考虑全截面剪切变形效应的波形钢腹板箱梁挠度计算

为了分析计算波形钢腹板箱梁在竖向荷载作用下的弯曲挠度,考虑波形钢腹板和混凝土顶、底板在其自身平面内的全截面剪切变形,引入符合力学规律的波形钢腹板和混凝土顶、底板在其面内剪切变形的位移函数,利用能量变分原理,推导出波形钢腹板箱梁挠度计算的解析解。结合单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法和ANSYS有限元解进行了比较分析。结果表明:该解析解的计算结果比仅考虑波形钢腹板剪切变形的计算结果更加精确,与有限元分析结果吻合良好,误差在5%以内,满足挠度计算的精度需求,且跨径越小,全截面剪切变形效应对挠度的影响越明显;针对单箱单室波形钢腹板箱梁,全截面剪切变形效应对挠度的贡献最大为36. 12%,其中波形钢腹板的剪切变形对总挠度的贡献最大为34. 46%,剪力滞效应对总挠度的贡献最大为1. 66%;而对于单箱双室波形钢腹板箱梁,全截面剪切变形效应对挠度的贡献最大为40. 91%,其中波形钢腹板的剪切变形对总挠度的贡献最大为36. 03%,剪力滞效应对总挠度的贡献最大为4. 88%;在相同的工况下,波形钢腹板箱梁的箱室越多,全截面剪切变形效应对挠度的贡献越大,挠度贡献值的最大增幅为4. 79%,在不同的工况下,集中荷载作用下全截面的剪切变形效应较为明显。     

波形钢腹板组合箱梁弹性阶段弯曲理论及模型试验研究

基于波形钢腹板组合箱梁独特的受力特点,建立了系统的弹性阶段受弯分析理论：从弯曲正应变分布的拟平截面假定出发,采用材料力学方法,推导了正应力、剪应力及波形钢腹板承担的剪力占整个截面所受剪力比例的计算公式;运用能量原理推导了挠度的计算公式。分析表明：在完全忽略波形钢腹板弯曲刚度的情况下,其剪应力沿梁高是不变的;波形钢腹板承担的剪力比例一般在80％以上;在设计常用的高跨比下,波形腹板剪切变形引起的挠度不可忽略。在此基础上,进行了1根模型梁的试验研究,理论分析值与试验结果、空间有限元计算值吻合良好,说明本文理论公式可以在设计中应用。     

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。     

基于有限梁段法的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析

为简化并准确分析波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应,基于波形钢腹板组合箱梁能量变分法微分方程,考虑波形钢腹板剪切变形及体外预应力作用,采用有限梁段法推导得到梁段单元的系数矩阵和广义外荷载向量计算公式,求解波形钢腹板组合箱梁任意点的弯曲应力。以某等截面波形钢腹板组合简支试验梁为算例,将跨中截面正应力有限梁段法计算值与试验值、变分法及有限元法计算值进行对比,该方法跨中正应力分布与其它方法结果均吻合较好,顶板有限梁段法正应力峰值与有限元计算值相差仅1.6%,验证了该方法准确度较高。采用该方法分析伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥波形钢腹板组合连续箱梁桥在悬臂施工及成桥阶段的剪力滞效应,结果表明：悬臂施工阶段,随着悬臂长度增加固定端剪力滞效应逐渐减弱;成桥阶段,中支点和集中荷载加载点处剪力滞效应非常显著,均布荷载作用下边跨正弯矩区剪力滞系数较大,中支点处的峰值为1.13。     

变截面CSW-UHPC组合梁负弯矩区弯曲性能试验研究

为改善常规混凝土波形钢腹板(CSW)组合梁受拉区的受力性能，进一步减小结构重量并推动超高性能混凝土(UHPC)在桥梁工程中的应用，提出一种新型变截面预应力CSW-UHPC组合箱梁结构，为研究其基本受力特征，特别是其抗弯与抗裂性能，设计并完成了一片预应力变截面CSW-UHPC组合悬臂箱梁的负弯矩静力模型试验，测试得到试验梁的荷载-应变响应、裂缝开展模式、挠度及破坏荷载等试验结果。依据试验结果对结构的剪力滞效应和钢腹板承剪比进行了研究；并深入研究了CSW-UHPC组合箱梁的抗裂性能和抗弯承载力计算方法；同时，完成了试验梁的非线性有限元分析。结果表明：这种变截面CSW-UHPC组合箱梁表现出良好的受力、变形和抗裂性能；试验梁的悬臂根部截面产生了负剪力滞效应，剪力滞效应越靠近加载点越明显；悬臂端部到根部截面，试验梁腹板承剪比从80.33%逐渐减小至2.15%;试验梁的极限抗弯承载能力和抗裂弯矩的理论值与试验值较为吻合，建议在计算承载力时，k值取为0.1～0.2。研究成果可为变截面预应力CSW-UHPC组合箱梁结构的设计与应用提供参考。     

单箱多室波形钢腹板组合箱梁斜拉桥抗剪特性研究

为了解单箱多室波形钢腹板组合箱梁斜拉桥在施工过程中的剪应力分布情况,以某单箱五室波形钢腹板PC组合箱梁斜拉桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立全桥空间有限元模型和边塔主梁施工过程精细模型,并结合实桥施工监测数据,研究单箱多室波形钢腹板组合箱梁在不同施工阶段的抗剪特性。结果表明:波形钢腹板组合箱梁的挠度实测值与精细模型计算值基本吻合;斜拉索张拉时,组合箱梁的剪切变形会显著增大组合箱梁的挠度;单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的腹板剪应力沿高度方向变化较小,呈等值分布;各腹板的剪应力分布与施工工况有关,在斜拉索张拉阶段剪应力主要由中腹板承担,但后续节段施工会改善腹板间的剪应力不均匀现象。     

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。     

考虑剪切剪滞双重效应波形钢腹板组合箱梁的矩阵分析

为了更精确地研究考虑剪切剪滞双重效应波形钢腹板组合箱梁的力学性能,首先运用有限元分析方法,在综合考虑剪力滞与剪切变形双重效应影响的基础上,通过能量变分原理导出了波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程并给出了解析解;之后在该解析解的基础上进一步推导了单元刚度矩阵及结点荷载列阵,还根据相关方程编制了FORTRAN有限元程序;最后将室内模型试验梁对波形钢腹板简支梁和连续梁的实测结果与所提理论的计算结果、ANSYS实体单元模型的计算结果进行对比分析。结果表明:所提理论和模型试验、有限元模拟3种方法所得剪力滞系数和挠度值吻合良好,且理论计算值与模型试验实测值所得跨中剪力滞系数、挠度值更接近;简支梁在承受集中荷载作用比承受均布荷载作用同一截面处的剪力滞效应影响大,连续梁在承受集中载荷作用时,在支座附近处截面的剪力滞效应的影响比跨中要大,并在靠近弯矩零点的一部分区域内表现出负剪力滞现象;波形钢腹板简支梁、连续梁的剪力滞系数随跨宽比的增大而呈曲线减小。研究成果可将波形钢腹板考虑双重效应的复杂计算问题,方便地纳入普通杆系结构矩阵位移结构体系中,可直接得到用于结构设计的剪力、弯矩,从而避免建立复杂的ANSYS有限元模型。     

基于动力刚度矩阵的波形钢腹板PC连续箱梁桥自振频率分析

为合理分析波形钢腹板的剪切变形对波形钢腹板PC连续箱梁桥自振频率的影响,首先,运用能量变分原理推导出波形钢腹板PC箱梁桥的单元刚度矩阵。其次,根据推导所得的单元刚度矩阵,采用MATLAB软件编制了考虑钢腹板剪切效应影响的多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥自振频率计算的求解程序。该程序计算所得自振频率值的正确性,得到了已建实桥频率实测值和ANSYS三维有限元计算值的验证。最后,对多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥弯曲振动频率的影响参数进行了分析。结果表明:本研究程序计算的自振频率值与已建实桥的实测值及有限元值吻合较好,该求解程序具有较高的精度,前5阶自振频率的差值在6.01%和7.32%以内;波形钢腹板的剪切变形效应对波形钢腹板PC连续箱梁桥的自振频率影响较大,而波形钢腹板的剪切模量是否进行修正及波形钢腹板的型号对该桥型的弯曲振动频率的影响较小,前5阶弯曲振动频率的差值在1.07%和0.55%以内,可以将其忽略不计;可将考虑剪切变形效应下波形钢腹板PC连续梁桥的动力分析问题,方便地纳入到普通杆系结构矩阵位移体系中,避免了ANSYS有限元模型建立和求解的复杂性,可为该桥型弯曲振动频率的计算与分析提供一定的参考依据。     

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.     

单箱双室波形钢腹板pc组合箱梁桥偏载系数研究

基于南昌市朝阳大桥非通航孔段K26~K29的波形钢腹板PC箱梁桥,采用ansys软件建立三跨连续单箱双室波形钢腹板箱梁静力模型,通过比较模型桥试验、有限元方法和理论公式的分析结果,研究了偏载系数随着加载位置和加载力大小的变化规律。结果表明:加载截面附近内衬混凝土、横隔板、预应力钢束的存在,一定程度上加强了截面的刚度,致使截面挠度有所降低;经验系数法和经修正后的偏压系数法都不适用于单箱多室波纹钢腹板pc组合箱梁桥的偏载系数计算分析;对于该类单箱多室波纹钢腹板pc组合箱梁桥,有限元法得出的偏载系数与实测值较吻合,可作为以后工程设计参考。     

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。     

钢底板-波形钢腹板连续刚构桥悬臂拼装异步施工线形控制技术研究

钢底板-波形钢腹板连续刚构桥悬臂拼装异步施工过程复杂，线形控制难度较大。通过数值分析与现场监测相结合的方式，建立有限元计算模型，讨论了剪切变形、相对湿度等因素对主梁挠度的影响，进一步优化预拱度，同时结合监测数据进行分析，结果表明：剪切变形对主梁挠度的影响较大，对于波形钢腹板刚构桥，其挠度计算不能忽略该部分的影响；在进行预拱度设置时，应重视环境相对湿度的影响；通过对主梁各工况变形的监测，主梁实际变形规律与理论基本相符，主梁合龙后线形平顺。     

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。     

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。     

波形钢腹板连续组合箱梁桥的荷载横向分布

采用修正偏心压力法研究波形钢腹板连续组合箱梁桥的荷载横向分布规律。结合工程实例,利用修正偏心压力法计算某单箱三室波形钢腹板连续组合箱梁桥的荷载横向分布系数,利用空间有限元分析程序进行了数值模拟,并对其偏心荷载工况下的挠度进行了实测。将修正偏心压力法、有限元模拟方法得到的挠度值与实测挠度值进行对比。结果表明,修正偏心压力法将空间问题转化为平面问题,且充分考虑了波形钢腹板组合箱梁的抗扭作用。得到的荷载横向分布系数与有限元计算结果吻合较好。采用该方法计算波形钢腹板连续组合箱梁桥荷载横向分布是可行且偏于安全的。     

波形钢腹板PC组合箱梁扭转性能分析

波形钢腹板PC组合箱梁具有自重轻,抗剪强度高,预应力施加效率高等优点。但由于其截面扭转刚度低于常规箱梁,使得结构扭转效应明显。该文运用乌氏第二定理推导波形钢腹板箱梁在偏心荷载作用下约束扭转应力及刚性扭转角计算公式;采用初参数法求解波形钢腹板PC组合箱梁的刚性扭转角、翘曲正应力及扭转剪应力。结合相关文献的实测数据及有限元分析结果验证理论分析方法的准确性,并对波形钢腹板PC组合箱梁桥的扭转性能进行分析。由约束产生的翘曲正应力有限元分析结果为理论计算结果的97.14%,扭转剪应力有限元分析结果为理论计算结果的102.13%。