移动荷载下波形钢腹板曲线组合梁桥动力特性研究

综合考虑曲梁弯扭耦合、腹板剪切变形及箱梁的约束扭转,利用能量变分法和哈密顿原理对移动荷载作用下波形钢腹板曲线组合梁桥的竖向自振频率和动位移解析解进行了推导,将理论值与文献算例值及有限元值进行对比,验证了理论推导的正确性。在理论推导的基础上,探究了腹板剪切变形和箱梁约束扭转对曲梁自振及强迫振动的影响。结果表明箱梁的约束扭转对曲梁自振及强迫振动动力响应影响较小,腹板剪切变形影响较大,在计算中不应忽略。     

考虑截面剪切变形时曲线箱梁的弯扭分析

为了分析剪切效应对曲线箱梁的影响,基于薄壁箱梁弯曲理论,用一个剪切翘曲参数来综合表达翼板和腹板的剪切变形,运用能量变分法导出考虑剪切效应及约束扭转时曲线箱梁弯扭挠曲控制微分方程组.通过分析边界条件,采用伽辽金数值法求解上述微分方程,从而得出曲线箱梁的弯扭挠曲应力表达式.数值算例结果表明,按本文公式计算出的曲线箱梁弯扭挠曲应力与实测值吻合良好,验证了本文方法的正确性;腹板的剪切变形对箱梁剪切翘曲应力影响较小,可忽略.通过分析曲线箱梁在竖向均布荷载下的整体正应力可知,剪切翘曲应力占比为15%~20%,而扭转翘曲应力相对较小,占比约为6%.     

波形钢腹板组合梁弯曲变形的三角级数解

为研究波形钢腹板剪切变形对波形钢腹板组合梁弯曲变形行为的影响,采用三角级数拟合简支波形钢腹板组合梁的变形曲线,各构件弯曲变形满足平截面假定,基于最小势能原理,推导了简支和悬臂波形钢腹板组合梁分别在均布荷载和集中荷载作用下的弯曲变形解析解和简化解;基于简化解推导出考虑剪切变形的波形钢腹板组合梁挠度增大系数,并给出对考虑剪切变形影响与否的高跨比界限;采用有限元方法验证了解析解和简化解的正确性和适用性. 研究结果表明:所提方法边界条件明确、推导过程简单、结果可靠、适用性强,可为波形钢腹板组合梁的设计和变形计算提供可靠的依据.      

钢-混凝土组合箱梁桥异型岔口正弯矩区受力性能分析

为了研究异型梁的受力和承载性能,通过有限元程序ANSYS建立板壳单元三维空间模型,对北京南站高架桥某联正弯矩区组合箱梁异型岔口进行分析,重点分析岔口处钢箱-混凝土结合梁受力性能,即钢箱梁在各种荷载工况下的应力和变形特征,弯扭耦合作用下异形岔口的受力,活载偏载作用下支座反力。最后对钢梁腹板厚度、弯扭刚度比及横隔板进行了参数分析,明确了其对异形梁受力性能的影响。     

波形钢腹板组合箱梁自振特性与试验研究

为了精确计算波形钢腹板组合箱梁的振动频率,根据能量变分原理,推导了振动频率公式,得到了考虑剪切变形及剪力滞效应的各阶自振频率的解析解。对一试验波形钢腹板组合箱梁进行了动力测试,得到了实际自振频率,并与简单梁理论、本文理论公式与三维有限元模型的计算频率进行对比。结果表明:剪力滞效应及剪切变形对波形钢腹板组合箱梁的振动频率影响较大,考虑剪力滞及剪切变形影响后的波形钢腹板组合箱梁的振动频率有所降低,且降低程度随着计算频率阶次的增加而迅速增加,因而在波形钢腹板组合箱梁振动频率的计算中须计其影响。     

新型波形钢腹板组合箱梁桥横隔板间距研究

为有效控制新型波形钢腹板钢底板混凝土顶板组合箱梁畸变和翘曲效应,利用有限元模型分析横隔板形式和数量对偏心荷载作用下新型组合梁截面畸变性能的影响,并基于参数研究腹板厚高比和截面厚宽比与横隔板间距的关系。结果表明:横隔板可有效增强新型波形钢腹板组合箱梁抗畸变性能,但对控制截面扭转变形作用较差;腹板厚高比和截面厚宽比对组合梁截面畸变效应影响较大,综合考虑腹板厚高比和截面厚宽比的影响,拟合出新型波形钢腹板组合箱梁桥横隔板合理间距经验公式,所提出的经验公式计算结果与有限元结果吻合较好,可为该类组合桥梁横隔板设计提供理论支撑。     

钢-混凝土组合梁负弯矩区局部屈曲分析

侧向弯扭屈曲均为钢-混凝土组合梁负弯矩区重要屈曲模式,本文利用工形钢-混凝土组合梁中钢梁腹板在纵向线性分布应力作用下对钢梁下翼缘的侧向约束刚度计算公式,结合能量法推导了工形钢-混凝土组合梁负弯矩区钢梁的弯扭屈曲应力计算公式,并进一步获得了相应的屈曲弯矩。通过实例分析表明:现有计算方法存在一定理论缺陷,其计算结果偏差较大,计算方法更为合理。同时所得计算公式形式非常简洁,适于工程应用。     

波形钢腹板组合梁应用与研究进展

波形钢腹板组合梁具有施工速度快、节省支架和模板等优点,具有十分广阔的应用前景。在简要叙述波形钢腹板组合梁的组成及受力特点、国内外应用情况的基础上,重点介绍了波形钢腹板组合梁的抗剪性能、抗弯性能及抗扭转畸变性能在国内、外研究进展情况,指出了目前存在的问题与不足,并提出了建议,包括：如何考虑混凝土板及连接件对组合梁抗剪承载力的有利作用,不考虑波形钢腹板对梁整体抗弯的有利影响,进一步加强关于扭转畸变的研究等。     

开口薄壁杆件振动的弯扭耦合效应

本文建立了开口薄壁杆件弯扭耦合振动方程及方程的解法，通过算例说明，弯扭耦合效应是，扭振为主的频率低于杆扭振频率，弯曲为主的频率高于纯弯曲振动的频率，随着杆截面形心与杆扭转中心距离的增大，弯曲为主的频率与比这一阶频率略高的扭转为主的频率有接受直至重合的趋势。     

钢箱-混凝土组合梁桥施工期开口钢箱的稳定性分析

钢箱-混凝土组合梁桥具有自重轻、施工速度快等特点,但在开口钢箱与混凝土桥面板形成组合作用前,钢梁在施工阶段的稳定性可能成为控制设计的因素。文章以跨径25?m钢箱-混凝土组合梁桥为对象,运用三维有限元模型,对其在最不利施工阶段的整体稳定及局部稳定进行参数分析,研究表明,开口钢箱设置单斜撑式上口平联能有效增强侧向扭转稳定性;为保证开口钢箱的整体稳定性,钢箱间侧向横撑的合理间距范围是1/3L0~1/2L0;当平联节间长度与箱梁开口宽度之比β小于6时,可满足钢箱腹板局部稳定性要求;翼缘的宽厚比bf /tf的取值范围在7≤bf /tf≤12时,可满足钢箱翼缘局部稳定性要求。     

考虑剪切滑移效应的组合梁等效刚度分析

钢梁和混凝土之间的相对滑移效应使钢-混凝土组合梁变形增大。基于弹性理论,在考虑剪切滑移效应情况下,建立了钢-混凝土组合梁刚度计算的解析方法,计算组合梁任意截面的等效刚度。研究表明:截面等效刚度受到拴钉剪切刚度、剪切滑移的影响;在拴钉间距较大时,组合梁刚度和折减刚度之间有不可忽略的差值。按此方法算得的组合梁挠度值与试验结果吻合较好。     

波形钢腹板PC组合箱梁桥的挠度计算与分析

为研究箱梁剪力滞效应和钢腹板剪切变形对波形钢腹板PC箱梁桥挠度的影响,基于能量变分法对该桥型的挠度计算进行了分析.首先,从箱梁翼板的面内剪切变形和弯曲剪力流的分布规律出发,在理论上推得可同时考虑箱梁剪力滞效应和钢腹板剪切变形的纵向位移函数;其次,以所得的纵向位移函数为基础,运用能量法推导出该桥型的挠度计算公式,并用模型试验及有限元法对公式的正确性进行了验证;最后,分析在箱梁宽跨比和钢腹板高度变化时,在不同荷载类型作用下,箱梁剪力滞效应和腹板剪切变形分别对波形钢腹板PC简支和连续箱梁桥挠度的影响.研究结果表明:当宽跨比为0.108~0.650时,在集中荷载作用下,剪力滞效应和钢腹板剪切变形对波形钢腹板PC连续箱梁桥的挠度影响较大,不可忽略;当宽跨比为0.108~0.650时,在均布荷载作用下,波形钢腹板PC简支和连续箱梁桥仅需考虑波形钢腹板剪切变形对其挠度的影响,只有在特定的宽跨比和特定的波形钢腹板截面高度下,才需要考虑剪力滞效应对其挠度的影响.      

基于能量法的波形钢腹板箱梁挠度计算

文章基于能量变分原理,通过在纵向位移函数中引入翘曲变形函数以及剪切转角来分别考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的影响,提出一种波形钢腹板箱梁挠度计算的解析方法;分别针对简支梁作用均布荷载和集中荷载两种工况,推导挠度计算公式,通过与有限元方法的比较验证该方法的准确性,并进行箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的挠度贡献分析。     

钢-预应力混凝土组合梁抗扭极限分析

根据软化桁架模型理论,通过力及力矩的平衡、变形协调和材料本构关系,得出在转矩作用下预应力组合梁的受扭强度、扭率、应力、应变、扭转角等一系列方程,并推导出在转矩作用下开、闭口截面钢-预应力混凝土组合梁的抗扭极限强度计算公式.     

波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁桥疲劳性能

为研究波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式，开展了波形钢腹板-钢管混凝土(CSW-CFST)桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管(CSW-ST)桁式弦杆组合梁疲劳性能试验和有限元分析；研究了CSW-CFST和CSW-ST桁式弦杆组合梁疲劳性能的异同，分析了弦杆内混凝土改善组合梁疲劳性能的本质原因，探讨了CSW-CFST桁式弦杆组合梁疲劳寿命的评价方法，并将采用美国石油协会(API)、国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)和挪威船级社(DNV)设计标准所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命分别与试验结果进行了对比。研究结果表明:采用线性外推方式得到的CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力为二次外推方式所得的1.036倍，偏安全角度考虑，CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力宜采用线性外推求解；组合梁斜腹板段热点应力明显大于直腹板段，最大热点应力出现在斜腹板与圆弧过渡段相交处，相较于CSW-ST桁式弦杆组合梁，弦杆内混凝土能使CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力下降26.8%，但热点应力分布规律不变；建议将疲劳裂缝萌生时刻对应的反复加载次数定义为CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命；弦杆内混凝土能够延缓疲劳裂缝沿壁厚和长度方向的扩展速度，可使CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命提高61.5%，但不改变组合梁的疲劳破坏模式和疲劳裂缝类型；采用DNV所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命与试验结果间的误差最小，不超过26.4%，建议采用DNV给出的钢管相贯节点疲劳设计应力(S)-疲劳寿命(N)曲线初步计算CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命。      

悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能

以悬吊双层闭口箱梁桥面为研究对象,通过风洞试验,针对结构静力耦合与气动干扰对悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能影响进行了研究;采用变分模态分解方法对试验监测信号进行模态分解,识别颤振模态;通过振动形态矢量图与相位图对颤振弯扭耦合程度及弯扭相位差进行分析;根据最小二乘法识别颤振导数,基于激励-反馈原理,由颤振导数识别颤振气动阻尼。研究结果表明:在结构静力耦合与气动干扰共同作用下,下层断面发生软颤振,其竖向、扭转振动参与度系数分别为0.85、0.53,其颤振形态倾向于竖向振动;下层断面在自激气动力作用下发生颤振,自激气动力相位差减小导致颤振弯扭相位差减小为81.29°,而上层断面在结构耦合力作用下发生强迫振动,结构耦合力相位差决定上层断面弯扭相位差为100.81°;下层断面竖向振动气动阻尼主要来源于竖向速度自激升力负阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力负阻尼,分别为60%和40%;下层断面转振动气动阻尼主要来源于扭转速度自激升力矩正阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力矩正阻尼,分别为45%和50%。可见,对于悬吊双层闭口箱梁桥面,下层断面在竖向振动气动负阻尼驱动下发生偏于竖向振动形态软颤振,下层断面软颤振诱发悬吊双层桥面振动系统整体发生弯扭耦合软颤振。      

基于Reddy理论的新型波形钢腹板组合箱梁挠度计算

为准确计算新型波形钢腹板（CSW）组合箱梁的挠度,基于Reddy高阶剪切变形理论,考虑钢-混接触面滑移变形和全截面高阶剪切变形效应,以形函数作为单元内高度变化的插值函数,利用最小势能原理推出新型CSW组合箱梁等参有限元行列式;以一根8.0 m新型波形钢腹板简支组合箱型试验梁为例,基于本文理论编制了相应的计算程序,计算了集中、均布荷载作用下该梁的竖向挠度,并通过模型试验和有限元模拟验证了本文解析计算方法的可靠性;最后分析了剪力键剪切刚度、波形腹板型号、子梁高度比、跨高比等参数对新型CSW组合箱梁挠度的影响程度. 研究结果表明:考虑新型CSW组合箱梁全截面剪切变形效应后的挠度值较初等梁理论值增大约10%,较Timoshenko理论值增大约1.87%. 全截面剪切变形效应对挠度贡献随跨高比逐渐增大而减小. 跨高比和剪力键剪切刚度越小或子梁高度比越大,剪切变形效应对结构竖向挠度的影响越发显著,而波形钢腹板型号对箱梁挠度影响较小.      

钢箱-环氧混凝土组合梁弯曲性能试验研究

从抗弯性能、延性以及极限承载力等3个方面对钢箱-环氧混凝土组合梁及钢箱-普通混凝土组合梁进行对比试验。试验结果表明,钢箱-环氧混凝土组合梁具有更好的弯曲性能、延性以及极限承载力。     

腹板开洞钢-混凝土连续组合梁受剪性能试验研究

为研究腹板开洞连续组合梁的受剪性能,以配筋率和混凝土板厚为变量参数,对5根腹板开洞连续组合梁进行了两点单调对称集中加载试验,采用剪力分离方法对应变试验数据进行计算,得到组合梁钢梁和混凝土板承担的剪力.试验结果表明:腹板开洞不仅降低了连续组合梁的刚度和承载能力,而且引起洞口区域混凝土板和钢梁截面的竖向剪力重分布,剪力主要通过洞口上方的混凝土板来承担,占到总剪力的 85%~90%;洞口区域不再符合平截面假定,最终连续组合梁洞口发生剪切破坏,组合梁丧失承载能力;增加混凝土板厚度和截面配筋率可以提高连续组合梁的承载和变形能力,并可以用来进行洞口区域的补强.      

考虑梁弯扭耦合对钢轨横向振动特性的影响

为准确预测弹性波在钢轨中的传播，且探究考虑Timoshenko梁弯扭耦合的必要性，基于波谱-辛混合法建立了考虑梁弯扭耦合的钢轨-扣件空间无限长模型.在模型验证的基础上，分析考虑Timoshenko梁弯扭耦合对钢轨横向固有频率与速度导纳的影响，进一步从理论和试验方面分析了扣件胶垫垂向预压特性对钢轨横向弯曲振动特性的影响.研究结果表明：考虑梁弯扭耦合使得钢轨横向弯曲共振频率增大了约29.6 Hz，且在钢轨横向弯曲振动中同时出现弯曲和扭转pinned-pinned模态；扣件胶垫垂向预压特性主要影响钢轨横向中低频振动，随着预压的增大，钢轨横向弯曲共振频率增大；当预压从30 kN增加到50 kN时，实测的横向弯曲共振频率增加了13.7 Hz，考虑和不考虑梁弯扭耦合时其分别增加了12.5 Hz和21.7 Hz；不同预压下考虑梁弯扭耦合的钢轨横向弯曲共振频率变化规律与实测的结果更为接近.