波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析

针对目前国内跨度最大的波纹钢腹板预应力组合箱梁桥——三道河中桥,对其箱梁主体、波纹钢腹板、剪力连接键及预应力布置等方面的设计及构造细节进行了介绍;并采用ANSYS建立了其空间有限元模型,参照现行的桥梁设计规范对其设计计算过程中的截面受力、波纹钢腹板的受力、剪力连接键的抗剪能力以及主梁变形等关键性问题进行了详细的阐述。计算结果表明,在正常使用极限状态下,混凝土顶底板的应力、波纹钢腹板剪应力及主梁挠度满足要求,且波纹钢腹板不会在其发生剪切屈服之前而发生局部屈曲、整体屈曲或合成屈曲破坏;在承载能力极限状态下,主梁承载能力满足要求;剪力连接键的抗剪能力满足要求且具有较大的安全储备。可为今后波纹钢腹板预应力组合梁桥的设计计算提供参考。     

波纹钢腹板组合箱梁的抗剪受力性能

以某跨径为40 m的波纹钢腹板预应力组合梁桥为原型,根据相似理论设计制作了缩尺模型试验梁。通过测试模型梁在静力荷载作用下的挠度和应变,研究了该桥型的抗剪受力性能。采用有限元方法研究了波纹钢腹板的整体尺寸、波纹板厚度、波折角度、波纹板高度和平板宽度等对波纹钢腹板构件非线性剪切屈曲性能的影响。另外,对Hamilton所做的波纹钢腹板剪切屈曲试验结果进行了回归分析,给出了波纹钢腹板局部屈曲强度的半经验半理论计算公式。结果表明:混凝土顶板和底板承担了大部分弯矩,波纹钢腹板主要承担剪力,且剪力沿波纹板高度方向均匀分布。     

波形钢腹板内衬混凝土组合梁弯、剪性能试验

为改善波形钢腹板组合梁负弯矩区受力性能,避免波形钢腹板剪切屈曲以及受压翼缘局部屈曲,提出波形钢腹板内衬混凝土形成组合构造的措施。通过设计具有不同弯、剪比参数的2个试件,开展波形钢腹板内衬混凝土组合梁模型试验,研究其承受弯矩与剪力共同作用下的力学性能,明确不同弯、剪比对极限承载能力以及失效模式的影响,建立弯、剪共同作用的相关方程。试验结果表明:试件的破坏模式为明显的弯、剪耦合破坏,内衬混凝土出现弯曲、剪切2类主裂缝;弯剪比对试件未开裂截面抗剪刚度影响较小,但对初始开裂后试件抗剪刚度影响较大;弯剪比增大,试件开裂荷载减小,结构的延性增加;在弯、剪共同作用下,未开裂截面应变基本满足平截面假定,但受拉区混凝土开裂后,相应区域波形钢腹板由于"折叠效应"应变较小,平板段几乎为0,斜板段由于混凝土的挤压作用应变不为0。最终依据模型试验与数值模拟结果,建立弯、剪共同作用下波形钢腹板内衬混凝土组合梁承载力评价准则,为今后的设计提供参考。     

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。     

带加劲肋钢-混凝土组合蜂窝梁开孔腹板的抗剪性能

带加劲肋钢-混凝土组合蜂窝梁腹板成排开孔后,主要削弱了其抗剪稳定性和抗剪强度。为探明这一新型桥梁结构的力学特点,采用有限元方法对钢-混凝土组合蜂窝梁开孔腹板的抗剪性能进行了深入研究。对不同边界条件下的开孔腹板进行弹性剪切屈曲分析,考虑孔洞的影响引入径高比和宽高比参数,对实腹板剪切屈曲系数加以修正,并引入约束系数表征约束程度,推导得到了开孔腹板剪切屈曲系数的计算公式。建立开孔腹板抗剪极限承载能力有限元计算模型,考虑材料、几何双重非线性,对不同参数开孔腹板的抗剪承载能力进行了大量的有限元分析,在数据分析基础上量化弹性屈曲荷载和屈曲后荷载对开孔腹板抗剪承载能力的贡献。引入腹板的开孔率参数,提出了开孔腹板抗剪极限承载力的计算公式,同时分析了不同初始几何缺陷对开孔腹板抗剪性能的影响。结果表明:不同边界条件下的开孔腹板剪切屈曲系数公式与有限元值吻合良好;开孔腹板仍可发展一部分屈曲后强度,屈曲后强度可偏保守地表示为开孔腹板塑性强度的30%,开孔腹板抗剪极限承载力计算公式与有限元计算结果吻合较好,且总体偏于安全;不同的初始几何缺陷对开孔腹板荷载-位移曲线形式有较大影响,但对其抗剪承载能力影响很小。     

波形钢腹板组合梁桥的特性及应用

波形钢腹板组合梁桥是一种采用波形钢腹板代替传统的混凝土腹板,与混凝土顶、底板连接形成的组合结构形式桥梁。其混凝土顶、底板几乎承受了组合截面的全部弯矩,而波形钢腹板承受了组合截面剪力的主要部分,充分发挥预应力混凝土和钢材这两种材料的性能。主要介绍该形式桥梁在结构设计、预应力效率、截面抗剪性能以及结构抗震性能等方面的特点;介绍该桥型的应用现状,分析比较其适用范围;探讨该桥型的施工特点,根据桥梁实例分析比较悬臂施工、少支架施工、预制装配施工等多种施工方法;并测算对比了波形钢腹板-PC组合梁桥在经济性上的优势。通过论证表明,波形钢腹板-PC组合梁桥较传统混凝土桥及钢结构桥在诸多方面具有优势,在我国工程界具有较好的应用前景。     

一种新型抗剪连接件试验研究

抗剪连接件在组合梁中主要用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁之间的纵向剪力,是钢腹板与混凝土上、下翼板连接设计的关键环节.提出一种新的翼缘型开孔波折板抗剪连接件,并对传统的开孔直钢板抗剪连接件与这种新型开孔波折板抗剪连接件试件进行推出试验.考察开孔个数、穿筋与否对2种连接件承载力的影响.试验结果表明,在同等条件下,这种开孔波折板抗剪连接件具有更高的承载力.     

体外预应力FRP-混凝土组合梁受力性能研究

体外预应力FRP-混凝土组合梁是在体外预应力钢-混凝土组合梁的基础上,分别采用GFRP型材替代型钢、GFRP筋替代钢筋、CFRP筋替代预应力钢筋而形成的一种新型组合梁。开展了体外预应力FRP-混凝土组合梁(分别采用工程中常用的2种抗剪连接方式,即双排FRP开孔板连接件与环氧粘结)在单调静力荷载下的受力性能试验研究。试验表明:2种组合梁的破坏均发生在FRP型材上翼缘与混凝土板的连接界面处,破坏时2种组合梁的混凝土板均未被压碎,CFRP筋的应变值远低于其极限应变;2种组合梁的荷载-跨中挠度曲线均大致为线性;采用环氧粘结的组合梁的最大跨中弯矩为136.5kN·m,对应的梁端截面处FRP型材与混凝土板之间的滑移为0.69mm,相比之下,采用开孔板连接的组合梁的最大跨中截面弯矩为109.7kN·m,此时梁端滑移值则为0.75mm,这是由于双排FRP开孔板连接件的抗剪承载力与抗剪刚度较低所致。试验测得的组合梁极限承载力与参照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的计算值吻合良好。     

运宝黄河大桥箱梁腹板抗剪性能研究

为研究单箱五室波形钢腹板部分斜拉桥腹板的抗剪性能,以即将竣工验收的运宝黄河大桥为工程背景,利用Midas FEA软件建立该桥固结区域局部有限元模型,计算腹板的剪力分配与箱梁截面的剪力滞效应,考查混凝土内衬对波形钢腹板剪应力的影响。结果表明:同一截面中外侧钢腹板承担剪力的比重高于内侧,而混凝土腹板剪力分配比重明显高于钢腹板;随着远离墩梁固结区域,同一截面内混凝土腹板处的顶板正应力减小,钢腹板处的顶板正应力增大,底板的正应力均有所减小;混凝土内衬有效地降低了钢腹板剪应力,提高了钢腹板的抗屈曲性能。     

钢箱—混凝土组合梁抗剪性能试验研究

新型钢箱-混凝土组合梁通过在钢箱截面受压区灌注混凝土,改善了梁的受力性能。通过6个钢箱-混凝土简支梁在集中力作用下受剪破坏试验,研究钢箱-混凝土组合梁的抗剪性能。试验结果表明,钢箱受压区充填混凝土后,腹板没有明显局部屈曲,试验梁的受剪破坏由没有充填混凝土的下箱室腹板屈曲引起。推导出钢箱-混凝土梁抗剪强度计算公式,计算结果与试验结果较为接近。     

波形钢腹板组合T梁静力性能试验

为探索新型结构波形钢腹板组合T梁的受力性能,制作了下翼板布置直线型体内纵向预应力筋的缩尺试验梁,采用两点对称加载的方式开展了静载破坏性试验,对试验梁的截面正应变分布、荷载-位移曲线、开裂弯矩、剪应力分布、破坏形态、裂缝发展规律等进行测试。使用ABAQUS软件建立了试验梁的有限元模型,采用混凝土的损伤塑性模型和钢材的理想弹塑性本构对加载全过程进行非线性分析。基于钢-混组合梁的收缩、徐变理论和钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算方法,对试验梁的开裂荷载和抗弯承载力进行理论计算。结果表明：只布置下翼板纵向预应力筋的波形钢腹板组合T梁的荷载-位移全过程曲线表现出较明显的弹性、弹塑性和塑性变形阶段,具有较大的抗弯刚度和良好的抗裂性和延性;抗弯承载力与开裂荷载的比值为1.79,具有较合理的承载受力特点;整个加载过程中,钢腹板与混凝土翼板变形协调,表现为典型的受弯破坏形态;剪应力在波形钢腹板组合T梁的腹板中分布均匀,可不设置弯起筋提供抗剪承载力;忽略波形钢腹板的轴向变形刚度和抗弯承载力,能准确计算开裂荷载和抗弯承载力;波形钢腹板组合T梁的力学机理明确,静力性能良好,具有工程应用前景。     

钢混组合梁力学性能的研究

由于钢混组合梁形式较多,选取波纹钢腹板与平钢腹板组合槽形梁为研究对象，对两种形式的组合梁进行力学性能对比分析；以某试验梁为依托，建立平钢腹板和波纹钢腹板2种腹板形式的实体有限元模型并对其进行破坏加载，比较两者的截面应变分布、荷载-位移曲线、刚度，并对钢腹板全过程力学行为进行分析。结果表明：波形钢腹板对强度的影响并不明显，但平钢腹板极易出现屈曲破坏状态；波纹钢腹板混凝土槽形组合梁、平钢腹板混凝土槽形组合梁荷载-位移曲线总体上均具有显著的弹性阶段、弹塑性阶段、弱化阶段；平钢腹板组合梁在弹塑性阶段位移增长较快，弱化阶段强度下降速率较快；加载过程中，刚度、Mises应力均小于波形钢腹板。     

大跨径波形钢腹板梁桥试设计及探索

波形钢腹板组合箱梁从根本上回避了一般预应力混凝土箱梁桥腹板开裂病害问题,合理地将钢、混凝土两种材料结合,改善结构力学性能并减轻结构自重,理论上波形钢腹板梁桥可以超过混凝土腹板梁桥达到更大的跨度。由于梁桥中墩墩顶处负弯矩承载力有限,通过负弯矩对比的方式,试设计主跨360 m的波形钢腹板组合梁桥,并建立有限元模型,对结构抗弯、抗剪承载力,以及连接件等进行计算,结果表明试设计方案是成立的。钢腹板整体屈曲稳定性是制约波形钢腹板梁桥跨径增大的主要因素之一。为解决现有的波形钢腹板型号应用在大跨度梁桥中整体屈曲强度折减较严重的问题,研究设置纵向横隔和采用大尺寸波形钢腹板型号的应对措施,从而为波形钢腹板梁桥向更大跨度发展做出积极探索。     

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。     

带波形钢腹板挑梁的钢-混凝土组合脊骨梁设计计算方法

根据带波形钢腹板挑梁的钢-混凝土组合脊骨梁的小箱梁、大悬臂的结构特点,提出了考虑偏载效应影响的组合脊骨梁正应力计算公式;通过确定合理的抗弯极限状态,并基于简化塑性理论,推导出组合脊骨梁正、负弯矩截面的极限抗弯承载力计算公式和考虑混凝土翼板贡献的抗剪承载力计算公式;同时提出了波形钢腹板组合挑梁荷载横向分布计算的修正刚接梁法以及受载挑梁荷载横向分布系数随载位沿挑梁纵向变化而呈三次曲线分布的假设,并按照拟平截面假定,推导了波形钢腹板组合挑梁的开裂弯矩和弹性抗弯承载力计算公式。在此基础上进行了相应的模型试验研究,理论分析值和试验结果吻合良好,说明本文的设计公式精度满足要求,能够用于同类结构的设计计算。     

预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究

为探究火灾对预应力混凝土空心板梁受力性能的影响机理,制作10片跨径13 m的预应力混凝土空心板梁进行火灾模拟试验和火灾后的静力加载试验,分析火灾过程中及火灾后的试件状态、梁体内部温度及火灾后的剩余承载能力。结果表明:火灾初期梁体受火面混凝土会随机性爆裂,爆裂削减了钢绞线的混凝土保护层厚度,导致钢绞线火灾中温度显著升高;随着火灾时间增长,梁体腹板中部出现竖向裂缝,梁体逐渐下挠,内部温度逐渐升高,但高温影响区主要集中在距受火面10 cm以内。火灾后梁体剩余承载能力跟火灾持续时间有一定的关联性,但关键取决于火灾中钢绞线经历的最高温度;钢绞线的混凝土保护层爆裂越严重,保护层厚度越薄,钢绞线经历的温度越高,火灾后梁体承载能力损失越严重。     

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。     

波形钢腹板PC组合箱梁结构设计与试验研究

通过对大尺寸波形钢腹板PC组合模型箱梁进行的设计和试验研究,得到一些有价值的结果,为波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计和施工提供经验。结果表明,采用贴角焊将分段波形钢板连接成整体是可行的。波形钢腹板的纵向正应变值比混凝土顶板、底板小得多,数值上接近于零。试验梁的破坏形态为典型的弯曲破坏。