拱桥汽车设计荷载标准分析

分析了超载车辆对桥梁的影响与现行规范即《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中的汽车荷载标准对公路上运营车辆荷载的适用性,研究了广深高速公路车辆荷载的动态称重系统(WIM)实测数据,利用Monte Carlo方法模拟随机车辆荷载和随机车辆间距,编制了随机车队加载效应计算程序,计算了无铰拱跨中和拱脚截面的弯矩效应,采用极大值分布原理求得荷载效应在设计基准期内的标准值,给出基于WIM实测数据的汽车荷载标准模型,并与现行规范中的设计荷载标准进行对比。计算结果表明:推荐车道荷载作用效应对实测荷载效应包容性和适用性良好,拱桥跨中弯矩误差小于7%,当跨径为25~65、110、120m时,拱脚弯矩误差为5%~11%,其余跨径时的拱脚弯矩误差小于5%;基于广深高速公路实测荷载推定的荷载标准与现行规范中公路-Ⅰ级车道荷载在无铰拱上产生弯矩效应的比值为1.24~2.18,平均比值为1.80,说明广深高速交通量大,车辆超载超限严重,根据实测车辆荷载推断的荷载标准与现行规范荷载标准出现了较大偏差,广深高速桥梁设计荷载标准应在现有规范基础上适当提高。     

基于POT理论的城市桥梁车辆荷载效应研究

车辆荷载效应是桥梁设计中重要的技术指标之一,是对拟建桥梁荷载取值和现有桥梁安全性评估的重要依据。结合调查地区的车辆荷载数据,提出了相应的车辆荷载模型,运用蒙特卡洛法模拟密集和拥堵运行状态下荷载流,以各跨径简支梁桥(10～60m)跨中弯矩值为研究对象,进行影响线加载计算;运用Peak Over Threshold(POT)理论对效应尾部数据进行分析,由极值理论外推得不同设计基准期内车辆荷载效应值,并与《城市桥梁设计规范CJJ11-2011》规范值作对比分析,结果表明:密集运行状态下不同设计基准期内外推值是规范值的1.13～1.38倍,拥堵运行状态下是规范值的1.18～1.46倍。     

特殊情况下高速公路桥梁车辆荷载探讨

针对近年来各省连续发生多起桥梁垮塌事件,重载车辆频繁驶过桥梁的过程容易使桥梁产生各种疲劳问题。结合河北省高速公路在役重点桥梁进行重载车辆荷载谱监测,通过交通量调查,统计分析出现频率较高的车辆模型、车流量的分布、车辆的自身性质(轴距、轴重)等。依据疲劳等效损伤原理,推导出基于实测的5种日常营运重载车辆荷载模型,建立疲劳荷载谱。通过与公路-Ⅰ级汽车荷载作用效应进行对比,得出当跨径小于等于25 m时,应将其汽车荷载提高至1.3倍左右;当跨径大于25 m时,应将其汽车荷载提高至1.2倍左右。     

基于汽车荷载适宜性的公路桥梁设计方法

总结了我国公路桥梁设计的汽车荷载标准发展历程及其研究背景,在我国目前汽车超载和重载问题非常普遍的现实条件下,提出结合实测汽车荷载信息开展桥梁设计的思路,探讨了不同跨径桥梁的汽车荷载效应分析方法,讨论了车辆限载的影响,从而归纳了公路桥梁设计的汽车荷载适宜标准,为更加准确的桥梁设计与评估提供参考。     

某跨海大桥运营期交通特性及荷载效应研究

通过对某跨海大桥1个月的WIM数据进行统计,分析了运营阶段的交通组成特性及其规律,讨论了车辆荷载和车队荷载特性、多车道汽车荷载的横向分布规律。以该跨海大桥双塔三跨斜拉桥结构的关键截面为分析对象,研究了在实测车流荷载作用下的效应分布特征,并与现行设计规范的汽车效应标准值进行对比。结果显示:车头间距和时距与小时交通量呈现出二项指数函数关系;由于不同轴型车辆对行驶车道选择的倾向性,导致各车道汽车荷载水平分布存在明显的差异,单个重车车道效应极值大于规范值,而多车道总体效应小于规范值。探讨了现行规范在多车道荷载折减问题和大跨径桥梁汽车荷载效应计算模式上的不足与建议。     

既有空心板桥底板裂缝与加固分析

底板裂缝是既有空心板桥常见病害之一。依据既有空心板桥底板裂缝检测结果,利用有限元分析方法探讨了底板裂缝对既有空心板桥的性能影响,并分析了采用粘贴钢板法加固空心板底板的加固效果。结果表明:在公路-Ⅱ级汽车设计荷载作用下,该空心板桥已不能满足现在的公路-Ⅱ级汽车设计荷载等级的要求;随着空心板裂缝的发展和材料性能的衰退,跨中截面各块空心板下缘的拉应力和挠度逐渐增大;在采用粘贴钢板法对空心板进行加固后,空心板底缘混凝土的拉应力和跨中截面最大挠度显著降低,提高了桥梁整体结构的承载能力。     

铰缝损伤对装配式空心板桥受力性能影响研究

在役装配式空心板桥横向联系受设计、施工及运营各因素的影响,易出现铰缝损伤病害。为研究铰缝损伤对空心板桥结构性能的影响,论文根据现场空心板桥铰缝病害调研结果对铰缝损伤位置、损伤长度和损伤程度3种损伤类型分布特点进行统计分析;采用梁格法建立空心板桥有限元模型,对比分析了铰缝在不同损伤工况及类型下(长度、深度和位置)对结构受力性能影响。研究结果表明:(1)铰缝损伤位置越靠近跨中对于梁板受力的影响越大。(2)随着铰缝损伤长度增加,中板单侧损伤下活载弯矩增幅呈线性递增,而边板单侧损伤和中板双侧损伤均会导致梁板产生"单板受力"效应,其"单板受力"临界长度分别为0.6L和0.7L。(3)损伤长度或损伤深度二者之一较小时,活载作用下梁板弯矩和挠度变化很小;当损伤长度和损伤深度均较大时,活载作用下的梁板弯矩和挠度增幅明显。(4) 20 m标准空心板的中板单板受力时抗弯承载能力不满足规范要求,边板单板受力时抗弯承载能力和抗裂验算不满足规范要求。研究结果为空心板铰缝损伤下的结构安全评估及管养提供有益参考。     

新型装配式倒T形空心板桥受力性能

为解决现有装配式空心板桥的铰缝病害, 提出了一种新型装配式倒T形空心板桥; 进行了跨径8 m的倒T形空心板桥足尺模型试验和非线性有限元分析, 研究了车辆荷载作用下倒T形空心板桥各组成构件的应力、挠度和裂缝分布等, 得到了倒T形空心板桥的受力机理与破坏模式; 对比了倒T形空心板桥与带门式钢筋空心板桥的受力性能, 验证了倒T形空心板解决铰缝开裂问题的有效性。研究结果表明: 倒T形空心板桥的破坏过程分为弹性阶段、空心板开裂阶段、现浇结构层混凝土开裂阶段和受拉钢筋与钢板屈服阶段, 其整体受力性能良好, 极限荷载是带门式钢筋空心板桥的1.4倍; Ω形钢板上方受拉区混凝土首先达到拉应力限值3.17 MPa, 是受力薄弱部位; 由于Ω形和L形钢板的设置, 现浇结构层混凝土开裂时, 与结构层等高度的各结合面处的法向和切向黏结应力均不会超过限值2.30和0.29 MPa, 避免了结合面的黏结失效; 与带门式钢筋的空心板桥相比, 倒T形空心板构造不会减小空心板的开裂荷载, 且新旧混凝土结合面开裂在空心板开裂之后, 可从根本上解决传统空心板桥在车辆荷载作用下铰缝先于空心板开裂的问题。      

斜交装配式空心板桥受力性能影响分析

装配式斜交空心板桥受力性能较复杂,与正交桥有很大差别。以某高速公路斜交空心板桥计算为背景,对同情况不同斜交角度的空心板桥进行模型计算分析,并与空心板直桥计算结果对比,得出斜交空心板桥存在有效计算跨径的概念,其基频、横向分布系数、弯矩、最大位移均是受到有效计算跨径的影响,表现出斜交空心板桥不同于同跨径直桥的一些主要特性,进而可以参考并推广到其他类型斜桥的受力性能分析。     

基于动态称重技术的中小跨径桥梁最不利车辆荷载研究

当工业重型车辆通过中小跨径桥梁时,往往会造成比规范规定值大得多的荷载效应,因此在桥梁设计尤其是承载能力评估时,应当合理地选择车辆荷载进行复核验算。文章首先提出了最不利车辆荷载的概念,然后基于大量实测动态车辆荷载数据,通过综合评定车辆荷载构成及其效应的方法,给出了国内外最不利车辆荷载的实测记录,最后通过与规范规定值的比较,初步验证了该文所确定最不利车辆荷载构成的合理性。     

城市桥梁在拥堵车辆作用下的荷载效应

通过对大城市交通拥堵和城市道路的车流分布特点的分析,模拟了车辆拥堵状态下的车辆荷载模型,然后选取了一座具有代表性的桥梁来展开研究,计算桥梁在不同的拥堵荷载模式下的荷载效应,包括梁体弯矩和剪力的变化规律,并将计算结果与设计状态下的荷载效应相比较,从而反映和揭示桥梁的实际受力状况.研究发现,小轿车拥堵、大客车拥堵以及小轿车和大客车混合拥堵所产生的荷载效应均小于设计荷载效应;而拥堵车辆中包含重车时所产生的荷载效应均可能大于设计荷载效应,对桥梁结构安全构成直接的威胁.     

实测车流作用下大跨桥梁荷载效应极值外推法

提出多种密度随机车流作用效应极值的概率叠加方法, 外推了公路实测车流作用下大跨桥梁的车载效应极值; 阐述了基于Rice公式的界限跨阈率叠加原理, 并验证了其正确性; 基于中国某高速公路长期监测车流数据模拟了稀疏、一般和密集3种状态的随机车流, 应用界限跨阈率叠加模型估算了某混凝土斜拉桥主梁的最大弯矩。研究结果表明: 根据某高速公路实测车流数据, 稀疏、一般、密集车流密度分别约为1.7、5.0、8.3veh·min-1;在数值算例中, 车辆质量为45t车型占有率由0增加至80%导致最大车辆质量仅下降1.2%, 而车辆质量为50t的车型占有率由0增加到20%导致最大车辆质量增加14.4%, 说明多个平稳随机过程组合而成的非平稳随机过程的极值主要是由数值较大的随机过程决定; 采用跨阈率叠加方法对某混合车流车辆最大质量的外推误差为2.55%, 验证了将实际混合车流数据进行“车流离散”和“极值概率叠加”后得到的车载效应极值的方法的可行性; 密集车流占有率从0逐渐增加至5%导致斜拉桥主梁弯矩极值增幅为33.45%;某斜拉桥设计年限内的年均交通量增长率为2.8%, 对应的主梁跨中正弯矩极值超越设计标准值的概率为0.83, 高于设计要求, 需对桥梁车流量采取管控措施。      

基于WIM数据的公路桥梁交通荷载水平研究

准确评价桥梁实际交通荷载水平是正确评估桥梁结构服役状态的重要前提。介绍现行规范车辆荷载模型的获取过程,详细说明单一桥梁交通荷载水平研究的技术路线。根据所获得的2015年10月—2016年4月共计233d的WIM实测交通车辆数据,以104国道上某(60+100+60)m预应力变截面连续箱梁中跨跨中截面弯矩为例,对比计算实际交通汽车荷载及现行规范汽车荷载的对应效应值。计算表明,该桥交通管制效果明显,实际交通荷载水平小于规范对应值。     

移动列车荷载作用下地铁换乘节点中板内力分析

设计地铁换乘站直接承受车辆荷载的楼板构件时,将地铁列车荷载按等效原则转化为静荷载作用在换乘节点上进行分析的方法已不能准确反映此种构件的受力情况．基于ANSYS子模型技术,采用双层数值分析模型,建立换乘车站结构梁一板一柱组合总体模型进行空间有限元分析,截取换乘节点中板局部区域,建立换乘节点中板一列车荷载子模型,采用ANSYS参数化设计语言APDI。完成移动列车荷载加载,获取移动列车过站过程中换乘节点中板的最不利荷载的位置及大小．结果表明,换乘节点范围接口位置的支座弯矩较大,柱位置有明显的应力集中现象;子模型获取的中板剪力和轴力极值均大于总体模型,设计时应综合考虑总体模型和子模型,确定中板内力的极值;子模型获取的中板内力极值发生位置及时刻各不相同．说明移动地铁列车荷载对中板内力的影响较明显．不应忽略．     

考虑横向预应力效应的钢-混组合梁桥PBL剪力键试验研究

为研究钢-混组合梁桥PBL剪力键的抗剪承载能力及其影响因素,以兰州小砂沟大桥为工程背景,设计3类13组共33个试件,采用推出试验的方法进行试验研究,对比分析了PBL剪力键的破坏形态、破坏机理以及抗剪承载能力的影响因素,提出了考虑横向预应力效应的PBL剪力键抗剪承载能力的计算公式.研究结果表明:贯穿钢筋直径、钢板开孔孔径以及钢板厚度的增加均能有效提高PBL剪力键的抗剪承载能力;横向预拉应力的存在促进了混凝土的开裂,使得混凝土、钢板及贯穿钢筋的强度和刚度无法得到充分发挥,从而降低了PBL剪力键的承载能力,对单孔抗剪承载能力降低可达10%;横向预压应力的约束作用延缓了混凝土的开裂,使得混凝土、钢板及贯穿钢筋的强度和刚度得到充分发挥,提高了PBL剪力键的承载能力,对单孔抗剪承载能力提高可达20%;考虑横向预应力效应的公式计算结果与试验结果吻合较好.      

采用墙式整体桥台的无缝桥受力特征

建立了考虑桥台-土相互作用的墙式整体桥台无缝桥的空间有限元模型,采用实测数据验证了模型的准确性;分析了不同荷载工况下主梁与桥台的受力特征,研究了温度、台后填土密实度与桥梁跨径对桥梁受力特征的影响。研究结果表明:与同等跨径简支梁桥相比,墙式整体桥台无缝桥受力最不利主梁的跨中弯矩降低了20%~40%,跨中与梁端弯矩之和降低了约28%,说明主梁内力分布比较均匀,结构纵、横桥向整体性增强;桥台顶部存在较大的弯矩和剪力,桥台变形比较复杂;墙式整体桥台无缝桥的内力和变形受温度作用的影响较为明显,且梯度升温与整体降温在梁端产生正弯矩,梯度降温与整体升温在梁端产生负弯矩,因此,设计过程中对于不同的构件应选用合适的荷载工况;台后填土密实度由松散变化至密实时,整体升温或降温作用下主梁梁端和跨中弯矩变化幅度小于5%,桥台变形幅度小于9%,说明台后填土密实度对主梁弯矩和桥台变形的影响较小;当桥梁跨径由6m增加至13m时,桥台顶部弯矩增加了1.781倍,桥台内力随跨径的增大而快速增大,因此,在墙式整体桥台无缝桥梁的设计时,建议最大跨径不超过10m,以控制桥台在正常使用极限状态下的混凝土裂缝宽度。     

斜交板桥承载能力的有限元计算分析

针对斜交板桥在道路等级提升的情况下,对原有桥梁荷载等级的增加进行了承载能力评定。首先运用两种不同的有限元软件分别建立梁格模型,并将加载后的计算结果与规范值进行对比;然后根据外观检测结果确定各项检算系数;最后对计算得出的结构荷载效应和抗力效应进行对比。结果表明：在仅仅加宽桥面的情况下,该桥无法满足城—A级汽车荷载要求;软件计算结果与理论计算结果相符。     

现行设计汽车荷载纵向折减系数的适应性分析

以可靠性理论研究为基础,结合实测的车辆荷载数据,从实测荷载效应与标准车辆荷载效应比值的概率分析中得到标准车辆荷载纵向折减的计算公式及桥梁纵向折减系数的建议值。多座大跨径实桥的实际计算结果证明,采用该研究建议后的折减效果是合理的。     

超重车模型及多-单车道荷载效应

为获取超重车主要参数特性以及典型超重车模型,计算并对比多车道和单车道上超重车纵横向并行引起的荷载效应,收集了美国加州历时3 a的动态称重（weight-in-motion,WIM）数据,以加州交通厅许可荷载车模型为参照,提取实测超重车数据,分析了超重车辆荷载构成特点,建立了典型超重车辆模型. 分别计算了多、单车道超重车荷载效应,并将两者与现行的中国JTG D60—2015规范和美国AASHTO （American Association of State Highway and Transportation Officials）规范进行了对比. 结果表明:多车道叠加荷载效应较单车道以及中美规范值都大得多,单车道荷载效应与规范值相近或略高一点;多-单车道跨中弯矩最大比值为2.05倍,平均比值为1.65倍;剪力最大为2.05倍,平均为1.70倍.      

基于桥梁安全的等效分布荷载法

超限运输严重危害桥梁的结构安全和寿命,造成生命财产的损失,因此为了确保桥梁结构的安全,需要对通往的车辆进行超限超载判别。目前国内外对超限车辆通过权的判别方法有等效分布荷载法(Equivalent Distributed Load Mehthod)、基于经验的车辆载重比法(Vehicle load analogy method)以及荷载效应比较法(Comparison of Internal Forces)等。采用等效分布荷载法,通过计算各个跨径下的简支梁在设计荷载标准下的跨中最大弯矩值进而推导得出的等效分布荷载表,从而在保证一定的精度下对各通往超载车的通行权限进行快速的判别,保障桥梁结构的安全。