基于有限元计算的铁路承台简化计算方法研究

随着高速铁路的发展,高架桥梁的应用越来越广泛,承台作为桥墩和桩基的连接枢纽,其受力机理和配筋方法的研究逐渐引起了工程界的重视。本文对铁路承台内部的受力机理进行分析,并提出了针对铁路厚承台的三维拉压杆简化计算模型,根据简化模型的计算结果,提出了一种基于力流的配筋方法,该配筋方法能够减少铁路承台的配筋量,提高高速铁路建设的经济性。     

铁路桥梁桩基承台力学分析及配筋探讨

现行铁路设计规范提出承台的厚度及配筋应根据受力情况确定,在条文及条文说明中提出厚度、混凝土强度、刚性角、底面钢筋面积等要求,但没有明确承台计算方法。依托实际工程项目,对典型承台在不同桩间距、桩基刚度情况下进行受力分析。对比有限元模型计算结果与现行国内外比较通行的建筑、公路规范的计算结果,结合国内常规铁路桥梁承台设计的经验,提出经济、合理的承台配筋设计计算方法。     

大跨度斜拉桥混凝土索塔区侧壁竖向拉-压杆模型研究

大跨度斜拉桥预应力混凝土索塔锚固区容易开裂,本文采用拉-压杆模型对锚固区竖向受力及预应力锚固范围进行研究。根据索塔锚固区受力平衡原理和几何关系,建立索塔锚固区侧壁竖向拉-压杆模型,得到简便实用的拉-压杆受力计算公式,且公式计算值与专业软件CAST计算值相同。计算结果表明:在索力竖向分力的作用下,侧壁产生拉应力的高度范围是恒定的,且只与主塔几何尺寸有关,与索力大小无关;在索力竖向分力的作用下,距离索力作用点越近,侧壁高度方向上拉力越大。研究结果可供索塔锚固区环向预应力设计参考。     

客运专线桥梁承台板配筋设计的探讨

承台板是桥梁上部荷载传递给桩基的重要构件,从铁路客运专线承台板设计的问题出发,就国内外规范规定的"梁式体系"、"撑杆-系杆体系"以及钢筋混凝土构件(铁路规范)计算方法和理论,结合我国传统普速铁路承台板的设计思路,对不同的承台板配筋设计理论进行计算比较,并通过M idas/C ivil有限元程序建立常用跨度桥梁承台板模型,对其变形及应力进行计算分析,得出与铁路常规计算方法的结果对比,最后从计算方法、裂缝控制、配筋率等方面提出承台板配筋设计的建议。     

基于纤维梁单元的盾构隧道管片配筋优化技术

研究目的:盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,由于忽略钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,以期在确保隧道结构安全的情况下减少钢筋用量,达到节约成本的目的。研究结论:(1)利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过将管片截面划分成微小单元,对截面刚度进行积分,获得了衬砌结构精确的弯曲刚度值;(2)在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,从而在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化;(3)选用某地铁盾构隧道作为算例,考虑管片在施工期和运营期不同的受力特征,在初步配筋基础上比选优化得到最优配筋方案,所得优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度上节省了钢筋用量;(4)本研究成果可为盾构隧道管片配筋设计的优化提供参考。     

基于纤维梁单元的盾构隧道钢筋砼管片配筋优化研究

盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,忽略了钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过对截面刚度进行积分,获得衬砌结构精确的弯曲刚度值。此外,在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化。研究所得的优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度节省了盾构隧道的钢筋用量。     

钢筋沥青隔震层弹性极限 状态方程研究

基于钢筋沥青隔震层的基本构造和工作原理,将钢筋沥青隔震层在地震作用下的竖向受力钢筋简化为上端有水平力作用下的理想轴心压杆模型,依据钢筋平面内稳定推导出钢筋沥青隔震层的弹性临界承载力与弹性极限位移公式,从而得到隔震层减震系数公式。通过单质点钢筋隔震层模型、钢筋沥青隔震层模型振动台试验验证,结果表明理论和试验符合较好。根据减震系数应用弹性临界承载力与弹性极限位移公式,能得到钢筋沥青隔震层的所有设计参数,可供设计参考和使用。     

钢筋混凝土裂缝反算配筋计算方法及工程应用

《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中钢筋混凝土偏心受压、轴心受拉及偏心受拉构件的配筋计算公式较为繁琐,迭代计算步骤较多,在进行铁路隧道衬砌混凝土结构配筋计算时,工作量大且容易出现错误。在构件裂缝宽度计算公式基础上,综合考虑多种因素影响,根据规范要求的裂缝宽度限值,分别逆向推导出钢筋混凝土偏心受压、轴心受拉及偏心受拉构件的配筋计算公式,简化了配筋的计算过程。以偏心受压构件为例,将采用裂缝反算配筋计算方法得到的计算结果与现有规范配筋计算方法得到的计算结果相比较,基本吻合。钢筋混凝土裂缝反算配筋计算方法简单实用,目前已成功应用于隧道专业安全系数法向极限状态法转轨工作中,为钢筋混凝土结构的配筋计算提供参考和借鉴。     

UHPC锚固区传力性能试验与拉压杆模型分析

针对公路桥梁中应用2 300 MPa级超高强钢绞线可能导致锚固区劈裂的问题，以预应力混凝土小箱梁的梁端锚固区为研究对象，开展超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）和普通混凝土锚固区传力性能试验并对比二者的抗裂性能，建立三维有限元模型分析锚固区的应力分布，构建静定拉压杆模型分析UHPC超高强预应力锚固体系的劈裂效应。结果表明：应用UHPC超高强预应力锚固体系是可行的；与普通混凝土相比，UHPC锚固区的开裂荷载更高，裂缝发展更缓慢，抗裂性能好；基于静定拉压杆模型，计算得到小箱梁UHPC超高强预应力锚固区内的劈裂力为873 kN，结果偏安全，可用于指导梁端的配筋设计。     

钢筋混凝土承台配筋设计理论的探讨

我国现行铁路规范未对承台的配筋设计理论作明确的规定 ,目前也没有好的用于分析承台板的计算方法。为此 ,对不同的承台配筋设计理论进行计算比较 ,并提出分析结论 ,以此得出承台配筋设计的统一方法 ,供设计人员参考使用。     

PC悬浇梁墩旁临时固结的计算方法研究与应用

研究目的:在连续梁桥悬臂施工中,墩顶临时固结一般视为刚性体,计算原理较为简单,方法比较成熟。而对于墩旁临时固结,应当视为弹性体而非刚性体,目前虽然有多种简化计算方法,但这些方法均存有诸多不足之处。本文通过对墩旁临时固结的力学分析,提出一套能适合各类工况、满足工程施工精度要求且较为简单的计算方法。研究结论:(1)把墩旁临时固结简化为弹性三支点计算模型是与其实际受力状态相一致的;(2)基于弹性三支点计算模型所提出的简化计算方法,能够满足各种工况的计算需要;(3)墩旁临时固结轴力的计算与其拉压刚度是否相同密切相关,应根据临时支撑拉压刚度的大小和实际受力状态选取相应的计算公式;(4)本文给出的计算方法可为我国PC悬浇梁墩旁临时固结的设计提供方法和依据。     

配筋混凝土箱梁长期受力性能的比拟杆分析

为使配筋混凝土箱梁长期受力性能的分析趋于简便,将线弹性匀质箱梁短期弯曲性能分析的比拟杆法推广应用于其长期受力性能的分析。引入按龄期调整的有效弹性模量来考虑箱梁混凝土徐变的影响,基于换算截面的原理来考虑箱梁配筋的影响,建立能综合考虑箱梁受力特征和配筋影响的混凝土箱梁长期受力性能分析的比拟杆法。对一根预应力混凝土模型箱梁进行长达1001d的徐变试验,并用其结果对所提方法的适用性进行验证。结果表明:混凝土箱梁长期受力性能的比拟杆法计算结果与试验结果之间吻合较好。与试验值相比,t0～1001d时段内箱梁顶板混凝土压应变的计算值相差7%～11%、跨中截面长期挠曲变形的计算结果相差9%～17%。随着持荷时间的增长,箱梁顶板的剪力滞系数逐渐减小,持荷1001d后剪力滞系数减小了7.1%。     

隧道二次衬砌安全评价及缺陷预防探讨

针对一铁路隧道检测发现的二次衬砌结构病害问题,运用ANSYS软件对隧道二次衬砌缺陷段结构受力及配筋进行计算分析安全评价。结果表明:该隧道拱顶二次衬砌结构受到的压应力及拉应力均满足极限抗压强度及极限抗拉强度要求,且拱顶部位的实际配筋量满足承载要求,但不满足构造配筋要求。针对钢筋间距局部不满足设计要求这一情况,提出了具体的整治措施及施工管理预防措施,以利于后期运营维护。     

活性粉末混凝土梁受弯非线性全过程分析

采用活性粉末混凝土（RPC）材料的单轴拉压应力—应变关系,考虑RPC梁受力特性,以平截面假定及数值积分法为基础,根据内力平衡关系编制RPC梁的截面计算分析程序,计算其弯矩—曲率关系曲线。在此基础上利用共轭梁法,进一步得出RPC梁的荷载—挠度关系曲线,获得任意一级加载后的任意节点的位移,从而达到对RPC梁进行全过程分析的目的。用7组RPC梁的三分点破坏加载试验对数值计算结果进行验证,试验结果表明：RPC梁受力全过程中平截面假定仍然适用,数值计算出的配筋PRC梁的荷载—挠度全曲线、破坏形态以及极限荷载与试验结果吻合良好;无筋RPC梁试验结果均小于理论计算结果,且相差较大,无筋RPC梁的最终破坏模式为单一裂缝的脆性破坏。建议设计RPC梁时,在受拉区配置一定量的抗裂分布钢筋。     

客运专线拱桥承台设计方法的探讨

为解决客运专线拱桥承台设计无明确铁路规范可依这一问题,通过建立桩-土-承台结构相互作用模型的方法,阐述桩-土-承台结构在上部结构作用下如何计算承台的应力和配筋,通过与已有规范方法比较,论证了桩-土-承台相互作用模型的配筋结果更加安全,为拱桥承台设计提供了有益的参考。     

三维群桩-承台-墩的自振特性分析

提出了三维群桩-承台-墩的一种自振特性分析方法,其计算模型不但将群桩-承台-墩作为三维的整体结构来分析,而且考虑了桩-土的相互作用,同时简化了动力分析中承台的刚性模型,为全桥结构的整体抗震安全性研究打下了基础.     

钢筋混凝土板应力计算的迭代方法

研究目的:异形板或受力复杂的混凝土板的配筋问题一直困扰着工程设计人员,而配筋不合理又是产生裂缝影响结构正常工作的一个主要原因.在采用允许应力法进行钢筋混凝土板设计时,配筋问题实际上可归结为给定外力条件下的应力计算问题,为解决这个问题提出了一种通用算法.研究结论:该算法的要点是在2个主弯矩方向上分别建立平衡方程,并采用迭代法求解非线性方程组,计算钢筋和混凝土应力.大量计算实例证明了该算法的迭代过程收敛快,结果准确,并能很好的模拟板在受力中的一些特殊行为.该计算方法在实际设计中,可计算出各荷载工况作用下所需主筋和辅筋的理论面积,进而得到钢筋面积包络图用于实际配筋.     

装配式宽幅连续T梁剪力滞效应研究

为研究装配式宽幅连续T梁剪力滞效应的突出位置和普通钢筋、预应力钢束对剪力滞效应的影响,建立实体有限元模型,通过改变普通钢筋直径、预应力钢束横向布置位置和股数进行分析。得出剪力滞效应在支点顶部较为突出;通过理论推导及模型数据发现在不同配筋方式中剪力滞效应的应力最大值与最小值之差基本不变,剪力滞效应不受配筋的影响。虽然配预应力钢束无法抵消剪力滞,但是可以使支点受力在安全范围内。本文中,应力最大值与最小值之差值约为0.6 MPa,为避免支点顶部出现拉应力使混凝土开裂,建议在设计中预应力需要预留大于0.6 MPa的安全储备。     

差异沉降对运营高速铁路无砟轨道结构安全影响分析

采用有限元计算模型,模拟计算高速铁路无砟轨道受差异沉降变形的影响程度。差异沉降通过底座板与桥梁间的摩擦和固定支座处的固结机构对纵连轨道结构产生附加轴向拉、压力,同时对剪力齿槽固结机构产生附加力,通过分析底座板配筋和剪力齿槽固结机构受力来评估无砟轨道结构的安全性。     

三维钢筋建模统计及自动出样方法研究

应用BIM技术对预应力混凝土桥梁结构配筋进行精细化设计能有效提高设计质量。针对目前交通行业尚未有成熟的桥梁三维配筋系统可供使用,作为BIM技术的载体的三维钢筋模型需设计人员手工绘制,存在效率低且人工干预过多的问题,从快速建立钢筋三维模型、数量统计及自动出钢筋大样三个方面研究和提出了相关解决方法,并基于三维CAD系统Microstation进行二次开发编制工具应用于工程实践,减少了人机交互操作,提高了设计人员建模和出图效率,也为BIM技术在桥梁工程中的进一步应用提供了基础模型。