特大跨悬索桥索塔波形钢腹板横梁抗震性能试验研究(Ⅱ):试验结果及性能评估

雅安至康定高速公路泸定大渡河特大桥在国内外首次采用波形钢腹板组合箱型结构作为高烈度地震区特大跨悬索桥的索塔横梁,采用拟静力模型试验方法对新型索塔横梁体系的抗震性能进行研究。研究成果分为2部分介绍:前文介绍了模型试验设计及其有限元计算分析,本文在前文的基础上,重点分析实测的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、延性性能、刚度退化、耗能能力等试验指标,并对索塔横梁体系的抗震性能进行评估,同时对其塑性铰长度取值进行了初步探讨。试验结果表明:波形钢腹板箱型横梁满足抗震设计要求,索塔横梁联接体系能够实现"强剪弱弯、强节点弱构件"的设计理念,为高烈度地区大跨径悬索桥索塔横向联接抗震设计提供了一种新思路。     

泸定大渡河兴康特大桥抗震设计关键技术

泸定大渡河兴康特大桥主桥为1 100m单跨钢桁梁悬索桥,针对该桥桥址区地震动参数高的特点,开展结构抗震设计关键技术研究。基于延性抗震设计理念提出耗能型中央扣,将防屈曲钢支撑用作中央扣杆件,防屈曲钢支撑的两端以铰接形式与缆、梁连接,只承受轴向力,不产生弯矩。基于组合设计思想提出波形钢腹板钢-混组合桥塔横梁,利用预应力混凝土顶板和底板抗弯、高强度钢腹板抗剪。对比耗能型中央扣与传统刚性、柔性中央扣对悬索桥抗震性能的影响;对比波形钢腹板钢-混组合桥塔横梁与普通钢筋混凝土、钢桥塔横梁的抗震性能,并对组合桥塔横梁进行缩尺模型试验,结果表明:铰接式耗能型中央扣能显著改善高烈度震区大跨径悬索桥的抗震性能;波形钢腹板钢-混组合桥塔横梁具有良好的综合抗震性能,连接构造安全可靠。     

波形钢腹板组合箱梁加载效率试验研究

体外预应力波形钢腹板组合箱梁是一种新型的钢-混凝土组合结构,其剪力主要由钢腹板承担,混凝土顶底板承受绝大部分弯矩;由于充分发挥了材料性能,提高了材料效率,有着很好的应用前景。为了研究波形钢腹板的加载效率,制作了2根模型梁,通过测试预应力张拉时结构应变和变形规律,利用空间有限元方法进行分析,试验结果与理论结果吻合较好,并得到了该组合结构在预应力作用下的加载效率规律。对不同厚度腹板的普通混凝土梁进行了参数对比分析,结果表明,波形钢腹板组合箱梁在预应力加载效率方面具有较强的优势。     

波形钢腹板组合箱梁疲劳性能试验与理论分析

为了给波形钢腹板组合箱梁的疲劳设计和施工提供参考,制作了试验模型梁,并对其进行疲劳荷载试验,得到了这种结构的典型疲劳破坏特征。结合有限元分析,利用已有的研究资料,比较了波形钢腹板组合箱梁与波形钢腹板钢梁应力状态的相似性。采用断裂力学分析方法,对比有限元分析和模型梁试验结果,研究了波形钢腹板组合箱梁疲劳寿命的计算模式,进而推导出这种结构的S-N曲线。研究结果表明:对于波形钢腹板组合箱梁的疲劳设计,在有限疲劳寿命设计与计算中建议偏安全地采用美国规范AASHTO 2007提供的设计参考中的C类标准。     

波形钢腹板组合T梁静力性能试验

为探索新型结构波形钢腹板组合T梁的受力性能,制作了下翼板布置直线型体内纵向预应力筋的缩尺试验梁,采用两点对称加载的方式开展了静载破坏性试验,对试验梁的截面正应变分布、荷载-位移曲线、开裂弯矩、剪应力分布、破坏形态、裂缝发展规律等进行测试。使用ABAQUS软件建立了试验梁的有限元模型,采用混凝土的损伤塑性模型和钢材的理想弹塑性本构对加载全过程进行非线性分析。基于钢-混组合梁的收缩、徐变理论和钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算方法,对试验梁的开裂荷载和抗弯承载力进行理论计算。结果表明：只布置下翼板纵向预应力筋的波形钢腹板组合T梁的荷载-位移全过程曲线表现出较明显的弹性、弹塑性和塑性变形阶段,具有较大的抗弯刚度和良好的抗裂性和延性;抗弯承载力与开裂荷载的比值为1.79,具有较合理的承载受力特点;整个加载过程中,钢腹板与混凝土翼板变形协调,表现为典型的受弯破坏形态;剪应力在波形钢腹板组合T梁的腹板中分布均匀,可不设置弯起筋提供抗剪承载力;忽略波形钢腹板的轴向变形刚度和抗弯承载力,能准确计算开裂荷载和抗弯承载力;波形钢腹板组合T梁的力学机理明确,静力性能良好,具有工程应用前景。     

波形钢腹板组合箱梁在对称加载作用下剪力滞效应的试验研究

按照比例尺 1∶ 1 2对一实例桥进行缩尺并经适当调整 ,制成波形钢腹板组合箱梁模型。对模型梁进行对称加载弯曲试验 ,实测箱梁翼板纵向正应力分布 ,同时进行了空间有限元数值分析和能量变分法理论分析 ,对组合箱梁翼板的剪力滞效应规律进行了试验研究和计算分析     

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。     

强震山区大跨悬索桥桥塔横梁方案比选

针对大跨度悬索桥桥塔传统混凝土结构横梁抗剪能力较差的情况,以强震山区主跨1 100 m的悬索桥——泸定大渡河特大桥为背景,计算地震作用下桥塔结构的内力,并对混凝土结构、钢结构、新型波形钢腹板组合结构3种形式桥塔横梁方案进行比选。结果表明:相比于混凝土结构横梁方案,钢结构横梁方案弯矩和剪力减少幅度分别为25.9%～29.3%和33%～34.7%,新型波形钢腹板组合结构横梁方案弯矩和剪力减少幅度分别为17.5%～27.8%和19.1%～30.6%,钢结构横梁与新型波形钢腹板组合结构横梁方案的抗震性能优于混凝土结构横梁方案。但钢结构横梁方案的桥塔横梁钢-混连接构造无法满足结构受力需求,且施工要求高、难度大。新型波形钢腹板方案钢-混连接构造可靠度和施工难易程度优于钢结构横梁方案,因此泸定大渡河特大桥最终采用新型波形钢腹板组合结构横梁方案。     

现浇单箱多室宽箱梁横梁受力特性研究

为确定单箱多室宽箱梁的横梁设计计算方法,结合工程实例,采用Ansys软件进行三维实体有限元分析,研究了箱室数量和纵、横向预应力对横梁受力的影响,并将该文提出的横梁实用计算方法和有限元结果进行对比。结果表明:采用该文计算模式的横梁应力分布和实体有限元结果吻合良好;恒载作用下,90%以上横梁剪力由腹板传递,实用计算方法可以采用腹板集中力加载方式;纵、横向预应力对各腹板传递剪力的比例有较大影响,常用的腹板等比例加载方式可能偏不安全,有必要通过实体有限元分析结果确定。     

某装配式波形钢腹板组合小箱梁桥梁地震易损性分析

目前,波形钢腹板组合箱梁桥在我国获得了较为广泛的应用,其基本力学特性及设计方法等方面的研究也非常深入,但其抗震性能方面的研究却很少,因此展开地震作用下的性能研究十分有必要。基于一座多跨的典型山区梁桥为例,上部结构均为箱梁、截面形式分别采用波形钢腹板组合箱梁、普通混凝土箱梁两种,并基于通用的Open SEES开源软件,建立了桥梁弹塑性有限元模型,并从PEER数据库选择100条地震波、进行全过程动力时程分析,从而获得了关键构件和关键截面的动力响应规律。利用分析结果,并根据易损性分析原理,对波形钢腹板组合梁桥、常规混凝土梁桥进行构件层次和系统层次的地震易损性分析,获得了相应的易损性曲线,从而可以对两种截面形式的易损性能进行对比,发现波形钢腹板组合箱梁桥具有良好的抗震性能,是山区桥梁的一种比较好的结构形式,适合推广。     

波形钢腹板箱梁桥异步施工节段足尺模型试验研究

为了研究波形钢腹板箱梁桥异步施工过程中结构的受力性能,验证各关键部位的安全性,以奉化江大桥主桥为背景,针对该桥异步施工过程中的受力最不利工况——主梁16号节段的底板浇筑工况设计制作足尺模型(长7.2m、宽2.3m),采用两点加载方式进行静载试验,研究施工荷载作用下梁体挠度、波形钢腹板侧向变形、波形钢腹板及钢翼缘板的应力分布。结果表明:施工荷载作用下,混凝土顶、底板均未出现裂缝,波形钢腹板剪应力远小于其抗剪强度设计值,波形钢腹板自承重异步施工可满足结构受力要求,具有足够的安全储备;波形钢腹板作为自承重结构在竖向荷载作用下产生的竖向挠度及侧向变形较大;波形钢腹板上翼缘板挂篮作用点处为结构受力关键部位,施工时应对其进行局部加强。     

波形钢腹板连续梁桥成桥静载试验及分析

波形钢腹板连续桥梁作为一种新型的钢混桥梁结构,具有独特的力学受力特点。以QSH波形钢腹板连续梁桥进行成桥静载试验为例,对试验结果进行分析评价,分析该种结构在试验荷载作用下各项参数是否满足相关规范规程及设计的要求,保证该新型结构在日常营运中的正常工作性能。     

波形钢腹板连续梁中横梁受力分析

波形钢腹板连续梁中横梁剪力传递路径复杂,同时承受多个方向荷载作用,呈现复杂的三维受力模式,需要深入研究。将结合裕溪河大桥工程,以波形钢腹板四跨连续梁为研究对象,采用MIDAS FEA通用有限元分析软件建立三维有限元模型,对中横梁受力状态进行研究,重点研究了横梁横向和竖向的拉应力问题,探究其产生的原因。分析结果表明,人孔的局部削弱不是导致拉应力的主要原因,而腹板对横梁的下压和支座的支撑作用是导致横梁顶板和人孔附近区域出现横桥向的拉应力的根本原因;截面腹板及底板区域传递大部分剪力,横梁承受竖向的拉力,会导致竖向拉应力的产生。通过设置横向及竖向预应力,可以减少横梁的横向和竖向拉应力。     

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。     

波形钢腹板预应力混凝土箱梁的试验研究

为研究波形钢腹板预应力混凝土箱梁这种新型桥梁结构的力学性能,根据国外已建实桥的箱梁尺寸,设计了缩尺模型试验梁。通过测试模型梁在静力荷载作用下的挠度和应变,来分析这种箱梁结构的弯曲、扭转和畸变等力学特性。试验结果表明:在弯曲荷载作用下,波形钢腹板主要承担剪力,而弯矩仅由混凝土顶板和底板来承担,同时箱梁的挠度应计及钢腹板的剪切变形的影响。另外,波形钢腹板预应力混凝土箱梁对偏心荷载作用时产生的扭转变形和畸变的抵抗能力相对较差。波形钢腹板预应力混凝土箱梁具有区别于传统混凝土箱梁结构的的力学特性。     

马鞍山长江公路大桥塔梁固结处模型试验研究

为研究马鞍山长江公路大桥塔梁固结处的受力性能,对实桥相应部位进行缩尺模型试验,并结合有限元计算对模型进行受力分析。选取半幅实桥中相应部位的塔柱和含塔梁固结处的下横梁及加劲梁制作成1∶4缩尺模型,进行塔梁固结处控制工况加载,并采用ANSYS建立相应空间三维实体模型进行理论计算。试验结果与有限元计算结果表明:塔梁固结处各部位的应力均满足规范要求,结构具有足够的安全度。     

某波形钢腹板组合箱梁桥的抗震性能研究

为了探究波形钢腹板组合箱梁桥的抗震性能,为类似工程的抗震设计提供技术支持,以某组合梁桥为例,首先介绍了时程分析方法的理论,然后利用Midas Civil有限元软件,对该组合梁桥在不同方向地震波影响下的位移和内力情况进行了数值模拟研究。成果表明:Nemark法的实质是对线性加速度法的修正和改进,该方法对结构力学模型进行了合理的简化,在基于有限元的桥梁结构抗震性能分析中能得到良好的应用效果;水平向地震波对波形钢腹板组合箱梁的影响最大,以桥墩墩底和中跨跨中位置的影响最为严重。     

波形钢腹板箱梁无背索部分斜拉桥局部应力分析

新密市溱水路大桥为中国第一座波形钢腹板箱梁无背索部分斜拉桥.采用全桥结构数值仿真技术和组合有限元思想,在建立桥梁精细有限元整体计算模型基础上,将关键部位有限元网格细化,得到索塔锚固区、索梁锚固区、墩梁塔固结区域局部应力,对结构局部受力性能进行研究分析,为优化设计提供了依据,并总结局部关键部位设计经验,为今后设计提出建议...     

变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁横向受力性能研究

为研究变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁的横向内力分布规律及有效分布宽度，以某连续梁桥为背景，设计、制作一片三跨变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁的缩尺模型，通过试验与有限元模拟相结合的方法进行试验梁横向内力研究。按分级加载方式分别在试验梁中跨跨中与边跨跨中进行单点与双点加载，并采用Abaqus软件建立试验梁有限元模型，分析各工况下跨中截面的横向内力，以及中支点、横隔板对横向内力分布的影响；最后推导有效分布宽度计算公式，并与现行桥规值对比。结果表明：沿中线单点加载时，试验梁的横向应力由中腹板位置的顶板向两侧逐渐递减，偏载时两侧边腹板的横向应力差值较大，偏载工况下畸变与横向翘曲现象较明显，可采用增大腹板线刚度或增加横隔板厚度等措施进行改善；中支点对横向应力的分布具有较大的影响，工程应用应考虑中支点的影响；设置横隔板对抵抗跨中横向负弯矩具有较好的效果，横隔板处顶板横向应力明显减小；与有效分布宽度试验值相比，按桥规计算得到的有效分布宽度值较为保守，建议对现行桥规值进行适当修正。     

大跨径波形钢腹板连续刚构桥拉索支座抗震效应分析

本文基于波形钢腹板连续刚构桥工程实例,对交界墩处分别设置拉索减震支座和普通盆式抗震支座的波形钢腹板连续刚构桥在地震作用下的桥墩内力进行了有限元对比分析,并对不同支座水平刚度下交界墩和主墩的内力、刚度变化情况进行了对比分析。分析结果表明采用拉索支座能够调整连续刚构桥主墩和交界墩在地震作用下的响应内力分配。研究结果对高地震烈度区大跨径波形钢腹板连续刚构桥的设计具有一定的理论和指导意义。