桥面结构中螺栓连接带的弯拉受力性能研究

对含有螺栓连接带的钢U肋条带和钢-STC(Super Toughness Concrete)轻型组合条带先后进行负弯矩试验,结果表明:(1)由于螺栓连接带区域截面抗弯刚度较低,导致通过螺栓连接的拼接结构整体刚度远小于完整的通长结构,螺栓连接带对于结构整体刚度的不利影响不容忽视;(2)钢—STC轻型组合条带整体刚度虽较钢U肋条带得到了有效提升,但受螺栓连接带的不利影响更大。为在设计计算中充分考虑上述螺栓连接带的不利影响,提出了一种简化计算方法,即螺栓连接带区域不考虑钢U肋部分参与实际受力,并近似认为此时简化后的截面受弯变形符合平截面假定,将螺栓连接的原拼接结构转化为完整的通长变截面结构按一般材料力学公式进行计算。经试验验证,上述简化算法准确性较高,可大大降低设计计算难度。同时,亦提出了一种优化设计方案,即将STC层中的部分纵向受拉钢筋与拼接钢板在螺栓连接带两侧接头区域局部焊接。经试验验证,当此优化方案被采用时,不仅开裂荷载得到提升,还可有效规避螺栓连接带区域STC层最先开裂的风险,使得设计计算中无需再考虑螺栓连接带的不利影响,大大方便设计计算。上述优化方案现已被广东礐石大桥桥面维修工程所采用,效果良好。     

现浇STC铺装体系施工方案对悬索桥成桥状态影响研究

为解决钢桥面铺装层破损和桥面钢结构疲劳开裂两大病害难题,拟将超高韧性混凝土(STC)铺装体系运用于大跨度悬索桥。由于大跨度悬索桥桥面铺装面积大,施工时通常选择分块浇筑的方式,然而STC层自身刚度比沥青铺装大,分块现浇施工时,依次形成强度的各块STC将逐步提高桥面系刚度,与钢桥面形成组合结构协同受力,导致结构在STC浇筑、硬化过程中的受力状态不断发生变化,这种施工过程中的内力重分配,最终会影响设计成桥状态的实现。为了确定STC刚性铺装体系分块现浇施工方案对双跨连续悬索桥成桥状态的具体影响,以杭瑞高速公路上的岳阳洞庭湖大桥主桥为工程背景,利用Ansys软件对STC铺装体系现浇方案进行有限元模拟,基于计算结果比选最优施工方案。结果表明:不同的STC浇筑顺序、分块方式和配重方案对钢梁成桥线形有一定影响,对STC成桥内力影响较大。     

钢-STC轻型组合桥面螺栓连接接头区域设计

为解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出钢-STC轻型组合桥面结构方案。此结构方案应用于含有钢箱梁栓接的旧桥桥面维修时,螺栓连接区域由于存在拼接钢板,导致局部接头区域STC层厚度骤减,刚度下降,受力变形趋于不利,易出现早期开裂现象,需进行局部优化设计。针对这一问题,就接头区域局部提出2项强化构造措施(①局部加密剪力钉、②部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接),并进行足尺条带模型试验。以礐石大桥螺栓连接区域为例,对拟同时采取上述2项措施的情况进行验算。研究结果表明:2项措施均在不同程度上阻滞了STC层顶面接头区域内微裂纹宽度的发展,延缓了开裂,尤其当采取第2项措施或同时采取2项措施时,STC层顶面接头区域晚于一般区域开裂,即接头区域不再是设计计算中需要控制的不利区域;STC层顶面可能出现的最大拉应力为11.5 MPa,小于试验开裂荷载对应的名义开裂应力17.7 MPa,满足设计要求,即钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于礐石大桥桥面维修可行。     

钢-STC轻型组合桥面螺栓连接接头区域设计（双语出版）

为解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出钢-STC轻型组合桥面结构方案。此结构方案应用于含有钢箱梁栓接的旧桥桥面维修时,螺栓连接区域由于存在拼接钢板,导致局部接头区域STC层厚度骤减,刚度下降,受力变形趋于不利,易出现早期开裂现象,需进行局部优化设计。针对这一问题,就接头区域局部提出2项强化构造措施（①局部加密剪力钉、②部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接）,并进行足尺条带模型试验。以礐石大桥螺栓连接区域为例,对拟同时采取上述2项措施的情况进行验算。研究结果表明：2项措施均在不同程度上阻滞了STC层顶面接头区域内微裂纹宽度的发展,延缓了开裂,尤其当采取第2项措施或同时采取2项措施时,STC层顶面接头区域晚于一般区域开裂,即接头区域不再是设计计算中需要控制的不利区域;STC层顶面可能出现的最大拉应力为11.5 MPa,小于试验开裂荷载对应的名义开裂应力17.7 MPa,满足设计要求,即钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于礐石大桥桥面维修可行。     

某多跨简支T梁桥面连续化改造研究

简支梁桥由于构造简单、受力明确,在交通建设中广泛应用。但对于多跨简支梁桥,为提高行车舒适性,常减少部分伸缩装置做成桥面连续,而桥面连续后构造和受力复杂,需要有足够的强度,还需要适应一定的变形,否则在使用过程中容易损坏。通过对32 m简支T梁桥面连续化改造进行有限元分析,明确最不利效应下简支T梁桥面连续后,桥面连续部位受力特点。分析不同孔跨和不同墩柱高度,桥面连续可行性和关键控制因素,并进行参数化分析。同时结合该结构特点,分析固定支座转换为活动支座可行性。     

简支梁桥桥面连续结构力学特性理论分析

针对简支梁桥桥面连续结构易出现开裂、漏水和啃边等常见的病害问题,基于线弹性理论,采用结构力学方法推导了在汽车活载与温度效应联合作用下桥面连续结构的应力求解公式,并以某工程实例为算例,利用ABAQUS有限元软件对所推导的应力公式进行了验证。通过对桥面连续结构受力性能的综合分析,得出其主要影响因素有桥面连续结构的厚度、无黏结段长度和所用材料种类。最后,对这些影响参数进一步分析,得出了上述各参数对连续桥面结构受力和跨中挠度的影响程度以及影响桥面连续结构受力的最显著参数。结果表明:推导得到的桥面连续结构简化计算公式能够较精确地计算结构在汽车活载、温度效应等作用下的受力特征;随着铺装层厚度的增大,桥面连续段混凝土铺装层上、下表面的受力均有较大幅度的减小,上表面最大受力与厚度大致呈线性关系;当采用沥青混凝土与不采用沥青混凝土的桥面铺装层构造时,两者上表面最大主拉应力基本相同,但后者的下表面最大拉应力远大于前者;铺装层选择沥青混凝土面层与混凝土现浇层的组合设计较为合理;增加混凝土铺装层厚度和设置无黏结段是较为有效的改进方案,其中以设置无黏结段效果最好;每跨的无黏结段长度设为跨长的5%左右能够显著减小桥面连续结构的最大拉应力;研究结果可为简支桥梁桥面连续结构的受力计算及较为精确的设计方法提供理论指导。     

钢-UHPC轻型组合桥面板横向受力性能

为研究一种正交异性钢-超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构,在局部车轮荷载作用下的横向受力性能与横向受力组成,进行了足尺模型静载试验和有限元数值模拟。静载试验对同一足尺模型分别进行了横向简支工况和横向悬臂工况的加载试验,通过边界条件的变化来模拟组合桥面板不同的受力状态,并将试验结果与有限元分析结果进行对比,验证有限元模型的正确性,而后利用有限元模型的分析结果,得到组合桥面板在局部车轮荷载下的横向受力组成。研究结果表明:组合桥面板在车轮荷载作用下,其横向受力局部效应明显,横向应力主要局限于荷载作用区域附近的两道U肋范围内;在车轮荷载影响区域内,由横肋弯曲产生的桥面板整体附加弯矩的影响很小,组合桥面受力以第3体系为主,相应截面弯矩达到了总弯矩的75%,而在其他区域,第3体系受力所占比重迅速衰减,组合桥面受力以第2体系为主;加载至300kN时,组合桥面板受力仍处于弹性阶段,UHPC层顶面最大横向应力达到11.9 MPa仍未开裂,满足设计要求。     

钢-STC轻型组合桥面结构多参数分析

为综合研究STC层厚度、隔板厚度、栓钉间距对轻型组合桥面结构疲劳性能的影响,分析各参数间的协作性,得到基于该3种参数下轻型组合桥面结构的综合优化设计参数。以某大桥为工程背景,建立ANSYS局部有限元模型,对不同STC厚度、隔板厚度、栓钉间距情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节进行应力幅计算,并采用名义应力法对计算结果进行评估。基于有限元分析结果,得出以下结论:轻型组合桥面结构可以大幅提高钢桥面板的局部刚度,但对于整体刚度的贡献有限。各设计参数下的轻型组合桥面结构,对面板与U肋连接细节应力幅的改善作用均很大,而对其他细节改善作用则相对较小,U肋与隔板交叉处隔板裂纹细节为轻型组合桥面结构的开裂控制细节;STC层厚度由45 mm增加到60 mm可进一步降低钢桥面各疲劳细节应力幅;隔板变厚对U肋与横隔板交叉处隔板裂纹细节、U肋下缘对接焊缝细节应力幅改善较大,降幅为20%~29%;栓钉变密对U肋与横隔板交叉部位、弧形切口处细节改善作用明显,应力幅降低22.01%~27.96%;模拟的12种轻型组合桥面结构方案中,有7种方案的典型疲劳细节均满足疲劳强度设计要求,有一种方案理论上基本不会疲劳开裂。     

带板肋的钢-UHPC轻型组合桥面板计算与试验研究

为解决钢混结合段区域U形加劲肋传力不流畅,受力以及施工复杂等问题,提出一种新型的带板肋的超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面板,通过有限元分析将其抗疲劳性能与带U肋超高性能组合桥面板进行对比分析研究,并进一步对该结构在负弯矩作用下的承载能力,UHPC层的开裂应力,破坏模式以及荷载挠度关系进行实桥足尺模型试验研究。结果表明:(1)板肋组合桥面结构在疲劳性能上有更大优势,其在疲劳细节2,3,4上的应力幅均大大低于U肋组合结构;(2)足尺模型试验得到板肋轻型组合桥面结构的开裂应力为20.1 MPa略低于U肋轻型组合结构23.6 MPa;(3)板肋组合结构的破坏模式均为加劲肋屈服导致结构丧失承载能力而发生破坏,而U肋组合结构的破坏模式为横隔板屈曲失稳破坏于工程应用不利;     

子模型法在大跨钢桥面铺装有限元模型优化中的应用

为了提高大跨钢桥桥面铺装有限元分析简化模型的计算精度,在用子模型法对钢箱梁桥面铺装进行精细模拟的基础上,运用有限元正交数值模拟试验和综合评价方法对模型几何尺寸与边界约束条件进行优化。发现大跨钢桥桥面铺装有限元分析简化模型合理的几何尺寸与边界条件为:纵向为3跨,横向有8个U肋,横隔板高度为1.2 m,纵边自由,横边简支,横隔板底固结。对比分析结果表明:该简化模型具有较高的计算精度,横向拉应变误差仅为0.7%,纵向拉应变误差为3.7%,可供大跨钢桥面铺装力学分析和设计参考使用。     

海文跨海大桥设计关键技术

海文跨海大桥是中国首座跨越地震活动断层的跨海桥梁,主桥为独塔半飘浮体系斜拉桥,跨径布置为(230+230)m,跨断裂带引桥为57~60 m不等跨径的简支钢箱梁。针对项目强震、强风、强腐蚀等复杂建设条件,该桥主梁采用自重轻、抗风性能优、疲劳耐久的STC轻型组合扁平钢箱梁结构;桥塔采用承台无系梁的横向“人”字形塔、环向预应力锚固系统;通过与沉井方案比选,提出桥塔基础采用超大直径4.3 m的钢管复合桩,以解决强震作用下基础的受力与微风化花岗岩地质施工的难题;采用提出的钢-STC钢箱梁简支桥面连续构造、三维可调节的钢垫石支撑技术方案,以解决跨断裂带钢箱梁日常行车舒适性与强震下桥梁易修复的难题。开展钢箱梁简支桥面连续构造理论及荷载足尺模型试验、1∶20主桥振动台模型试验、抗风模型风洞试验等相关研究,验证了结构的可靠性及适应性。     

联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究

讨论钢筋混凝土简支板桥的病害及成因,介绍联合应用改造多跨简支梁为桥面连续简支梁体系、增大构件截面、粘贴钢板加固等加固技术进行加固的过程,借助ANSYS建立有限元模型进行仿真分析,并通过实桥检测来验证改造多跨简支梁为桥面连续简支梁体系和粘贴钢板加固法的可靠性、可行性及加固效果,对中小跨径简支体系桥的加固和承载力提高有一定借鉴作用。     

新型UHPC箱梁桥面体系横向受力性能

为研究新型UHPC连续箱梁桥面体系的受力特性,以广东清新大桥石角侧跨堤引桥为工程背景进行试设计,建立空间有限元模型进行桥面体系静力计算,以此为基础开展了1∶2缩尺模型试验和非线性有限元模拟,并对影响开裂应力的主要因素进行了参数分析。研究结果表明:UHPC箱梁试设计方案整体计算满足要求,正常使用极限状态桥面体系计算时,纵向未出现拉应力,横隔板上弦板底面最大横向拉应力为11.3 MPa。缩尺模型试验结果表明,桥面体系中横隔板上弦板下缘名义开裂应力为15.4 MPa,极限状态名义应力为68.2 MPa。开裂应力和承载能力均满足工程要求。横向受力抗裂性能参数分析表明,采用法国UHPC结构规范计算名义开裂应力是可行的,增大配筋率整体上可以提高上弦板下缘开裂应力,在实桥中,上弦板下缘钢筋直径建议取值■12～■40。增加上弦板高度可以提高抗裂安全性,当试验模型上弦板高度从24 cm增加到36 cm时,抗裂安全系数从1.24增加到1.52。     

某特大跨径悬索桥跨缆吊机静载试验研究

跨缆吊机作为悬索桥加劲梁吊装的专用提升安装设备,其承载能力直接决定梁段吊装施工的安全。该文以某特大跨径悬索桥跨缆吊机为对象,采用Ansys软件建立跨缆吊机的主要承重结构钢桁架的三维有限元模型,并进行结构受力分析,由计算后的结果拟定静载试验方案。测试结果表明:此跨缆吊机设计结构受力情况良好、合理,计算稳定系数为11.1,实测最大应力为148.1MPa,最大位移为30.1mm,为跨度的1/1 176,且实测残余应力、位移均较小,跨缆吊机各个组成构件的强度和整体刚度均比设计值大,结构处于弹性工作状态,满足梁段吊装施工的承载力要求。     

桥面铺装协同受力的空心板梁抗弯承载力研究

针对桥面铺装层须与桥梁结构紧密结合并共同受力的问题,提出了考虑桥面铺装层协同空心板受力的预应力混凝土空心板梁抗弯承载力计算方法。基于平截面假定,对桥面铺装层共同参与受力的先张法预应力混凝土空心板进行了分类,推演了适筋梁抗弯承载力计算公式,分析了是否考虑桥面铺装协同空心板受力对空心板梁力学参数的影响,并在实际桥梁工程对含有桥面铺装层的先张法预应力混凝土空心板梁进行抗弯承载力试验。研究结果表明:提出的承载力理论公式计算结果与试验结果吻合较好;带铺装层的预应力混凝土空心板满足平截面假定,铺装层和空心板之间连接紧密未出现脱落和界面滑移,破坏形态为适筋破坏;考虑铺装层与空心板梁协同的作用后,预应力混凝土空心板的中和轴位置上升,抗弯承载力较不考虑铺装层的空心板普遍提高10%以上。     

简支梁桥面连续构造的有限元分析与改进

桥面连续构造是简支桥梁的一个重要构造措施,但很容易损坏,且易损难修,是公路简支桥梁的通病。通过梳理目前常用的桥面连续构造型式,分析了其受力机理。对目前常规的多跨径简支梁桥的梁端变形进行了分析比较,在此基础上通过对两种桥面连续构造进行有限元计算分析,得出了桥面连续在最不利情况下的应力和裂缝宽度。对比发现植入式桥面连续构造能将混凝土变形在一定范围内分散,从而大幅减小了桥面连续处的应力和计算裂缝宽度,具有较高的应用价值。     

苏岭山大桥主桥设计与施工

苏岭山大桥主桥采用(70+240+70)m下承式连续钢桁拱桥,为双向8车道城市桥梁。主桁采用N形桁架,横向布置2片桁拱,桁间距38.2m,拱肋矢高54m,矢跨比为1/4.444。主桁上、下弦杆均采用带板式加劲肋的焊接箱形截面,主桁腹杆根据杆件受力分别采用箱形和H形截面,2片桁拱间设置8道空间桁架式风撑。桥面系为纵横梁格子梁体系,桥面板采用结构简支桥面连续的π形板,预制板同钢横梁之间设板式橡胶支座。吊杆采用PES7-109的镀锌平行钢丝,标准强度1 770MPa,吊杆标准间距7m。水中主墩为直径4m的圆柱形实体墩,采用双壁钢围堰施工。钢桁拱边跨采用临时墩辅助拼装施工,中跨采用吊索塔架辅助悬臂安装,跨中合龙。     

带大U肋的轻型组合桥面板基本力学性能

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出了由正交异性钢桥面板与薄层超高韧性混凝土STC组合而成的轻型组合桥面板结构。由于STC层显著提高了桥面板的刚度,因此可对结构进行优化。在带U肋轻型组合桥面板的基础上,提出了带大U肋的轻型组合桥面板方案。将此方案拟应用于某大桥,与原结构相比,用钢量基本不变,而面板-U肋-隔板三者间焊缝总长度减少36%,不仅降低了施工难度,也减少了焊接缺陷,进一步解决了钢桥面板疲劳开裂的问题。采用4种不同的结构体系,建立了钢箱梁节段有限元模型,基于热点应力法,对体系的6个典型疲劳细节进行疲劳验算。结果表明：在大U肋轻型组合桥面板中,6个疲劳细节的应力水平与传统U肋轻型组合桥面板接近,降幅效果基本一致;同时,通过计算说明了大U肋轻型组合桥面板具有良好的横向受力性能,其栓钉也具有足够的抗疲劳性能。为探究此轻型组合桥面板STC层的纵向弯拉性能,开展了负弯矩条带足尺试验,确定大U肋轻型组合桥面板的STC顶层名义开裂应力为24.1 MPa,远超STC层计算最大拉应力10.92 MPa。以上分析初步表明：带大U肋的轻型组合桥面板有较好的疲劳和静力性能。     

变截面连续钢箱梁斜桥受力特性分析

当斜桥斜角角度小、桥面较宽时,其受力机理与直桥不同,若用梁单元模型对其进行分析则不能反映其实际受力状况。以3跨变截面连续钢箱梁斜桥为研究对象,建立梁单元和板单元的2种有限元模型,并对比2种模型的计算结果,分析跨中和墩顶处主梁顶板和底板的应力分布,以考察最不利工况下支座反力的分布情况。     

单肋对角斜跨拱桥受力性能分析

采用双重非线性的分析方法,运用大型有限元分析软件Ansys,对一座单肋对角斜跨桥的受力性能进行了分析.实现了桥梁受力全过程分析,并探讨了初始缺陷以及截面厚度变化对单肋对角斜跨拱桥受力性能的影响.结果表明:在满跨均布活载作用下,拱肋的破坏始于L/6和5L/6截面的屈服,拱肋逐渐由无铰拱转变为三铰拱进而失去承载能力;拱轴线的面内初始偏移对单肋斜跨拱桥的极限承载力影响不明显;拱脚截面加厚是提高单肋斜跨拱桥极限承载力的有效措施.