单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁剪力滞效应研究

由于单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁截面剪力滞效应与混凝土箱梁截面剪力滞效应相比有很大差异,并且波形钢腹板几乎承担了全部剪力,波形钢腹板的剪切模量也需要进行修正。为研究单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应,从波形钢腹板PC组合箱梁的受力特点出发,以满足剪力滞翘曲应力的轴向平衡条件,采用二次、三次抛物线定义了单箱双室、单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的纵向位移差函数,利用势能驻值原理的能量变分法建立了波形钢腹板PC组合箱梁考虑剪力滞、剪切变形效应的控制微分方程组,并推导出简支梁、悬臂梁、连续梁在集中荷载、均布荷载作用下的解析解。通过解析法和有限元法分别计算了简支梁和悬臂梁的剪力滞效应,并研究了集中荷载和满跨均布荷载作用下的单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞分布规律,结果表明:采用二次抛物线剪力滞翘曲位移函数推导的剪力滞系数更为合理;单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁在跨中集中荷载下,波形钢腹板与混凝土顶、底板交界处的剪力滞效应较为突出;随着波形钢腹板PC箱梁室数的增加,剪力滞系数明显减少,且解析解与有限元数值解一致,表明了解析解的正确性,并通过分析给出了相应的剪力滞系数,可以为单箱多室波形钢腹板箱梁的设计计算提供参考依据。     

基于有限梁段法的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析

为简化并准确分析波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应,基于波形钢腹板组合箱梁能量变分法微分方程,考虑波形钢腹板剪切变形及体外预应力作用,采用有限梁段法推导得到梁段单元的系数矩阵和广义外荷载向量计算公式,求解波形钢腹板组合箱梁任意点的弯曲应力。以某等截面波形钢腹板组合简支试验梁为算例,将跨中截面正应力有限梁段法计算值与试验值、变分法及有限元法计算值进行对比,该方法跨中正应力分布与其它方法结果均吻合较好,顶板有限梁段法正应力峰值与有限元计算值相差仅1.6%,验证了该方法准确度较高。采用该方法分析伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥波形钢腹板组合连续箱梁桥在悬臂施工及成桥阶段的剪力滞效应,结果表明：悬臂施工阶段,随着悬臂长度增加固定端剪力滞效应逐渐减弱;成桥阶段,中支点和集中荷载加载点处剪力滞效应非常显著,均布荷载作用下边跨正弯矩区剪力滞系数较大,中支点处的峰值为1.13。     

单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的受力性能研究

为掌握荷载横向作用位置对单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁受力性能的影响,设计制作了缩尺比例为1∶10的模型梁,对简支模型梁分别进行了横向对称的双点和四点集中力弹性加载试验,集中力在横向分布作用在边、中腹板处顶板,对顶、底板的纵向应变、钢腹板剪应变和梁底挠度进行了测试。同时,建立有限元模型进行对比分析,并提出用腹板剪力系数表示"腹板剪力分配的不均匀程度"。结果表明:对于单箱三室的波形钢腹板混凝土组合箱梁,对称荷载的横向作用位置对作用截面的剪力滞系数横向分布有显著影响,不同腹板处顶、底板剪力滞系数的差异较大,在荷载作用点附近达最大值;加载截面横隔板的设置可以减弱剪力滞效应,而非加载截面的横隔板使顶、底板正应力分布呈现类似"负剪力滞效应";剪力在各钢腹板间不是平均分配,直接承受集中荷载的腹板可分担70%以上的剪力,其剪力系数最大可达2.0;横隔板可减小剪力不均匀分配的影响。     

基于车辆荷载数据的波形钢腹板PC梁桥细节疲劳寿命预测

波形钢腹板作为一种新型桥梁结构形式,在钢腹板与顶板衔接位置及波形钢腹板折线位置容易产生应力集中而出现疲劳失效。基于实测车辆荷载数据,在有限元软件ANSYS平台采用瞬态分析将荷载数据转换成疲劳应力效应。在此基础上,基于S-N曲线法对波形钢腹板结构的典型焊接点的疲劳寿命进行了预测。研究表明:典型货车车重服从多峰分布,波形钢腹板PC梁桥在波形折角位置、钢混连接孔位置和钢材焊缝位置处容易出现疲劳裂纹。在年交通增长率为5%的荷载作用下,头道河大桥细节1和细节2的疲劳寿命分别为143 a和295 a。     

波形钢腹板多室箱梁部分斜拉桥剪力滞效应分析

为了解波形钢腹板多室箱梁部分斜拉桥剪力滞效应对结构受力的影响,以某(58+118+188+108) m单箱四室波形钢腹板部分斜拉桥为背景,采用有限元法建立空间有限元模型,在跨中偏载和对称荷载作用下,计算主跨箱梁有索段和无索段顶底板混凝土正应力,分析各截面的剪力滞分布规律。结果表明:箱梁跨中截面混凝土顶板、底板正应力分布极不均匀,具有明显的剪力滞效应,箱梁混凝土顶板、底板剪力滞系数随距集中荷载作用点距离的增大急剧减小,截面顶板剪力滞效应均比底板大;箱梁顶底板均呈现正剪力滞效应,混凝土横隔板可以改善箱梁截面正应力分布,减弱剪力滞效应;顶底板剪力滞系数在无索段范围内急剧减小,有索段内急剧增大,车辆活载只在局部范围内引起较大的剪力滞效应,设计中应考虑此效应引起的不均匀应力。     

波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板承剪分析

为了了解波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板的弯曲剪应力及剪力传递效率,基于组合有限元思想,采用有限元软件建立大桥精细模型,首先对组合箱梁拟平截面假定进行验证,然后选取12个控制截面,分析自重、自重+预应力荷载作用下各控制截面的波形钢腹板剪应力及剪力传递效率。计算结果表明:弯曲作用下变截面波形钢腹板组合箱梁截面满足平截面假定,波形钢腹板中的剪应力沿板厚均匀分布,自重及预应力作用下变截面波形钢腹板组合截面的剪力传递效率为50%~80%,且变截面效应带来的梁高和底板厚变化会使波形钢腹板参数相同的梁段剪力分配比例有明显变化。     

单箱多室波形钢腹板箱梁剪力滞研究

为客观准确地对单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应进行评价,结合单箱多室混凝土箱梁的计算特点,定义了波形钢腹板箱梁的剪滞翘曲位移函数,通过能量变分法建立了单箱双室和单箱三室波形钢腹板箱梁考虑剪力滞效应的基本微分方程。分别采用有限元方法和解析方法分析计算了范例的剪力滞效应,研究了跨中集中荷载和满跨均布载荷作用下截面的剪力滞分布规律,探讨了跨宽比对剪力滞效应的影响。研究表明,该解析解与有限元数值解吻合较好,但在箱梁顶底板与波形钢腹板接合处、外伸悬臂板边缘处有一些差异,需要进行修正。研究给出了相关的剪力滞系数,可以为波形钢腹板箱梁设计时的剪力滞系数取值提供参考。     

波形钢腹板PC梁桥施工期局部应力分析

以某大桥波形钢腹板异步浇筑施工为背景,针对波形钢腹板施工期局部应力集中问题,采用有限元分析软件Ansys建立波形钢腹板有限元模型并模拟异步浇筑施工过程。基于有限元模型和现场实测数据,得到了各施工工况下桥梁关键截面波形钢腹板的局部应力状态。研究表明:有限元模型与实测应力数据相对吻合,随着施工的进行,各项应力值均不断增大,0#块根部波形钢腹板剪应力实测值在施工到8#悬臂节段时达到最大值(23.3 MPa),低于有限元计算值(26.5 MPa)和钢腹板材料的强度设计值(310 MPa)。     

波形钢腹板PC梁施工期位移分析与控制

针对波形钢腹板异步施工过程中位移变化复杂的问题,结合有限元软件Midas的整体结构分析和Ansys局部细化分析,讨论了关键阶段异步施工过程中波形钢腹板梁控制位置的位移变化趋势。提出了针对波形钢腹板施工的位移监控方法。以主跨为130m的波形钢腹板PC梁桥为工程实例,采用该文提出的新方法,结合现场实测数据,验证了该方法的可行性。研究表明:在施工位移控制过程中,对于复杂的钢混结构,需要建立精确的局部模型来校正整体模型。     

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。     

大跨波形钢腹板连续箱梁桥有效分布宽度研究

波形钢腹板组合箱梁桥与钢筋混凝土箱梁桥一样,箱梁翼板也存在剪力滞效应.为研究大跨度变截面波形钢腹板组合连续箱梁的剪力滞效应,采用ANSYS的APDL参数化建模方法建立了典型的三跨式波形钢腹板组合连续箱梁桥的有限元模型,计算分析了集中(均布)荷载作用下变截面箱梁几何参数(腹板尺寸、宽高比、宽跨比、变截面)对于剪力滞系数的...     

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。     

不同支承方式下三跨波形钢腹板连续梁弯桥剪力滞效应分析

为研究不同的支承方式对三跨波形钢腹板连续梁弯桥剪力滞效应的影响,采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立了三跨波形钢腹板连续梁弯桥的三维有限元模型,考虑了2种典型荷载工况——跨中集中荷载和全桥分布荷载下,典型截面的应力分布情况,计算出截面的剪力滞系数,并对4种不同支承方式下的剪力滞效应进行了分析。研究结果表明,三跨波形钢腹板连续梁弯桥边跨跨中截面应力最小为固定支承,中间支座截面应力最小为中间偏心铰支承,中跨跨中截面应力最小为固定支承。内侧的剪力滞系数要大于外侧,集中荷载下的剪力滞系数要大于均布荷载下的剪力滞系数,各支承方式下的剪力滞系数差异不大,集中荷载作用下剪力滞系数最小的为中间偏心铰支承,分布荷载作用下剪力滞系数最小的为中间固定墩支承。     

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。     

全比例波形钢腹板PC箱梁力学特性试验研究

根据国内第一座波形钢腹板PC组合箱梁公路桥-泼河大桥的箱梁构造尺寸,设计了30 m足尺试验梁,对其力学性能进行了试验研究和有限元分析。测试了箱梁挠度,波形钢腹板、混凝土顶板及底板的应变。研究结果表明,波形钢腹板PC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。试验结果为实桥的设计和建造提供了重要的资料。     

悬臂施工期波形钢腹板斜拉桥腹板剪力分配规律研究

为了解单箱多室波形钢腹板组合梁斜拉桥悬臂施工期腹板剪力分配规律及传递路径,以某单箱五室波形钢腹板组合梁斜拉桥为研究对象,采用有限元法建立悬臂施工阶段实体有限元模型,分析施工阶段应力叠加作用下各腹板的剪应力分布和剪力分配比例。结果表明:各腹板剪力分配比例与施工工况密切相关,当前节段斜拉索张拉时,剪力主要由中腹板承担;后续节段施工时各腹板剪力承担比例趋于一致。斜拉索作用下4道边腹板剪应力值相差不大,而中腹板剪应力值与有无钢导梁相关;横隔板的设置可明显改善各腹板剪力的不均匀分配现象。最大悬臂状态斜拉索及自重共同作用下,无钢导梁区中腹板承担剪力占比大于边腹板,因此单箱多室波形钢腹板组合梁斜拉桥腹板施工期受力关键控制腹板为无钢导梁区中腹板。     

波形钢腹板剪力分担比例有限元分析

基于有限元分析程序ANSYS软件,将实体单元、板桥单元及杆单元进行组合,建立波形钢腹板PC组合简支梁计算模型,分别模拟计算组合梁在三分点对称加载作用下的波形钢腹板力学性能,对3个控制截面波形钢腹板剪应力分布及剪力分担比例进行理论分析,通过分析得出波形钢腹板承担截面剪力,分担比例为79.2%~82.9%,其中剪应力沿截面高度分布较均匀,同时对波形钢腹板相邻的直板段与斜板段剪应力关系进行分析。     

考虑全截面剪切变形效应的波形钢腹板箱梁挠度计算

为了分析计算波形钢腹板箱梁在竖向荷载作用下的弯曲挠度,考虑波形钢腹板和混凝土顶、底板在其自身平面内的全截面剪切变形,引入符合力学规律的波形钢腹板和混凝土顶、底板在其面内剪切变形的位移函数,利用能量变分原理,推导出波形钢腹板箱梁挠度计算的解析解。结合单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法和ANSYS有限元解进行了比较分析。结果表明:该解析解的计算结果比仅考虑波形钢腹板剪切变形的计算结果更加精确,与有限元分析结果吻合良好,误差在5%以内,满足挠度计算的精度需求,且跨径越小,全截面剪切变形效应对挠度的影响越明显;针对单箱单室波形钢腹板箱梁,全截面剪切变形效应对挠度的贡献最大为36. 12%,其中波形钢腹板的剪切变形对总挠度的贡献最大为34. 46%,剪力滞效应对总挠度的贡献最大为1. 66%;而对于单箱双室波形钢腹板箱梁,全截面剪切变形效应对挠度的贡献最大为40. 91%,其中波形钢腹板的剪切变形对总挠度的贡献最大为36. 03%,剪力滞效应对总挠度的贡献最大为4. 88%;在相同的工况下,波形钢腹板箱梁的箱室越多,全截面剪切变形效应对挠度的贡献越大,挠度贡献值的最大增幅为4. 79%,在不同的工况下,集中荷载作用下全截面的剪切变形效应较为明显。     

变截面波形钢腹板PC梁桥的设计与计算分析

结合一座实际工程的大跨波形钢腹板组合连续梁桥,阐述其箱梁截面结构设计、混凝土与波形钢腹板之间的剪力连接件、以及布束体系等,之后采用Midas建立了主梁的空间杆系有限元模型,对其混凝土顶、底板应力及抗弯承载力进行了验算,并对波形钢腹板剪应力及剪力连接件剪切承载力单独进行了验算,结果表明:混凝土顶板和底板的抗裂性能满足要求;波形钢腹板强度足够,不会出现剪切破坏和屈曲失稳;剪力连接件设计合理、抗剪能力满足要求。可为类似大跨波形钢腹板PC箱梁提供参考。     

波形钢腹板组合梁施工期开裂风险分析及工程对策

波形钢腹板箱梁由于腹板的皱褶效应,顶、底板与腹板不服从平截面假定。为此,顶板、底板采用空间体单元,腹板采用空间壳单元模拟,精确模拟腹板与顶板、底板的连接。考虑施工过程定义,考虑横向预应力和纵向预应力的影响,考虑施工期挂篮对波形钢腹板箱梁底板的作用,开展了从零号块至最大悬臂状态的波形钢腹板施工过程分析。分析结果显示,空间精细化模型的位移计算结果与一般梁单元采用增量有限元算法得到的规律类似。原始挂篮底模后吊点处会出现应力集中现象。通过改变挂篮后吊点施工方案,可降低应力集中导致的混凝土开裂风险。同时提出了在箱梁纵向一些底板开裂风险较大部位增设防裂网片,抑制施工期波形钢腹板底板裂缝扩展。