,T形截面梁的截面产生显著畸变,受火侧翼缘板的破坏先于梁肋的破坏,破坏时间提前10min;预应力混凝土T形截面梁下部和顶部均受火时,两侧翼缘板的破坏均先于梁肋的破坏,破坏时间提前10min;预应力混凝土T形截面梁顶板受火或整体受火时,T形截面梁的破坏时间相对较早,为40~60min,顶板受火对预应力混凝土T形截面梁的耐火极限影响显著,该研究可为预应力混凝土薄腹梁的抗火性能研究和抗火设计提供理论依据。     

单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁剪力滞效应研究

由于单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁截面剪力滞效应与混凝土箱梁截面剪力滞效应相比有很大差异,并且波形钢腹板几乎承担了全部剪力,波形钢腹板的剪切模量也需要进行修正。为研究单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应,从波形钢腹板PC组合箱梁的受力特点出发,以满足剪力滞翘曲应力的轴向平衡条件,采用二次、三次抛物线定义了单箱双室、单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的纵向位移差函数,利用势能驻值原理的能量变分法建立了波形钢腹板PC组合箱梁考虑剪力滞、剪切变形效应的控制微分方程组,并推导出简支梁、悬臂梁、连续梁在集中荷载、均布荷载作用下的解析解。通过解析法和有限元法分别计算了简支梁和悬臂梁的剪力滞效应,并研究了集中荷载和满跨均布荷载作用下的单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞分布规律,结果表明:采用二次抛物线剪力滞翘曲位移函数推导的剪力滞系数更为合理;单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁在跨中集中荷载下,波形钢腹板与混凝土顶、底板交界处的剪力滞效应较为突出;随着波形钢腹板PC箱梁室数的增加,剪力滞系数明显减少,且解析解与有限元数值解一致,表明了解析解的正确性,并通过分析给出了相应的剪力滞系数,可以为单箱多室波形钢腹板箱梁的设计计算提供参考依据。     

均布荷载作用下波形钢腹板简支箱梁的挠度

基于波形钢腹板组合箱梁的特点,在其承受均布荷载作用下,运用能量变分原理推导了波形钢腹板简支箱梁考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切效应下的挠度计算公式.结合室内模型试验梁的实测值和ANSYS三维有限元的计算值,对该公式的正确性进行了验证,同时分析了这2种影响因素对波形钢腹板简支箱梁挠度的影响程度.结果表明:该公式的计算结果与实测值及有限元计算值吻合良好;在承受均布荷载作用下,与初等梁理论计算的挠度相比较,剪力滞效应和波形钢腹板的剪切效应分别增大波形钢腹板简支箱梁挠度的1.82％和36.36％,因此在实际计算中必须考虑波形钢腹板剪切效应对挠度的影响,而可以忽略剪力滞对挠度的影响,研究结论可为今后波形钢腹板箱梁桥的设计计算提供参考.     

大跨波形钢腹板预应力组合箱梁桥线形控制技术研究

波形钢腹板体外预应力组合箱梁的显著特点是用波形钢腹板取代了混凝土腹板,其受力性能与常规预应力混凝土箱梁有较大差别。为了研究剪切变形和日照温度效应对大跨波形钢腹板预应力组合箱梁桥线形控制影响,本文以桃花峪黄河大桥跨大堤桥为背景进行了分析,研究表明:(1)剪切变形对大跨波形钢腹板预应力组合箱梁挠度影响不可忽略,需要以能精确模拟此类结构构造特点的空间有限元分析计算为基础进行该类结构线形控制。(2)在日照温度挠度效应方面,波形钢腹板预应力组合箱梁的日照温度挠度效应趋势和常规PC箱梁相同,但是其温度挠度变化比同跨径常规PC箱梁小。     

波形钢腹板预应力混凝土箱梁的试验研究

为研究波形钢腹板预应力混凝土箱梁这种新型桥梁结构的力学性能,根据国外已建实桥的箱梁尺寸,设计了缩尺模型试验梁。通过测试模型梁在静力荷载作用下的挠度和应变,来分析这种箱梁结构的弯曲、扭转和畸变等力学特性。试验结果表明:在弯曲荷载作用下,波形钢腹板主要承担剪力,而弯矩仅由混凝土顶板和底板来承担,同时箱梁的挠度应计及钢腹板的剪切变形的影响。另外,波形钢腹板预应力混凝土箱梁对偏心荷载作用时产生的扭转变形和畸变的抵抗能力相对较差。波形钢腹板预应力混凝土箱梁具有区别于传统混凝土箱梁结构的的力学特性。     

单箱多室波形钢腹板箱梁剪力滞研究

为客观准确地对单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应进行评价,结合单箱多室混凝土箱梁的计算特点,定义了波形钢腹板箱梁的剪滞翘曲位移函数,通过能量变分法建立了单箱双室和单箱三室波形钢腹板箱梁考虑剪力滞效应的基本微分方程。分别采用有限元方法和解析方法分析计算了范例的剪力滞效应,研究了跨中集中荷载和满跨均布载荷作用下截面的剪力滞分布规律,探讨了跨宽比对剪力滞效应的影响。研究表明,该解析解与有限元数值解吻合较好,但在箱梁顶底板与波形钢腹板接合处、外伸悬臂板边缘处有一些差异,需要进行修正。研究给出了相关的剪力滞系数,可以为波形钢腹板箱梁设计时的剪力滞系数取值提供参考。     

装配式波形钢腹板钢箱组合箱梁扭转性能分析

为了更好地推广装配式波形钢腹板钢箱组合梁,对其在偏心荷载作用下的扭转性能进行了研究。首先,基于乌曼斯基第二理论和能量原理,分别推导了装配式波形钢腹板钢箱组合梁的扭转约束、畸变控制微分方程,并计算了跨中截面翘曲正应力的理论值。随后,采用有限元分析软件ANSYS建立了相应的数值模型与数值分析结果。理论与数值分析均表明:截面顶、底板内的翘曲正应力呈反对称分布,且畸变是引起翘曲正应力的主要因素;波形钢腹板内的翘曲正应力很小,可以忽略不计。理论方法具有适用性和有效性。     

波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能

为研究波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能,利用ANSYS/CivilFem软件建立波形钢腹板预应力组合箱梁和常规PC箱梁空间有限元模型,对二者在相同顶底板初始应力和相同预应力配置这2种情况下的徐变效应,包括结构长期变形、体内和体外预应力损失率进行对比分析.结果表明:徐变引起的波形钢腹板箱梁挠度增量大于混凝土腹板箱梁;徐变引起的波形钢腹板箱梁体外预应力损失率大于混凝土腹板箱梁;体内预应力损失率小于混凝土腹板箱梁.     

变截面波形钢腹板PC梁桥的设计与计算分析

结合一座实际工程的大跨波形钢腹板组合连续梁桥,阐述其箱梁截面结构设计、混凝土与波形钢腹板之间的剪力连接件、以及布束体系等,之后采用Midas建立了主梁的空间杆系有限元模型,对其混凝土顶、底板应力及抗弯承载力进行了验算,并对波形钢腹板剪应力及剪力连接件剪切承载力单独进行了验算,结果表明:混凝土顶板和底板的抗裂性能满足要求;波形钢腹板强度足够,不会出现剪切破坏和屈曲失稳;剪力连接件设计合理、抗剪能力满足要求。可为类似大跨波形钢腹板PC箱梁提供参考。     

波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁塑性铰长度研究

为研究波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁的塑性铰长度问题,采用有限元数值计算与既有试验数据相结合的方法,确定这类箱梁在地震等破坏荷载下的内力重分布及塑性变形能力。基于OpenSees平台建立了波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁的非线性有限元数值计算模型,利用2个不同学者的试验数据,从破坏荷载、跨中挠度、体外预应力筋应力增量、混凝土压应变等方面验证了数值计算模型,并对比分析了计入剪切变形和不计入剪切变形对箱梁挠度的影响;在此基础上,对影响波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁塑性铰长度的参数进行了研究。最后,通过比较已有公式的塑性铰长度计算值与数值模拟值,提出了适合波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁的塑性铰长度计算式。结果表明:实际计算中可以不计入剪切变形对波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁挠度的影响;剪跨比和有效预应力对波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁的塑性铰长度有显著影响,而受拉钢筋面积和混凝土强度对该类箱梁塑性铰长度的影响相对较小。