考虑防火涂料的PC箱梁时空温度场及刚度退化试验研究

为了明确涂有防火涂料的预应力混凝土（PC）箱梁火灾温度场及火灾后的刚度退化性能,针对3片有、无膨胀型防火涂料的PC简支箱梁开展了火灾模型试验研究。基于预应力混凝土梁受火性状推导了刚度衰变率与挠度衰变率关系方程,通过分析混凝土箱梁截面时空温度场分布状态,基于分区域理论提出了一种PC箱梁受火损伤后初始截面等效刚度简化计算方法,并基于自振频率推导了受火梁动刚度计算公式;对模型梁进行了火灾后的静力逐级加载和动力性能试验,分析了受火梁挠度、频率等静、动力参数的变化规律,研究了受火损伤状态对箱梁静、动力特征参数的影响;基于理论计算和试验数据对比分析了受火梁静、动力刚度在不同损伤状态下的退化规律。研究结果表明：膨胀型防火涂料的使用显著降低了预应力混凝土箱梁的高温敏感性,混凝土温升速率明显下降,大幅降低了混凝土结构温度,有效减少了混凝土结构开裂和爆裂现象;受火试验梁的截面静刚度随荷载增加而逐渐减小,且初始损伤越大,进入弹塑性阶段发展越快,越早达到结构极限承载力;初始损伤状态对结构截面静刚度的影响大于对结构动刚度的影响,且截面静刚度衰减速率比动刚度衰减速率更快。提出的受火梁静、动刚度及固有频率的简化计算方法可为火损箱梁的结构静、动力性能初评估提供理论依据。     

动荷载下装配式预应力砼箱梁刚度退化特征研究

开展不同工况下装配式预应力砼箱梁动力足尺试验,研究动荷载下装配式预应力砼箱梁的刚度退化特征。结果表明,动荷载水平与装配式预应力砼箱梁一、二阶竖向振动频率之间成负线性关系,与动刚度衰减系数之间成负指数函数关系,最终动刚度衰减系数在0.8左右。     

预应力混凝土小箱梁长期性能评估研究

以某工程长期存放的预应力混凝土小箱梁为研究对象,对小箱梁拱度值进行测量,分析小箱梁拱度值分布规律,并与理论计算结果进行对比,对偏差原因进行分析,通过静荷载试验检验梁体技术状况。结果表明,在正常使用极限状态跨中最大正弯矩作用下,结构的应力、挠度校验系数满足荷载试验规范要求,试验梁测试断面未发生开裂,处于弹性工作状态。     

强受扭损伤箱梁加固后的压弯性能研究

为研究某特大跨双索面混凝土斜拉桥因火灾致强受扭损伤的混凝土箱梁能否修复使用,对强受扭损伤加固后主梁的压弯刚度、扭转刚度及抗弯极限承载力开展了模型试验研究,评估灌浆-锚钢加固对主梁的压弯刚度及扭转刚度的影响。依据常用规范公式对箱梁抗弯极限承载力及正常使用极限状态下的变形、裂缝特征进行验算,评估规范中相应计算公式的适用性,并对加固箱梁在压弯荷载作用下的破坏形态进行对比分析。结果表明:灌浆-锚钢加固能有效地提高弯扭剪复合受力下箱梁的压弯刚度及扭转刚度;在压弯荷载作用下,加固梁的最终破坏形态为箱梁底板拉裂至钢筋屈服破坏,顶板混凝土没有被压溃,腹板锚贴钢板基本无损坏,但顶板锚贴钢板与混凝土界面发生了剥离现象,钢绞线未被拉断;GB50010—2010、JTG D62—2012、ACI318M-05规范均能较为准确地计算箱梁的抗弯极限承载力,ACI318M-05规范计算试验梁在正常使用极限状态下的跨中挠度值与实测值较为接近,基本能反映预应力混凝土箱梁正常使用极限状态下的变形性能;GB50010—2010规范计算试验梁的最大裂缝宽度和裂缝间距与实测值均较为接近,基本能反映预应力混凝土大比例缩尺箱梁的裂缝特性。     

带裂缝工作箱梁的刚度损伤评估

箱梁开裂现象普遍,且该病害与箱梁过量下挠相互耦合,其作用机理较为复杂,评估箱梁过量下挠的难点在于箱梁裂后的刚度损伤评估。为了有效评估箱梁的裂后刚度,制作了大比例尺预应力混凝土连续箱梁模型,开展了反复荷载作用下的箱梁破坏性试验,基于模型试验测试的荷载挠度曲线直接建立刚度折减评估参数。研究结果表明:箱梁裂后开裂区域的刚度折减系数以加载位置为参考点,其余部位的刚度损伤沿箱梁纵向呈线性分布。建立了箱梁裂缝定量描述指标CD参数,基于统计分析建立了裂缝损伤因子与CD参数的关系。     

预应力混凝土箱梁损伤后剩余承载力计算及变化规律研究

目前对在役桥梁进行技术状况评定时,往往需采用荷载试验的方法来反映桥梁结构实际损伤所产生的性能退化。然而,荷载试验方法存在费用高、耗时长等问题,进行荷载试验代价巨大,且对于存在损伤的结构具有一定的风险。因此,基于对一新建跨径30 m预制预应力混凝土箱梁进行的足尺模型试验结果,构造定义了2种不同的刚度损伤折减系数,结合规范给出的开裂构件抗弯刚度计算公式,提出基于刚度损伤折减系数计算构件实际剩余承载力的计算公式。结果表明：2种方法定义得到的抗弯刚度折减系数的变化趋势基本一致,箱梁在出现损伤后的刚度折减效应明显,从箱梁出现开裂损伤到承载能力极限状态刚度折减约40%,相邻两截面的刚度折减可近似呈线性分布;基于刚度损伤折减系数计算的剩余承载力与试验值的偏差都在5%以下;结合刚度折减系数沿箱梁纵向的分布规律,可计算得出在跨中截面出现损伤后,沿箱梁纵向各截面实际剩余承载力的分布规律。提出的基于刚度损伤折减系数计算实际剩余承载力的方法,可通过结构外观检查结果实现对带有损伤的预应力混凝土箱梁实际剩余承载力的准确计算,该方法简便可行、费用低廉,同时也可为出现损伤的在役桥梁技术状况评定及剩余承载力计算提供一定的借鉴。     

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。     

预应力混凝土简支箱梁受力性能足尺模型试验

对一座30m跨径的预应力混凝土简支箱梁进行了足尺模型破坏性试验,根据试验结果对其受力过程、裂缝分布、延性性能等进行分析;用5种相关规范对箱梁抗弯极限承载力及正常使用极限状态下的变形、裂缝进行验算,以此评估规范中相应计算公式的适用性;最后编制程序对箱梁包括卸载过程在内的全过程受力性能进行了参数分析。结果表明:ACI 318M-05,CEB-FIP MC90规范基本能反映箱梁正常使用极限状态下的变形性能;GB 50010—2002,TB 10002.3—2005规范基本能反映预应力混凝土足尺模型箱梁的裂缝特性;预应力筋的配筋率、张拉系数及预应力度对箱梁的延性影响较为明显。     

双折线先张预应力高强混凝土Ⅰ型梁抗弯性能足尺模型试验

作为桥梁快速建造中一种高效的装配式新结构，预应力混凝土Ⅰ型梁采用双折线先张法施工的密束预应力体系，具有预应力损失小、预压应力分布均匀、施工安全性好等特点。为检验该新型结构的抗弯性能，建立其正常使用极限状态及承载能力极限状态的抗弯能力设计及评价方法，开展了结构足尺模型的抗弯承载性能全过程加载试验，观察了结构在全截面工作阶段、开裂阶段和破坏阶段的结构形态、变形与受力特征及破坏模式。试验结果表明：在正常使用阶段，梁体工作性能良好，结构达到开裂荷载前，内力增量与荷载呈线性关系，应变分布满足平截面假定，受压区混凝土压应变、主梁挠度、主筋应变及预应力钢绞线内力增量均呈线性变化；继续加载时，结构内力及变形呈现明显的非线性特征，裂缝逐渐增多，应变增长速率加大，模型梁上翼缘应变横向分布差异性增大，呈现一定的剪力滞效应；随着裂缝深度发展，混凝土逐渐退出工作，预应力束不再与混凝土共同受力，直至梁体发生断裂；试验梁的计算破坏荷载与测试值的比例系数为1.08,静力延性系数为2.27,表明双折线先张预应力高强混凝土Ⅰ型梁的抗裂、抗弯承载能力计算模式具有较好的适用性和优异的抗弯静力延性。     

基于阶梯刚度模式的PC梁开裂后挠度分析方法

预应力混凝土梁桥的开裂使得结构安全性、适用性和耐久性降低,对于可靠性降低的桥梁有必要对其承载能力进行评定。主梁开裂会导致结构刚度降低,增加主梁下挠风险。同时,主梁下挠进一步加剧裂缝的产生和发展,降低主梁刚度,二者相互影响,形成恶性循环。在进行开裂后的主梁结构力学性能计算时,不可避免地会遇到开裂后主梁刚度的计算问题。计算主梁开裂后刚度时,目前常见的做法是将原结构构件的刚度按一定规则进行折减,并且整个构件采用统一的开裂后刚度值。这种做法往往与结构的实际刚度偏差较大,且结构在荷载作用下的效应误差亦较大。通过对开裂后主梁的裂缝特征参数进行统计,按照一定规则,将开裂后的主梁划分为若干个开裂区段,采用阶梯刚度简化计算方法分别求出每个开裂区段的有效刚度,形成阶梯刚度模式。阶梯刚度建立后,采用挠度分段积分的方法求出阶梯刚度下的荷载挠度。通过开裂后的PC梁加载试验,对阶梯刚度和阶梯刚度下的挠度计算结果进行了验证。结果表明:采用基于裂缝特征统计参数的阶梯刚度模式,更接近结构开裂后刚度的实际情况;基于阶梯刚度的挠度计算结果与试验挠度值吻合较好;与规范规定的开裂后主梁挠度计算方法相比,在未过分增加计算工作量的前提下,本方法的精度更高,更接近实际情况。     

南京长江第四大桥节段预制拼装箱梁足尺模型试验

为研究节段预制拼装箱梁在正常使用阶段和施工状态下的结构行为,结合南京长江第四大桥开展了一孔48 m跨径该类箱梁的足尺模型试验。首先模拟正常使用荷载工况,测试试验梁的主要静力反应,然后模拟在张拉一部分预应力束的梁上通行运梁车的工况,测试试验梁的应力状况,并采用ANSYS建立试验梁实体有限元模型进行对比分析。研究结果表明:在正常使用阶段,节段预制拼装桥梁的整体性较好,键齿接缝两侧基本没有相对滑移,加载、卸载后梁体残余变形较小,力学行为基本符合平截面假定;在梁上运梁工况下,实测梁体下缘压应力约为6 MPa,距消压状态还有一定的安全储备。     

对预应力混凝土箱梁桥应力设计方法的探讨

在调查既有预应力混凝土连续箱梁桥开裂状况和裂缝形态的基础上,较全面地分析了引起箱梁受力开裂的原因。指出现阶段桥梁设计中采用的平面杆系程序,对箱梁局部应力估算的不准确是导致箱梁受力开裂的主要原因。根据箱梁结构的受力特点,提出采用应力设计方法解决预应力混凝土箱梁的受力开裂问题。通过实桥算例分析,论证了箱梁空间应力状态分析对保证箱梁桥结构安全的必要性。     

扁平箱梁颤振计算公式中联合折减系数的量化研究

扁平箱梁已广泛应用于大跨度桥梁的主梁设计中，其颤振性能通常会借助物理和数值风洞的方法获得，测试周期长、费用高。尽管采用颤振计算公式可以简便计算扁平箱梁的颤振临界风速，但当前公式中未考虑扁平箱梁气动外形和来流攻角的具体影响，计算误差较大，无法用于实际工程设计。为了提升颤振计算公式中联合折减系数的准确度，利用节段模型风洞试验开展气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振性能影响的研究。在分析各种气动构件和外形参数对扁平箱梁颤振性能的影响后，确定以斜腹板倾角和宽高比为气动外形变量，设计制作3组12个节段模型，分别在5个风攻角下测试了有栏杆扁平箱梁的颤振性能。在此基础上，根据节段模型风洞试验获得的颤振临界风速，结合弯扭耦合颤振闭合解计算公式，量化了气动外形和风攻角变化对扁平箱梁颤振的影响，给出不同条件下扁平箱梁颤振计算公式中的联合折减系数。最后，基于实际桥梁的颤振临界风速算例，验证利用联合折减系数计算颤振临界风速的准确性和适用性。研究结果表明：在0°风攻角和正风攻角下，当扁平箱梁的宽高比分别为11，9时，斜腹板倾角的减小有利于颤振临界风速提高，宽高比为7时，斜腹板倾角对颤振临界风速没有影响；在负风攻角下，3组宽高比模型斜腹板倾角的减小均会引起扁平箱梁颤振临界风速的降低；联合折减系数与扁平箱梁截面的颤振性能正相关，可直接反映其颤振性能，相对于目前《公路桥梁抗风设计规范》中扁平箱梁颤振临界风速计算时的固定折减系数，该系数能够具体和准确反映气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振的影响，可以结合颤振计算公式快速、准确地计算出大跨度桥梁颤振临界风速。     

燃油火灾下预应力混凝土梁耐火试验

为研究预应力混凝土（PC）桥梁遭遇燃油火灾时的耐火性能，设计制作了3榀大比例PC简支缩尺模型试验薄腹梁，包括1榀箱形截面梁和2榀双T形截面梁，以荷载水平和截面类型为试验参数，开展了燃油火灾升温条件下PC梁局部受火试验。获取了梁截面混凝土温度和预应力钢束温度变化、跨中挠度变化、有效预应力衰变、裂缝开展、爆裂分布与深度以及耐火极限相关试验数据，深入探索了燃油火灾高温下PC梁的损伤演化规律和破坏模式。试验结果表明：梁截面各测点温度在受火期间随着受火时间的增加其整体趋势不断升高，由于水分的蒸发造成温度曲线在100 ℃~120 ℃之间有一明显的缓平段，箱形截面梁箱内温度在达到100 ℃后几乎保持不变。停火后，混凝土内部和预应力钢束温度持续升高，距受火面距离越远，在停火后升温持续时间越长，预应力钢束在停火后最高升温161 ℃。火灾下PC梁挠曲变形分为受火初期显著增长、受火中期缓慢增长和受火后期急速增长3个阶段，最终由于预应力钢束断裂表现出明显的脆性破坏特征。按常温下适筋梁设计的PC模型试验梁在火灾高温下呈现为少筋梁破坏特征；钢束的有效预应力在火灾高温下表现出先增加、后衰减，最后被拉断应力突然降低的三阶段变化特性。箱形闭口截面梁的混凝土温度和预应力钢束温度均低于双T形开口截面梁，其耐火性能明显优于双T形开口截面梁，破坏时预应力钢束临界温度分别为397 ℃和319 ℃。荷载水平由0.35增加至0.55时，火灾下PC梁耐火极限降低21%，破坏时预应力钢束临界温度由416 ℃降低至319 ℃。研究成果可为PC桥梁耐火试验提供方法指导，为其抗火设计和灾后应急提供理论依据。     

预应力混凝土连续箱梁开裂后的刚度退化模型

为了研究预应力混凝土连续箱梁开裂后的刚度退化规律,基于CB壳单元,采用层状模型模拟预应力混凝土结构;考虑加载和卸载效应及材料和几何双重非线性效应,有效地模拟了三跨连续斜交箱梁的开裂、屈服和失效全过程。基于非线性有限元分析,提出了一种预应力混凝土箱梁开裂后的刚度退化模型,由该模型计算了预应力混凝土箱梁开裂后的刚度折减量。结果表明:CB壳单元模型对于预应力混凝土箱梁的非线性分析有良好的适应性,对箱梁开裂后的使用性能评估有实际应用价值。     

大跨斜拉桥扁平钢箱梁损伤定位指标的噪声鲁棒性比较研究

以润扬大桥斜拉桥的扁平钢箱梁结构为分析对象,采用子结构方法将扁平钢箱梁结构的整体尺度动力特性和细节尺度构件损伤相互衔接实现多尺度损伤分析。在此基础上对模态曲率、模态应变能、模态柔度和斜拉索索力等4类结构损伤定位指标的抗噪声干扰能力进行了对比分析。分析结果表明,模态应变能和模态柔度对于扁平钢箱梁结构损伤定位具有较好的互补性,将其相结合对扁平钢箱梁主跨和边跨的损伤识别具有较好的抗噪声干扰能力。     

新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比计算方法

为确定新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比的合理取值,基于阻尼等效前后复频率相等原则,利用复频率和组合结构材料阻尼比之间的关系,提出新型波形钢腹板组合箱梁各阶模态等效阻尼比计算方法。采用有限元软件建立3个新型波形钢腹板组合箱梁的动力分析模型,利用该方法计算得到该新型组合结构等效阻尼比并与实测结果进行对比。结果表明:采用该方法求得的新型波形钢腹板组合箱梁等效阻尼比与试验测试结果吻合较好,进一步可说明该方法物理意义清晰明确,能够较准确地反映新型波形钢腹板组合箱梁的阻尼耗能特性。建议在对新型波形钢腹板组合箱梁进行动力特性分析时,等效阻尼比取为0.03。