时速250km/h铁路双线箱梁的畸变效应研究

为了分析时速250km/h铁路32m跨度双线标准箱梁的畸变效应,基于板壳有限元建立了畸变效应分析的数值模型。采用板壳有限元方法和传统解析方法,对比计算仅单线活载作用下的畸变应力分布规律。通过定义翘曲比例系数,研究高跨比、宽跨比和壁厚等设计参数对畸变应力的影响规律。研究结果表明:与传统解析解比较,板壳有限元法更适合于箱梁畸变效应的分析。单线活载偏心作用下,跨中截面箱梁顶板靠近翼缘板边缘部位的翘曲比例系数可达11.6%;腹板与底板相交处翘曲比例系数最大,可达13.9%。跨中和l/4截面的翘曲比例系数ξ分析表明,现有箱梁设计参数合理,跨中最大翘曲比例系数小于15%,而l/4截面基本为0。箱梁高跨比、宽高比、壁厚等设计参数对畸变效应均有一定影响,总体规律是畸变效应随高跨比、宽高比和壁厚的增大而减小。     

铁路双线箱梁的约束扭转效应研究

为分析铁路双线箱梁的约束扭转效应,基于初参数法建立仅在单线特种活载作用下的约束扭转内力方程。计算单线特种活载作用下的约束扭转应力分布规律。通过定义约束扭转翘曲比例系数、翘曲正应力比和剪切比例系数,研究高跨比、宽跨比、高宽比、壁厚和悬臂板长度等计算参数对约束扭转应力的影响规律。研究结果表明:单线活载偏心作用时,约束扭转翘曲正应力和约束扭转剪应力最大值在荷载作用截面,自由扭转剪应力最大值在梁端截面;荷载作用截面的顶板和腹板相交处翘曲比例系数可达10.13%,悬臂板端点翘曲比例系数可达11.9%;翘曲比例系数随着高跨比、宽跨比的增大而增大,随着高宽比、板厚的增大而减小;剪切比例系数随着高宽比的增大而减小,随着腹板厚度的增大而增大;悬臂板的长度对横截面翘曲正应力的分布有明显影响,因此在扭转效应分析中,悬臂板的贡献不可忽略。     

新型波形钢腹板组合箱梁畸变效应

为研究新型波形钢腹板（CSW）组合箱梁的畸变效应,以板梁框架法和位移法为基础,建立单箱多室新型CSW组合箱梁的畸变控制微分方程和边界条件,得到畸变正应力解析解,并采用有限元法检验推导结果的正确性。应用推导结果对比分析新型CSW组合箱梁与传统CSW组合箱梁的畸变性能,以及截面高度、箱室宽度和钢底板厚度对新型CSW组合箱梁畸变效应的影响。结果表明：解析解计算得到的畸变正应力与有限元模型计算的结果吻合较好,畸变角的变化规律与有限元模型计算结果一致;与传统CSW组合箱梁相比,新型CSW组合箱梁的畸变翘曲刚度减小了38.89%,畸变框架刚度减小了71.84%,抗畸变能力减弱;随着截面高度和箱室宽度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角和跨中畸变双力矩均逐渐增大,且箱室宽度的影响更为明显;随着钢底板厚度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角逐渐减小,跨中畸变双力矩逐渐增大。     

比拟杆法分析研究单箱三室箱梁剪力滞效应

基于比拟杆法,推导单箱三室箱梁的比拟杆面积计算公式和剪力滞效应计算的控制微分方程。针对算例,分别采用本文理论、有机玻璃模型试验和有限元法分析简支箱梁和连续箱梁在集中力和均布荷载作用下的剪力滞效应。研究结果表明:本文理论解与有机玻璃模型试验解和板壳有限元解吻合良好。对简支箱梁,中腹板部位的顶和底板正应力均大于边腹板处顶和底板正应力。对连续箱梁,跨中截面中腹板处的顶和底板正应力均大于边腹板处和底顶板正应力。但对满跨均布荷载下的支座截面,底板正应力在边腹板部位大于中腹板部位,应力相差最大约12.91%。在单箱三室箱梁设计中考虑各腹板部位顶和底板正应力的差异,并以此确定有效翼缘分析宽度是非常必要的。     

横隔板及几何特征对钢箱梁畸变效应的影响

研究目的:由于钢箱梁的顶、底板及腹板均较薄,在偏心荷载作用下,截面变形易引起畸变应力而导致局部屈曲和腹板压皱等现象。工程应用上,在梁内设置一定数量的横隔板来约束钢箱梁的畸变变形,以求减少钢箱梁畸变效应。此前已有少量文献就横隔板对钢箱梁的畸变效应进行过研究,但未对钢箱梁在不同的隔板数量、高跨比、宽高比下进行综合分析,使其成果具有一定的局限性。因此,本文在此基础上通过有限元软件就简支钢箱梁的畸变效应进一步分析,并提出了横隔板的数量及箱梁的几何特征参数对钢箱梁畸变效应的影响。研究结论:(1)当箱梁为窄箱梁,即宽高比约等于1.5时,箱梁跨中畸变翘曲最大正应力随横隔板数量增多而增大,此时跨内横隔板设3~5道为宜;(2)当箱梁为宽箱梁,即宽高比约等于4.5时,箱梁跨中畸变翘曲最大正应力随横隔板数量增多而减小,此时跨内横隔板的设置9道为宜;(3)计算结果对同类桥梁的设计具有参考价值。     

单箱双室波形钢腹板连续刚构桥横隔板间距研究

为有效控制单箱双室波形钢腹板连续刚构桥的畸变和翘曲效应,通过建立空间有限元模型,研究横隔板间距和数量对偏心荷载作用下箱梁翘曲和畸变纵向正应力的影响规律,并对比分析单箱双室和单箱单室箱形结构在不同横隔板间距下畸变和翘曲纵向正应力的变化规律。计算结果表明:布置横隔板可以有效减少翘曲和畸变纵向正应力;与单箱双室截面相比,单箱单室截面翘曲正应力更大,设计时应减小横隔板间距。计算了不同高跨比和高宽比连续刚构桥的合理横隔板间距,并拟合出其经验公式。将该公式得到的横隔板间距与实际桥梁和现有经验公式得到的横隔板间距进行比较,验证了其精确性。     

基于板元分析法的梯形截面箱梁畸变效应研究

为揭示梯形截面箱梁的畸变效应,以箱梁腹板和底板交点处的夹角改变为未知量,用图乘法推导板元横向板端弯矩和箱梁畸变角之间的关系,采用板元分析法推导箱梁的四阶畸变控制微分方程。给出方程的初参数解,通过算例验证所推公式的正确性,并分析梁高、腹板倾角的变化对梯形截面箱梁畸变角和畸变双力矩的影响。结果表明:基于该法推导出的畸变控制微分方程可精确计算箱梁的畸变效应,且本文推导板元横向板端弯矩和箱梁畸变角关系的过程较为简单,算例验证了本文解和相关文献解、有限元解吻合良好;随着梁高逐渐增大,跨中截面畸变角逐渐减小,而畸变双力矩逐渐增大;腹板倾角逐渐增大时,跨中截面畸变角先增大后减小,畸变双力矩则逐渐减小。     

内衬混凝土对波形钢腹板刚构桥扭转和畸变性能的影响

设计制作了2座3跨单箱单室变截面波形钢腹板连续刚构桥模型(有和无内衬混凝土条件下各1座),通过模型的静载试验和有限元分析,研究内衬混凝土对波形钢腹板连续刚构桥扭转和畸变性能的影响。结果表明:内衬混凝土能够提高波形钢腹板箱梁的抗弯刚度和抗扭刚度,并且抑制偏心荷载作用下的扭转效应以及纵向翘曲效应;波形钢腹板刚构桥的挠度、偏载系数、纵向应力及纵向翘曲应力均随内衬混凝土长度、厚度的增加而减小;相同混凝土体积条件下,增加内衬混凝土的长度比增加厚度对波形钢腹板刚构桥扭转和畸变的改善效果更为明显。     

双室箱梁剪力滞效应的试验研究北大核心

为开展单箱双室箱梁剪力滞效应的试验研究,制作了有机玻璃简支箱梁模型。在容许开裂范围内,对该试验箱梁进行集中力作用于跨中截面三腹板上方、两对称边腹板上方和中腹板上方的加载。采用DH3816应变采集仪测得跨中及1/4跨截面各关键点应变值,并用百分表测得箱梁各关键截面挠度值。测量得到的截面应力分布规律验证了箱梁截面剪力滞效应的存在。同时对该有机玻璃简支箱梁,采用空间板壳数值方法计算了3种集中力工况下截面的剪力滞分布规律。结果表明,集中力作用下双室箱梁各翼板间存在明显的剪力滞效应,且荷载的横向作用位置对箱梁截面剪力滞效应影响较大。     

双室箱梁剪力滞效应的试验研究

为开展单箱双室箱梁剪力滞效应的试验研究,制作了有机玻璃简支箱梁模型。在容许开裂范围内,对该试验箱梁进行集中力作用于跨中截面三腹板上方、两对称边腹板上方和中腹板上方的加载。采用DH3816应变采集仪测得跨中及1/4跨截面各关键点应变值,并用百分表测得箱梁各关键截面挠度值。测量得到的截面应力分布规律验证了箱梁截面剪力滞效应的存在。同时对该有机玻璃简支箱梁,采用空间板壳数值方法计算了3种集中力工况下截面的剪力滞分布规律。结果表明,集中力作用下双室箱梁各翼板间存在明显的剪力滞效应,且荷载的横向作用位置对箱梁截面剪力滞效应影响较大。     

单箱双室波形钢腹板PC箱梁剪力滞效应分析

研究目的:由于不同的刚度分布,波形钢腹板预应力混凝土箱梁截面剪力滞效应与普通预应力混凝土箱梁截面存在较大差异,为研究单箱双室波形钢腹板预应力混凝土箱梁的剪力滞效应,借助有限元分析软件ANSYS建立单箱双室波形钢腹板预应力混凝土箱梁空间模型,分析两种典型荷载工况下典型截面的应力分布,得到典型截面的剪力滞系数,并与普通预应力混凝土箱形梁作比较,分析讨论7种几何参数变化条件下箱梁剪力滞系数的变化情况。研究结论:(1)采用波形钢腹板略增大了各断面的最大剪力滞系数;(2)对于顶板而言,中腹板的剪力滞系数大于边腹板,底板反之;(3)剪力滞系数的主要影响参数是宽跨比、承托长度、顶板厚度,横隔板数量对剪力滞系数的影响甚小;(4)该研究成果对波形钢腹板预应力混凝土箱梁设计及计算分析具有参考借鉴价值。     

扁平超宽连续箱梁桥空间受力性能分析与研究

扁平超宽箱梁桥由于具有较大的宽跨比,其受力性能呈现明显的空间效应,通常的单梁模型计算已不能满足设计的精度要求,主要体现在宽箱梁各腹板纵向受力的差异性以及明显的剪力滞效应,同时由于大宽跨比使得横向预应力的作用不仅增加了顶板的压应力,也使得整体箱梁截面下缘出现拉应力,造成边腹板底部纵向裂缝,这些都给宽箱梁的设计带来了不利。因此为研究宽箱梁的空间效应,本文运用ANSYS有限元软件建立了全桥实体模型,计算了各腹板纵向受力差异及剪力滞效应,以及横向预应力对箱梁横向受力的影响,得到了一些有益的结论,为设计人员提供一定的参考。     

波纹钢腹板连续刚构桥扭转与畸变的试验研究

设计制作3跨单箱单室变截面波纹钢腹板连续刚构桥和等效的普通混凝土腹板连续刚构桥的模型,通过2个模型桥的扭转与畸变对比试验,从挠度、沿梁高度方向的翘曲应变、箱梁混凝土顶底板的翘曲应力和波纹钢腹板的翘曲剪应力4个方面,分析波纹钢腹板连续刚构桥和普通混凝土腹板连续刚构桥的扭转和畸变特点。结果表明:波纹钢腹板连续刚构桥的抵抗扭转和畸变能力比普通混凝土腹板连续刚构桥弱,但强于波纹钢腹板简支箱梁桥;墩梁固结提高了波纹钢腹板箱梁的整体抗扭能力,且箱梁各截面的抗扭转和畸变能力与该截面距墩顶墩梁结合处的距离有关,距离越近,截面抵抗扭转和畸变的能力越强,反之越弱;计算波纹钢腹板箱梁在偏载作用下的挠度和应力时,要考虑扭转和畸变的影响。     

竖向偏心荷载作用下悬臂箱梁畸变效应研究

在改进的箱梁畸变效应解析理论基础上,用能量变分法建立畸变控制微分方程,根据边界条件推导出两端设置横隔板的悬臂箱梁在竖向偏心均布荷载作用下的畸变效应计算式。通过有限元软件ANSYS对所推导公式的正确性进行验证。结合数值算例详细分析参数变化对悬臂箱梁畸变效应的影响。研究结果表明:高宽比对悬臂箱梁畸变翘曲正应力的影响程度大于对横向单宽弯矩的影响程度,当高宽比约为1.5时悬臂箱梁畸变效应最为显著;当高宽比和悬臂板相对宽度变化时,畸变翘曲正应力发生变号以及横向单宽弯矩出现峰值的截面位置也会改变;悬臂板相对宽度对畸变效应影响较小;荷载偏心率对畸变效应影响显著。     

考虑翼板局部弯曲及剪力滞效应的波形钢腹板组合箱梁挠度分析

在位移场中引入挠度1阶导数考虑翼板局部弯曲，添加剪力滞强度函数和截面转角计入翼板剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形，基于能量变分原理获得波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程，进而推导包括挠度在内的综合考虑翼板局部弯曲、剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的位移变量解析解，并分析翼板局部弯曲和剪力滞效应对不同高跨比、腹板高度占比、宽跨比、板宽比组合箱梁挠度的影响。结果表明：该解析解能较精确地计算组合箱梁的挠度；忽略翼板局部弯曲和剪力滞效应将导致组合箱梁的挠度计算结果误差过大；对于波形钢腹板组合箱形连续梁，不考虑翼板局部弯曲和剪力滞效应，跨中挠度将分别被高估13.0%和低估7.0%；剪力滞效应对翼板与波形钢腹板间的剪力分配几乎无影响，翼板局部弯曲会显著降低波形钢腹板剪力承担比，大大减小梁体挠度；剪力滞对挠度的放大效应随宽跨比的增大而增大，而翼板局部弯曲对挠度的减小作用随着高跨比和宽跨比的增大及波形钢腹板高度占比的减小而显著提高；翼板局部弯曲和剪力滞效应对连续梁挠度的影响比简支梁更大。     

单箱单室与单箱双室截面箱梁横向受力对比分析

以高速铁路预应力混凝土简支箱梁桥为背景,采用大型通用有限元软件Midas-FEA建立了单箱单室截面与单箱双室截面连续梁桥空间有限元模型,对两种桥梁典型截面横向受力与横向应力沿纵向传递规律进行了分析。研究结果表明:对于典型截面横向应力分析,不论截面位于梁端还是梁体跨中,单箱双室截面箱梁截面较单室截面应力平稳,与单箱单室相比,单箱双室截面顶板在箱室跨中(B-B)能有效减小顶、底板应力。对于截面横向应力沿纵向变化规律而言,截面中心线(A-A)位置,单箱单室与单箱双室截面应力变化规律与数值相差较大;箱室跨中(B-B)位置处截面应力沿纵向变化规律基本一致,且双室截面较单室截面较为平稳;单室截面边腹板剪应力大于双室截面边腹板剪应力,双室截面边、中腹板剪应力之和较单箱单室截面腹板剪应力之和大。     

波形钢腹板曲线箱梁桥静力特性

建立了考虑不同力学因素的有限元模型,对不同曲率半径的波形钢腹板曲线箱梁桥的静力特性进行计算,分析了结构主要部位在活载作用下的内力、变形和应力分布随其曲率半径的变化规律。研究结果表明:波形钢腹板使得曲线箱梁桥抵抗翘曲的能力减弱;波形钢腹板箱梁截面正应力横向分布不均匀,钢腹板和混凝土板相交处正应力发生突变;钢腹板剪应力沿腹板高度分布不均匀。     

波形钢腹板曲线结合梁弯扭效应的解析解推导及参数分析

为了研究波形钢腹板曲线结合梁的弯扭效应,基于波形钢腹板的特点,综合考虑曲率影响、截面剪力滞效应、波形腹板剪切效应、扭转和畸变效应,采用能量变分法推导了波形钢腹板简支曲线结合梁在弯扭作用下的控制微分方程,采用伽辽金法求解得到了其弯扭效应的解析解,并对曲线半径和圆心角进行了参数分析。随曲线半径的增大,波形钢腹板简支曲线结合梁的跨中挠度、扭转角、畸变角和剪力滞附加弯矩均增大,但扭弯应力比减小;随圆心角的增大,跨中挠度、扭转角和畸变角均增大,剪力滞附加弯矩基本不变,扭弯应力比则线性增加。说明曲线半径的减小和圆心角的增大,可使波形钢腹板简支曲线结合梁的扭转效应增强,弯曲特性减弱,圆心角和曲线半径是表征其弯扭效应的两个重要指标。     

斜腹板薄壁箱梁横向内力分析及其参数影响研究

基于薄壁箱梁畸变理论,考虑畸变位移与框架位移之间的协调条件,建立斜腹板单箱单室箱梁横向内力计算的解析公式。在刚性支承框架分析基础上,通过引入横向弯矩修正系数,反映箱梁畸变变形对横向弯矩的影响。详细分析竖向偏心荷载作用下,斜腹板倾斜程度及梁高变化对横向弯矩的影响规律。研究结果表明:按文中公式求得的箱梁横向弯矩与有限元软件Ansys壳单元计算结果吻合良好,从而验证了本文公式的正确性;在通常的偏心荷载作用下,当斜腹板的俯角约为12°,箱室高宽比约为0.55时,顶板的横向弯矩峰值最小;随着俯角及高宽比的增大,离偏心荷载较近的顶板角点横向弯矩修正系数逐渐增大,而较远的角点横向弯矩修正系数急剧减小,当俯角及高宽比很大时修正系数均趋近于1。     

大跨度复杂结构桥梁施工全过程结构空间受力特性研究

研究目的:通过建立施工全过程时效和路效分析的三维非线性模型,对大跨度V形连续刚构拱组合结构桥的施工全过程空间受力特性进行研究,解决以往的桥梁设计和施工监控采用的计算方法不能有效分析混凝土箱梁的剪力滞、扭转和畸变等引起的截面应力分布不均匀问题。研究结论:分析了大跨度V形连续刚构拱组合结构桥施工全过程主梁截面顶板纵向正应力、横向压应力、腹板剪应力等截面空间应力分布和变化规律,其表现在:主梁截面顶板纵向正应力沿横向分布呈显著的不均匀性,剪力滞效应明显,与初等梁理论的预测值相异;主梁横向压应力普遍不大,且顶板应力分布不均匀程度大于底板;单箱双室截面梁三腹板剪应力分布连续变化,且中腹板的剪应力略大于边腹板剪应力,整体具有较好的规律性;施工全过程主梁纵向正应力包络线体现了最大拉应力和最大压应力的施工工况,为施工控制提供了理论基础。