大跨波形钢腹板预应力组合箱梁桥线形控制技术研究

波形钢腹板体外预应力组合箱梁的显著特点是用波形钢腹板取代了混凝土腹板,其受力性能与常规预应力混凝土箱梁有较大差别。为了研究剪切变形和日照温度效应对大跨波形钢腹板预应力组合箱梁桥线形控制影响,本文以桃花峪黄河大桥跨大堤桥为背景进行了分析,研究表明:(1)剪切变形对大跨波形钢腹板预应力组合箱梁挠度影响不可忽略,需要以能精确模拟此类结构构造特点的空间有限元分析计算为基础进行该类结构线形控制。(2)在日照温度挠度效应方面,波形钢腹板预应力组合箱梁的日照温度挠度效应趋势和常规PC箱梁相同,但是其温度挠度变化比同跨径常规PC箱梁小。     

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。     

预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁受力性能研究

该文概述了预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁在国内外的发展与应用情况,采用有限元分析方法,对跨径、材料、预应力钢束以及顶底板尺寸均相同的波纹钢腹板组合箱梁和平板钢腹板组合箱梁的受弯性能、抗剪性能、抗扭性能以及剪力滞效应进行了分析;比较了两种模型在不同荷载作用下跨中截面、四分点截面上的变形与内力分布;并对两种预应力混凝土组合箱梁的动力特性进行对比。研究成果表明:与平板钢腹板组合箱梁相比,预应力混凝土波纹钢腹板组合箱梁的腹板纵向刚度很小,横向挠曲刚度较高;波纹钢腹板组合箱梁跨中剪力滞效应较为显著,整体刚度较小。     

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。     

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。     

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。     

腹板形式对箱形梁桥体外预应力效率及经济性影响的研究

为对比混凝土腹板、平钢腹板及波纹钢腹板3种腹板形式对箱形梁桥体外预应力效率及经济性的影响,通过卡式定理推导验证了波纹钢腹板箱梁桥纵向刚度小于混凝土腹板箱梁桥及平钢腹板箱梁桥。基于推导结果,在预应力作用下,波纹钢腹板预应力效率应高于其他两种腹板形式箱梁桥。该文设计了3座配束相同、腹板形式不同的简支箱梁桥,利用有限元软件Ansys分别建立了有限元模型,计算了沿梁纵向1/4、1/2及3/4共3个截面的预应力效率。结果表明:波纹钢腹板预应力效率最高。通过比较3种腹板箱梁桥的初始费用及寿命周期成本现值,波纹钢腹板箱梁桥的寿命周期成本现值最低,经济性最优。     

均布荷载作用下波形钢腹板简支箱梁的挠度

基于波形钢腹板组合箱梁的特点,在其承受均布荷载作用下,运用能量变分原理推导了波形钢腹板简支箱梁考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切效应下的挠度计算公式.结合室内模型试验梁的实测值和ANSYS三维有限元的计算值,对该公式的正确性进行了验证,同时分析了这2种影响因素对波形钢腹板简支箱梁挠度的影响程度.结果表明:该公式的计算结果与实测值及有限元计算值吻合良好;在承受均布荷载作用下,与初等梁理论计算的挠度相比较,剪力滞效应和波形钢腹板的剪切效应分别增大波形钢腹板简支箱梁挠度的1.82％和36.36％,因此在实际计算中必须考虑波形钢腹板剪切效应对挠度的影响,而可以忽略剪力滞对挠度的影响,研究结论可为今后波形钢腹板箱梁桥的设计计算提供参考.     

波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能

为研究波形钢腹板预应力组合箱梁的徐变性能,利用ANSYS/CivilFem软件建立波形钢腹板预应力组合箱梁和常规PC箱梁空间有限元模型,对二者在相同顶底板初始应力和相同预应力配置这2种情况下的徐变效应,包括结构长期变形、体内和体外预应力损失率进行对比分析.结果表明:徐变引起的波形钢腹板箱梁挠度增量大于混凝土腹板箱梁;徐变引起的波形钢腹板箱梁体外预应力损失率大于混凝土腹板箱梁;体内预应力损失率小于混凝土腹板箱梁.     

波纹钢腹板混凝土箱梁的扭转振动分析

在分析箱梁扭转振动的基础上,根据波纹钢腹板混凝土箱梁的特点,推导了波纹钢腹板混凝土箱梁扭转振动的理论计算方法,并考虑了横隔板对扭转振动的影响。制作了波纹钢腹板混凝土箱梁模型,对其进行了动力试验和详细的空间有限元分析,并采用所推导的理论计算方法进行了计算。对理论分析结果、有限元数值计算结果以及动力试验结果的对比表明:推导的理论计算方法具有较高的精度;在波纹钢腹板混凝土箱梁跨内合理设置横隔板能够有效提高箱梁的抗扭刚度,改善其动力性能。     

波纹钢腹板体外预应力箱梁桥的发展与展望

介绍了波纹钢腹板体外预应力箱梁的发展历史、国内外关于波纹钢腹板体外预应力箱梁的研究现状及已经取得的研究成果。分析了波纹钢腹板体外预应力箱梁的结构特点、理论计算方法、与普通预应力混凝土箱梁桥的区别以及在桥梁工程中应用的优势。最后,结合我国实际情况提出这一结构需要进一步研究的问题,包括波纹钢腹板的拼装工艺、与箱梁的剪力连接构造、波纹钢腹板体外预应力箱梁的疲劳性能研究及动力性能研究等等。     

波形钢腹板刚构桥和普通PC刚构桥跨中下挠对比分析

为对比研究波形钢腹板刚构桥和普通PC刚构桥的下挠特性,分别建立某大跨波形钢腹板刚构桥的杆件模型及三维实体模型,在此基础上将钢腹板替换为混凝土腹板,并添加腹板预应力束,对比研究钢腹板剪切、混凝土收缩徐变、预应力损失等因素对两桥的影响。结果表明:自重作用下钢腹板相比混凝土腹板产生了较大的剪切变形,波形钢腹板刚构桥挠度更大;预应力主要产生轴向力而非竖向力,故预应力作用下两种桥梁产生的剪切变形均不明显;相对湿度和收缩徐变的改变对普通PC刚构桥挠度影响更明显;普通PC刚构桥成桥各阶段总竖向位移约为波形钢腹板刚构桥的1.6～2.0倍。体内预应力损失对波形钢腹板刚构桥和普通PC刚构桥均有较明显的影响,体外预应力损失对波形钢腹板刚构桥挠度影响不明显;自重系数每增加0.025时,两桥跨中挠度约增加6%～8%。     

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。     

单箱八室波纹钢腹板PC箱梁桥预应力施加效率研究

为研究单箱多室波纹钢腹板PC箱梁桥施工过程中预应力施加情况,以郑州市某市政高架桥(38m+56m+38m)为背景,实测了体内、体外预应力钢束张拉阶段箱梁底板应力,并与有限元计算结果进行了对比,验证了实测结果的有效性,根据实测结果对预应力的施加效率进行了计算分析。研究结果表明:对比同一截面两阶段底板正应力值,体内预应力钢束张拉阶段均比体外预应力钢束张拉阶段高;相对于普通混凝土箱梁或组合箱梁,波纹钢腹板组合梁桥的预应力施加效率有大幅提高。     

波形钢腹板连续组合箱梁桥的荷载横向分布

采用修正偏心压力法研究波形钢腹板连续组合箱梁桥的荷载横向分布规律。结合工程实例,利用修正偏心压力法计算某单箱三室波形钢腹板连续组合箱梁桥的荷载横向分布系数,利用空间有限元分析程序进行了数值模拟,并对其偏心荷载工况下的挠度进行了实测。将修正偏心压力法、有限元模拟方法得到的挠度值与实测挠度值进行对比。结果表明,修正偏心压力法将空间问题转化为平面问题,且充分考虑了波形钢腹板组合箱梁的抗扭作用。得到的荷载横向分布系数与有限元计算结果吻合较好。采用该方法计算波形钢腹板连续组合箱梁桥荷载横向分布是可行且偏于安全的。     

某波形钢腹板天桥设计方法研究

波形钢腹板组合箱梁桥是一种造型美观、受力合理的新型钢-混凝土组合结构,以某波形钢腹板PC组合箱梁跨线桥为背景,介绍了该桥的主梁整体设计、波形钢腹板构造设计、顶底板连接键设计计算,并按施加一期荷载、张拉体外预应力钢束、施加二期恒载、施加活载等施工及营运流程进行波形钢腹板预应力混凝土组合桥梁的上部结构顶底板混凝土应力、波形钢腹板应力及结构刚度(挠度)的有限元静力分析计算,验算其是否符合现行规范要求,为今后类似工程计算提供参考.     

波形钢腹板特大桥体外预应力设计及应用研究

为给特大跨波形钢腹板组合箱梁桥体外预应力设计提供参考,以港珠澳珠海连接线工程前山河特大桥为背景,介绍体外预应力体系的布设、转向与锚固装置的设计细节、体外束保护与减振装置的构造及减振机理。采用有限元软件,建立体外预应力钢束转向块、锚固端节段及运营阶段全桥有限元数值模型,分析转向块及锚固端的局部应力,研究施加体外预应力后运营阶段结构受力情况,比较不同体外预应力张拉工序对成桥状态结构挠度、应力、弯矩等力学性能的影响。结果表明:转向块及锚固端节段满足结构局部应力安全要求;运营阶段结构挠度、混凝土主梁及波形钢腹板应力均满足设计规范要求,结构安全可靠;"全桥合龙后先张拉中跨,后对称张拉边跨"的体外束张拉方案为最优方案。     

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。     

波形钢腹板混凝土工字梁剪切变形研究

针对波形钢腹板混凝土简支工字梁,运用能量法推导在集中力作用下,考虑剪切变形的挠度计算公式.通过与实体有限元模型比较,表明计算公式有较好的精度.参数分析表明:高跨比大于1/20,剪切挠度占总挠度超过10％;剪切变形对跨中挠度的贡献程度,随着波折角、波高的增大而增大;波形钢腹板混凝土工字梁相对于平钢腹板混凝土工字梁、混凝土腹板工字梁有更大的剪切变形.