公铁同层大挑臂钢箱梁正交异性桥面板疲劳特性研究

为深化认识大挑臂钢箱梁正交异性钢桥面板的疲劳问题，以世界首座公铁同层大挑臂钢箱梁斜拉桥——金海大桥为背景，采用ANSYS软件建立钢箱梁节段精细化有限元模型，分析了多种工况下箱梁在有挑臂和无挑臂处顶板、U肋及横隔板关键疲劳细节的应力状态、应力影响面等，并对比分析了箱梁疲劳特性在横桥向的差异。结果表明，大挑臂钢箱梁的顶板-U肋细节应力影响面长宽约为2个U肋和2道横隔板，与普通闭口钢箱梁无异，而横隔板-U肋细节应力影响面长宽约为7个U肋和3道横隔板，远超普通闭口钢箱梁同类细节应力影响范围；箱梁在不同区域的部分同类疲劳细节受力状态存在明显差异，沿纵桥向，分别在有挑臂和无挑臂处的横隔板开孔底边细节应力差距高达85.4%;沿横桥向，靠近箱梁中心线的内侧车道为最不利加载车道，该车道内横隔板侧边开孔细节最不利应力幅可高出其他车道57%;箱梁各疲劳细节对轮载横向分布位置十分敏感，其沿横桥向疲劳特性差异主要由横梁整体弯剪变形引起，同时，邻车道疲劳荷载对横隔板侧边开孔细节应力幅影响超过38%。因此，多车效应不宜忽略，根据重车车流量统计推算，本桥多车效应系数建议取值1.05。     

考虑翼板局部弯曲及剪力滞效应的波形钢腹板组合箱梁挠度分析

在位移场中引入挠度1阶导数考虑翼板局部弯曲，添加剪力滞强度函数和截面转角计入翼板剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形，基于能量变分原理获得波形钢腹板组合箱梁的控制微分方程，进而推导包括挠度在内的综合考虑翼板局部弯曲、剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的位移变量解析解，并分析翼板局部弯曲和剪力滞效应对不同高跨比、腹板高度占比、宽跨比、板宽比组合箱梁挠度的影响。结果表明：该解析解能较精确地计算组合箱梁的挠度；忽略翼板局部弯曲和剪力滞效应将导致组合箱梁的挠度计算结果误差过大；对于波形钢腹板组合箱形连续梁，不考虑翼板局部弯曲和剪力滞效应，跨中挠度将分别被高估13.0%和低估7.0%；剪力滞效应对翼板与波形钢腹板间的剪力分配几乎无影响，翼板局部弯曲会显著降低波形钢腹板剪力承担比，大大减小梁体挠度；剪力滞对挠度的放大效应随宽跨比的增大而增大，而翼板局部弯曲对挠度的减小作用随着高跨比和宽跨比的增大及波形钢腹板高度占比的减小而显著提高；翼板局部弯曲和剪力滞效应对连续梁挠度的影响比简支梁更大。     

大跨度铁路钢箱梁斜拉桥正交异性桥面疲劳试验研究

正交异性桥面钢箱梁具有良好的整体性能与抗风性能,在大跨度公路斜拉桥及悬索桥中应用广泛,但在大跨度铁路斜拉桥上应用极少。以国内首座大跨度铁路钢箱梁斜拉桥为背景,建立全桥杆系及局部箱梁有限元模型系统分析铁路正交异性桥面疲劳受力特性,基于应力等效原则优化设计出2U肋+2V肋的足尺疲劳试验模型,并实施560万次的疲劳加载试验。结果表明:钢箱梁正交异性桥面在列车荷载下以第二三体系受力为主,承受高周低幅疲劳作用;模型实测应力值同理论值相符良好,大部分测点在560万次疲劳试验中保持弹性受力状态,结构总体疲劳性能良好;U肋与横隔板连接处附近母材在150万次疲劳后发生开裂;V肋总体应力低于U肋,其疲劳性能优于U肋。     

斜拉桥波形钢腹板箱梁的力学特性研究

研究了斜拉桥中波形钢腹板箱梁在成桥状态下的力学特性。以新密市溱水路波形钢腹板箱梁斜拉桥为工程实例,通过有限元计算与分析得到主梁的竖向位移、波形钢腹板的剪应力、混凝土板的正应力和竖向挠度、主梁的纵向正应变、混凝土板的应力传递等各项力学规律。结果表明,波形钢腹板的竖向剪应力沿梁高方向近似均匀分布;波形钢腹板的竖向变形在整个主梁的竖向变形中起主要作用;波形钢腹板的纵向正应变小于混凝土板;按波形钢腹板承担全部剪力的传统理论进行结构设计偏于保守。     

腹板对单索面宽幅混凝土斜拉桥抗扭性能的影响

为了分析单索面宽幅混凝土斜拉桥在扭转荷载作用下的力学响应,依托江门市潮荷西江宽箱梁混凝土斜拉桥,应用ANSYS分别建立基于单箱单室、单箱三室和单箱五室宽箱梁主梁的全桥有限元模型,对比分析宽箱梁斜拉桥在成桥状态扭转荷载作用下不同截面的扭转畸变角和竖向位移。研究结果表明:多室宽箱梁截面整体的抗扭刚度较大,增加箱室会增加截面的抗弯刚度和抗扭刚度,从而减小截面各点的位移和扭转畸变;增加腹板的数量可以增强截面的联系,有效限制局部扭转变形。     

钢-预应力混凝土连续组合箱形梁的整体性能分析

视多室箱梁单元宽度为空腹桁架，取杵架的每根杆作为一平面梁单元，用三次插值函数描述其位移，单元节点位移参数用三次多项式表示为箱梁梁段单元节点位移参数的函数，这样箱梁梁段单元可分为翼板（顶底板），腹板（斜腹板），伸臂和横隔板单元。在进行有限元分析时将其直接迭加至总体刚度矩阵，编制相应的程序后可任意分析单箱多室，多箱多室及不规整的多种材料组成的组合箱梁，同时能分析箱梁的畸变，翘曲，局部变形，剪力滞后和荷载横向分布等。用本文编制的程序进行了一座复杂的钢－预应力混凝土连续组合箱梁桥计算，其计算结果与试验结果吻合良好。     

采用PC箱梁与钢桁组合加劲梁的三塔斜拉桥方案构思与分析研究

分析混凝土及钢梁用于大跨度铁路斜拉桥中的不足之处。探讨预应力混凝土箱梁与钢桁架组合式加劲梁用于高速铁路斜拉桥时的刚度与受力。通过对有无钢桁架进行计算比较,分析研究加劲梁的钢桁架对改善结构受力,提高跨越能力及提高斜拉桥刚度的效果与作用,得出与无钢桁架PC箱梁相比,有钢桁架PC箱梁斜拉桥的活载挠度与跨径之比从1/381降低到1/690,可使主塔及PC箱梁受力明显改善,使中跨PC箱梁的应力幅从32 4MPa降低到10 6MPa。认为PC箱梁与钢桁架组合式加劲梁能有效地提高斜拉桥的刚度,并能满足大跨度三塔斜拉桥的受力需要,是大跨度铁路斜拉桥的合理结构形式。     

单箱多室波形钢腹板组合箱梁动力特性研究

研究目的:为分析单箱多室波形钢腹板组合箱梁的动力性能与混凝土箱梁的差异,本文设计并制作两片跨径为5.2 m的试验梁,利用有限元软件ANSYS建立其三维实体模型,通过模态试验与有限元分析相结合的方法对试验梁进行研究,并就横隔板的设置对单箱多室波形钢腹板组合箱梁与混凝土箱梁扭转振动频率的影响进行分析。研究结论:(1)模态试验的结果与有限元分析结果基本吻合,说明实测结果是正确的,同时也验证了有限元模拟方法是合理的;(2)单箱多室波形钢腹板组合箱梁的基频略大于相应规模的混凝土箱梁,而高阶竖向弯曲振动频率均小于混凝土箱梁;(3)单箱多室波形钢腹板组合箱梁扭转振动频率对梁间设置横隔板的影响与混凝土箱梁相比较敏感;(4)横隔板的位置对单箱多室波形钢腹板组合箱梁扭转振动频率的影响较大;(5)该研究成果对单箱多室波形钢腹板组合箱梁的动力学分析具有一定的参考价值。     

波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的挠度分析

研究目的:为精确分析波形钢腹板钢底板混凝土组合梁在长期荷载作用下的挠度变化,在纳入组合梁剪切变形效应、剪力滞效应及收缩徐变效应对挠度计算影响的基础上,采用能量变分法推导出波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的控制微分方程与自然边界条件,得到波形钢腹板钢底板混凝土组合简支单箱双室箱梁分别在跨中集中荷载和满跨均布荷载作用下的挠度计算公式;利用所得公式计算荷载作用7d、1 000d和3650 d时的挠度值,与ANSYS数值解以及不考虑收缩徐变效应的计算值进行对比,并通过了模型试验结果的验证。研究结论:(1)本文挠度计算值与ANSYS数值解及模型试验结果吻合良好;(2)波形钢腹板钢底板混凝土组合简支箱梁在跨中集中荷载和满跨均布荷载作用1000 d后,跨中挠度分别增大了9.12%和12.94%;(3)在3650 d后,跨中挠度分别增大了14.69%和18.32%,显然收缩徐变效应对组合箱梁挠度计算的影响不可忽略;(4)本文研究可为同类波形钢腹板钢底板混凝土组合梁的挠度计算提供参考。     

考虑徐变的钢-混凝土组合箱梁的变形计算

我国《钢结构设计规范》(GB50017-201X)送审稿初稿中采用调整钢材与混凝土弹性模量比αE考虑混凝土徐变的影响,一般取钢与混凝土的长期弹性模量之比为2αE,但混凝土的徐变和混凝土强度、计算时刻等因素有关,因此该方法并不能准确反映组合梁在长期荷载作用下的变形。考虑影响混凝土徐变的相关因素,对钢-混凝土组合箱梁的长期变形计算进行理论推导,建立钢-混凝土组合箱梁的长期挠度计算公式,采用ANSYS模拟长期荷载作用下组合梁的变形,并通过实际值和模拟值的比较证明本文建模的可行性,然后利用ANSYS模拟长期荷载荷载作用下组合箱梁的变形,将计算值和模拟值进行比较,研究结果表明:采用建议公式计算组合箱梁在任意时刻下的挠度变形可行,且计算方便。     

铁路钢箱梁正交异性桥面加劲肋疲劳性能研究

甬江特大桥是国内首座铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥。目前国内外大部分疲劳模型试验研究都仅针对单一纵肋形式下正交异性钢桥面板的疲劳特性,不同纵肋形式下的对比研究较少。因此,结合弗拉索夫薄壁杆件理论,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式各疲劳影响因素的影响程度及作用机理,并同有限元模拟及2U+2V模型测试结果进行对比分析。研究表明:解析公式结果同有限元模拟以及试验测试结果一致,其中V型加劲肋疲劳敏感部位疲劳应力小于U型加劲肋,模型试验中U型加劲肋疲劳敏感部位出现裂纹,因此,在铁路列车荷载作用下,V型加劲肋疲劳敏感部位比U型加劲肋具有更好的抗疲劳性能。     

高速铁路斜拉桥钢-混组合箱梁受力及变形性能试验研究

为研究设计速度350 km/h高速铁路斜拉桥钢-混组合箱梁的受力特性与桥面变形性能,采用Ansys软件建立赣江特大桥3个梁段的有限元模型,分析其应力分布特性;以应力等效的原则优化设计出相似比为1:3的全截面静载试验模型并开展受力传力及桥面变形特性研究.结果表明:钢-混组合箱梁在轴力及弯矩最不利荷载组合工况下,混凝土桥面...     

变截面波形钢腹板连续组合箱梁破坏试验研究

研究目的:波形钢腹板组合箱梁在受力特点上因具有显著优势,近年来得以迅速发展并在铁路上已经得到应用。本文依托波形钢腹板连续组合箱梁的模型试验,对波形钢腹板连续组合箱梁全过程试验下的弯剪受力性能和破坏机理进行深入研究,从而明确波形钢腹板连续组合箱梁的破坏机制和失效过程。研究结论:(1)波形钢腹板连续组合箱梁正截面弯曲破坏过程可分为弹性加载阶段、中跨跨中截面开裂阶段、中支座截面开裂阶段和中跨跨中截面钢筋屈服阶段四个阶段;(2)波形钢腹板连续组合箱梁剪力主要由波形钢腹板承担,梁体截面开裂和破坏对梁体的抗剪承载力影响较小;(3)试验梁体外预应力增量与中跨跨中截面挠度基本呈线性相关;(4)本研究成果可为波形钢腹板连续组合箱梁的工程运用提供技术参考。     

单箱多室变宽度道岔连续梁桥空间力学性能分析

为了明确不同荷载条件下单箱多室变宽度道岔连续箱梁桥的应力分布及剪力滞效应,首先采用数值方法,利用ANSYS建立考虑预应力以及各种荷载工况加载方式的三维实体单元模型,分析箱梁在不同荷载效应下应力分布和变形趋势;然后,选择箱梁顶底板不同部位16个应变测点,采用多通道数据采集仪分别同步实测满堂支架现浇、预应力张拉及成桥落架等施工阶段时箱梁应力,并与数值分析数据进行对比验证;在此基础上,利用数值模型对该单箱五室预应力混凝土道岔梁在列车活载作用下的横向和纵向剪力滞效应进行分析。研究表明,三维实体数值模型可得到不同荷载工况作用下单箱多室箱梁应力分布的精细结果,数值分析结果和应力实测数据都显示箱梁顶底板应力分布不均匀,有明显的剪力滞效应,且顶板剪力滞效应更显著;数值分析还显示,车辆布载方式影响剪力滞效应,剪力滞效应沿着纵桥向变化,剪力滞系数最大达1.074。研究结果表明,单箱多室箱梁设计中应充分考虑箱梁剪力滞效应影响,以确保桥梁结构设计安全。     

大跨度复杂结构桥梁施工全过程结构空间受力特性研究

研究目的:通过建立施工全过程时效和路效分析的三维非线性模型,对大跨度V形连续刚构拱组合结构桥的施工全过程空间受力特性进行研究,解决以往的桥梁设计和施工监控采用的计算方法不能有效分析混凝土箱梁的剪力滞、扭转和畸变等引起的截面应力分布不均匀问题。研究结论:分析了大跨度V形连续刚构拱组合结构桥施工全过程主梁截面顶板纵向正应力、横向压应力、腹板剪应力等截面空间应力分布和变化规律,其表现在:主梁截面顶板纵向正应力沿横向分布呈显著的不均匀性,剪力滞效应明显,与初等梁理论的预测值相异;主梁横向压应力普遍不大,且顶板应力分布不均匀程度大于底板;单箱双室截面梁三腹板剪应力分布连续变化,且中腹板的剪应力略大于边腹板剪应力,整体具有较好的规律性;施工全过程主梁纵向正应力包络线体现了最大拉应力和最大压应力的施工工况,为施工控制提供了理论基础。     

常幅疲劳荷载作用下连续组合箱梁的刚度与变形分析

首先利用折减刚度法计算连续组合箱梁在静力作用下跨中截面的挠度,然后用简化后的函数描述在两跨连续组合梁中一个梁跨的内剪跨段滑移与滑移应变的分布规律。在此基础上,将已有的界面残余滑移计算方法引入到简化后的函数中,并结合界面滑移分布规律,得到连续组合箱梁在常幅疲劳荷载作用下的变形计算方法。     

单箱双室箱梁有效翼缘宽度的取值研究

为了确定单箱双室箱梁有效翼缘宽度的取值,分别按照中国现有规范中对单箱单室箱梁以及美国AASHTO规范中对单箱多室箱梁有效翼缘宽度取值的规定,对箱梁的刚度进行折减并建立梁格模型。为了对比刚度折减精度,采用有机玻璃模型进行实测研究,建立基于实体单元的有限元数值模型。通过对比不同模型在集中荷载作用下的竖向变形和纵向应力可知,按中国规范刚度折减后的挠度值与试验值相对误差为-4.4%,按美国规范则为4.8%,按中国规范刚度折减后的梁格峰值应力与实体单元数值模拟值的相对误差为-25.0%,计算结果偏小;按美国规范则为-7.2%,在10%以内。当计算单箱双室箱梁的应力时,建议按美国AASHTO规范进行刚度折减。     

新型波形钢腹板组合箱梁畸变效应

为研究新型波形钢腹板（CSW）组合箱梁的畸变效应,以板梁框架法和位移法为基础,建立单箱多室新型CSW组合箱梁的畸变控制微分方程和边界条件,得到畸变正应力解析解,并采用有限元法检验推导结果的正确性。应用推导结果对比分析新型CSW组合箱梁与传统CSW组合箱梁的畸变性能,以及截面高度、箱室宽度和钢底板厚度对新型CSW组合箱梁畸变效应的影响。结果表明：解析解计算得到的畸变正应力与有限元模型计算的结果吻合较好,畸变角的变化规律与有限元模型计算结果一致;与传统CSW组合箱梁相比,新型CSW组合箱梁的畸变翘曲刚度减小了38.89%,畸变框架刚度减小了71.84%,抗畸变能力减弱;随着截面高度和箱室宽度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角和跨中畸变双力矩均逐渐增大,且箱室宽度的影响更为明显;随着钢底板厚度增加,新型CSW组合箱梁跨中畸变角逐渐减小,跨中畸变双力矩逐渐增大。     

高速铁路连续刚构加拱组合结构设计及创新技术——以西延高铁王家河特大桥主桥为例

以西延高铁王家河特大桥为工程背景，首先，对3种混凝土连续刚构组合结构(连续刚构加拱、连续刚构加桁、连续刚构部分斜拉桥)从受力性能、无砟轨道适应性、经济性等方面进行比选，确定连续刚构加拱组合结构为最优方案；其次，阐述连续刚构加拱组合结构设计细节，通过有限元软件对结构的静、动力学性能、抗震性能、车-桥耦合计算分析；再次，对墩、梁、拱结合部位受力情况进行模拟检算，对梁、拱合理刚度分配规律进行总结。主要结论及创新点：(1)桥梁的强度、刚度指标满足规范要求，抗震性能良好、乘车舒适性优良；(2)梁拱结合部位混凝土处于均匀受压状态，局部受力安全可靠；(3)混凝土连续刚构加拱组合结构中拱肋承担活载的比例约占45%,活载有效转化为拱肋的压力和弯矩；(4)提出的高位拱肋单侧竖转施工方法可为类似工程提供参考借鉴。     

变截面波形钢腹板组合箱梁腹板剪应力实用计算方法研究

为了计算变截面波形钢腹板组合箱梁腹板中的剪应力及其承剪比,考虑变截面效应,通过弹性微元段的受力平衡方程,计入弯矩和轴力引起的附加剪应力,导出变截面波形钢腹板组合箱梁的腹板剪应力计算公式;依据节段施工的波形钢腹板组合箱梁桥结构的建造特点,考虑节段内梁底线形为线性变化,将公式中各参数的微分运算转化为简单的代数运算,给出实用求解方法;最后通过算例对所推导公式的计算结果与等截面计算公式和有限元数值结果进行对比。研究结果表明:变截面梁的梁高和底板厚度的变化对剪应力有较大影响,波形钢腹板剪应力计算应当考虑变截面效应影响,波形钢腹板剪应力实用计算方法能方便工程应用。