高墩大跨波形钢腹板曲线梁桥计算与分析

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥[1~4]就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板的箱梁桥,该类桥充分发挥了混凝土抗压强度大、波形钢腹板抗剪屈曲强的优点,使各种材料得到充分利用。本文以笔者参与设计的四川绵茂公路上的一座高墩大跨波形钢腹板曲线梁桥~东河三号桥为工程背景。通过从有限元软件纵向整体计算、局部屈曲计算、整体屈曲计算、组合屈曲计算、节点计算以及抗震计算等几个方面阐述该类桥梁的结构受力特点及计算方法。     

波形钢腹板混凝土组合梁中波形钢板的设计方法

波形钢板的设计对波形钢腹板混凝土组合梁的抗剪设计具有重要意义.在总结了波形钢板剪切屈曲强度计算方法的基础上,给出了剪切荷载作用下波形钢板的设计原则和验算方法;导出了波形钢板剪切屈曲设计中板厚与板高的临界关系,并针对波形钢腹板混凝土组合梁设计中普遍应用的1600型波形钢板,提出了波形钢板抗剪设计的方法;结合南京长江第四大桥北接线滁河大桥中波形钢腹板的设计实例,对该设计方法进行了验证.结果表明该方法可以为1600型波形钢腹板几何控制参数的设计提供参考.提出的设计方法可以推广应用于其他型号波形钢板的设计.     

新型波形钢腹板的参数设计研究

本文介绍了确定波形钢腹板几何尺寸需考虑的因素,并以常用的3种波形钢腹板的几何尺寸为基础,通过局部屈曲和整体屈曲的控制条件,初步拟定新型波形钢腹板的几何尺寸。通过有限元软件,对波形钢腹板进行特征值屈曲分析,研究腹板高度及厚度对3种新型波形钢腹板剪切屈曲强度的影响,最终得到新型波形钢腹板的几何尺寸的取值范围。     

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。     

目前世界最大跨度波形钢腹板PC箱梁桥——安威川大桥的设计特点

日本安威川大桥是一座横跨一级河道安威川和茨木-龟冈线县道的大跨径波形钢腹板PC箱梁桥。该桥主跨179 m,主梁最大高度达11.5 m。该文通过非线性有限元分析法和模型试验手段对桥梁的抗剪强度进行了测试研究,验证了波形钢腹板对高腹桥的适用性。文中对比了4.8 m标准节段和6.4 m长节段两种悬臂施工方法的特点,强调了设计中应注意的事项以及悬臂施工的具体步骤,并对大跨径波形钢腹板PC箱梁桥的扭转性能和悬臂施工的屈曲风险两个关键问题进行了重点论述。     

波纹钢腹板剪切屈曲分析中初始缺陷的模拟和影响程度分析

通过非线性有限元方法分析波纹钢腹板剪切屈曲极限荷载和屈曲模态,采用一致缺陷模态法模拟波形尺寸缺陷,钢板厚度缺陷则通过钢板厚度分布函数对单元厚度的修正来引入。分析结果表明过大的波形尺寸缺陷会降低波纹钢腹板的剪切屈曲极限荷载,而波纹钢腹板对因钢板厚度缺陷而引起的过早屈曲要大大优于平钢腹板,微小的厚度缺陷对波纹钢腹板的剪切屈曲极限荷载影响很小。     

波纹钢腹板剪切屈曲影响因素分析

采用考虑剪切变形的8节点曲壳单元离散波纹钢腹板,并用有限元方法进行非线性剪切屈曲分析。分析中采用一致缺陷模态法和引入钢板厚度缺陷分布函数的方法进行波形尺寸缺陷和钢板厚度缺陷的模拟。在此基础上研究了波纹形状、腹板整体外形尺寸和钢腹板厚度等因素对波纹钢腹板剪切屈曲极限荷载和屈曲模态的影响。     

基于试验的受剪波形钢腹板应力状态分析

波形钢腹板梁的剪切强度由腹板的剪切屈曲控制,而既有研究中还缺乏对受剪波形钢腹板梁破坏过程中腹板本身应力状态变化的研究。因此,基于一组大尺寸的波形钢腹板工字梁极限剪切试验结果,对受剪波形钢腹板直至破坏过程中的应力状态进行了分析。验证了波形钢腹板梁的剪切破坏由腹板剪切屈曲导致,按照腹板应力状态的变化规律可以将剪切破坏划分为屈曲前、屈曲时、屈曲后三个阶段,并总结了各阶段的应力状态特征。     

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。     

大跨组合斜拉桥梁腹板及加劲肋合理设计

为合理设置大跨组合斜拉桥钢板梁的腹板及其加劲肋,结合实例,在考虑后屈曲性能的影响下,对钢主梁受压区格长高比和加劲肋与腹板刚度比的合理选取进行研究。采用有限元软件EBPLATE计算腹板正应力屈曲系数、剪切屈曲系数及抗剪承载力,分析屈曲系数与钢主梁受压区格长高比和加劲肋与腹板刚度比的关系。结果表明:统筹考虑受压区纵肋布置及横肋的间距,受压区格长高比建议设计值区间为2.0~2.5,在这个区间纵肋的有效宽度大,局部正应力屈曲系数较大且剪切屈曲系数处于中值;在受压区,加劲肋与腹板刚度比建议设计值区间取13.0~15.0,在腹板厚度适中的情况下,使腹板成为中度加劲板。     

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。     

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。     

波纹腹板开孔对预应力钢-混凝土组合梁抗火性能影响研究

桥梁工程中为了方便工程检修与管线布设,经常在梁腹板上开孔。为研究腹板开孔对预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能的影响,按照完全抗剪连接设计了2片承受两点对称集中荷载作用的预应力波纹腹板钢-混凝土简支组合梁,其中一片是预应力波纹腹板开孔组合梁,另一片是预应力波纹腹板无孔组合梁;采用ISO834国际标准升温曲线对其进行了恒载升温耐火试验,同时采用有限元软件ABAQUS对其进行了数值研究。研究结果表明:高温下2类预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁均在剪弯区发生剪切屈曲;在截面尺寸和跨度相同条件下,承受相同的绝对荷载时,腹板开孔后的预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于后者在临界状态下抗弯刚度降低,抗火性能下降;在高温作用下,腹板开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于腹板未开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁,预应力拉索的效率更高,下降速率更慢;腹板开孔后的预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁,在升温后期其滑移曲线发展速率略高于腹板未开孔钢-混凝土组合梁;对于腹板开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁,在未出现腹板局部屈曲截面上,腹板分担的剪力可达截面总剪力的78%;开孔截面的总剪力几乎完全由混凝土板承担;临界状态下钢梁腹板正应力略高于常温下的腹板正应力水平。     

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。     

折线形腹板工字钢梁试验研究

为研究一种新型波纹腹板钢梁——折线形腹板钢梁在静力荷载作用下的抗剪屈曲性能,完成了折线形腹板钢梁及在梁长四分点设置或不设置加劲肋的平腹板钢梁在跨中集中荷载作用下的静力试验,对其受力性能进行了分析,着重探讨了折线形钢腹板的屈曲性能、屈曲形式和屈曲后强度。试验研究表明,折线形钢腹板的相邻板件互为支承,弯折处很好地起到了加劲肋的作用,从而使折线形钢腹板的抗剪屈曲能力较一般的平直腹板有很大的提高。用折线形腹板钢梁来代替传统的平腹板钢梁可以使钢梁腹板的厚度减小,可以不设或少设间隔加劲肋,有明显的经济效益,值得进一步研究和推广。     

波形钢腹板连续梁桥设计和施工相关问题探讨

大跨度波形钢腹板梁桥是一种新型桥梁结构,因其采用波形钢腹板替代混凝土腹板,相比传统的预应力混凝土连续梁桥,具有轻型、经济等诸多方面的特点。以前山河波形钢腹板连续梁桥为背景,针对设计和施工中的诸如内衬砼、剪力键、横隔板等相关问题进行了分析探讨。