高铁钢桁拱的桥面疲劳细节与受力特性研究

研究目的:为研究高速铁路大跨连续钢桁梁柔性拱桥正交异性钢桥面板疲劳细节的局部受力,本文以银西高铁银川机场黄河特大桥为背景,建立横梁弧形切口以及U肋与顶板连接焊缝两处疲劳细节的精细化有限元模型,分析列车移动荷载作用下疲劳细节处的应力分布,并对比分析不同弧形切口形状和横梁腹板厚度对疲劳细节局部应力的影响规律。研究结论:(1)正交异性钢桥面的U肋-横梁位置的弧形切口处在移动活载下容易出现应力集中,且弧形切口起始处与弧形切口自由边所对应的最不利活载位置不同,在轨枕横向两侧端部下方的横梁弧形切口起始处以及弧形切口自由边容易出现最大主应力;(2)横梁板厚对弧形切口自由边的主压应力影响最大,且随板厚增大该处主压应力减小,对本工程当板厚由16 mm增加至20 mm时,主压应力减小幅度超过20%;(3)不同弧形切口形状对疲劳细节的局部应力也有较大影响,与原设计切口形状相比,日本设计规范所推荐切口形状的主应力极值最小;(4)为提高正交异性钢桥面板的疲劳特性,对U肋-横梁疲劳细节进行局部构造优化是必要的,研究成果对同类型结构的优化设计具有理论指导意义。     

横梁腹板切口形状对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

在正交异性钢桥面板中,横梁腹板与纵肋连接部位及横梁腹板切口边缘处较容易发生疲劳开裂,为了弄清横梁腹板切口形状对这两个构造细节疲劳性能的影响规律,采用有限单元法,通过在3种作用下采用不同切口形状的正交异性板各考察点主拉应力或面外应力比率的对比研究,得出以下结论:(1)在剪切作用下,切口形状对纵肋与横梁连接部位的应力影响不大,切口边缘半径对横梁切口边缘拉应力影响很大;(2)在支撑作用下,切口尺寸越大,纵肋与横梁连接部位的应力越大;(3)在面外作用下,切口尺寸越大,横梁对纵肋的面外转动变形约束越小,面外应力比率越小。     

单箱双室波形钢腹板连续刚构桥横隔板间距研究

为有效控制单箱双室波形钢腹板连续刚构桥的畸变和翘曲效应,通过建立空间有限元模型,研究横隔板间距和数量对偏心荷载作用下箱梁翘曲和畸变纵向正应力的影响规律,并对比分析单箱双室和单箱单室箱形结构在不同横隔板间距下畸变和翘曲纵向正应力的变化规律。计算结果表明:布置横隔板可以有效减少翘曲和畸变纵向正应力;与单箱双室截面相比,单箱单室截面翘曲正应力更大,设计时应减小横隔板间距。计算了不同高跨比和高宽比连续刚构桥的合理横隔板间距,并拟合出其经验公式。将该公式得到的横隔板间距与实际桥梁和现有经验公式得到的横隔板间距进行比较,验证了其精确性。     

正交异性板桥面体系计算支承长度匹配问题研究

针对虎门大桥正交异性钢桥面板,探讨不同边界条件和加载方式下,有限元法和P E法的差异。采用全梁段板壳单元模型,进行8种工况的分析计算。结果表明:支承长度的变化,将导致桥面体系和顶板体系的计算结果有明显差异,并且支承长度和荷载的变化对跨中正应力的影响小于支点位置,因此全梁段模型的计算支承长度需与全桥体系计算中采用的梁单元长度匹配。将跨中和横梁位置桥面板和U形加劲肋的正应力计算结果与P E法进行比较后,发现前一方法更能体现这种结构的整体受力和变形性能,更全面反映不同部位在不同荷载和不同边界条件下的性能差异。通过与实测值的比较,说明本文建立的全梁段板壳单元模型可以反映正交异性桥面板的桥面体系和顶板体系的综合受力性能。     

天兴州桥正交异性板焊接部位疲劳性能研究

武汉天兴洲桥是特大型公铁两用斜拉桥，其公路桥面采用了正交异性板的构造形成。运用有限元分析软件ANSYS和焊接疲劳试验方法，对正交异性板关键焊接部位（槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处）的疲劳性能进行研究。采用ANSYS建立模型，用公路荷载标准进行桥面板应力分析，确定最不利荷载位置，进而计算得到正交异性板槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处的最大应力幅分别为28．6和39．66MPa。疲劳试验结果表明，焊缝的焊趾是薄弱环节。由疲劳试验得出的槽型闭口肋嵌补段对接焊缝及闭口肋与横梁或横隔板连接焊缝的疲劳容许应力幅分别为89．31和49．14MPa，大于有限元计算得到的最大应力幅，说明正交异性板关键部位的疲劳性能符合要求。     

高速铁路正交异性板钢桁梁整体计算模式及方法研究

随着我国高速铁路的快速发展,正交异性板钢桁梁桥得到了广泛的应用,国内外的学者也对正交异性板钢桥作过一些试验和计算分析研究,但是没有形成一套可供系统应用的计算模式及方法。结合实际工程经验,总结正交异性板钢桥面系类型及其适用范围,分析正交异性板三体系受力机理,归纳整理了4种正交异性板计算方法并分析各自优缺点,给出桥面系杆件上翼缘板有效宽度计算公式、桥面系纵向参与系数计算方法,以及在平面模型中下弦杆弯矩的计算方法。通过对正交异性整体钢桥面结构形式、受力特性和整体设计计算方法等进行较为系统的分析研究,总结出一套完善的正交异性板钢桁梁设计方法,并成功应用于多座钢桥的设计中,该方法可为类似桥梁的设计提供理论参考。     

大跨度板桁加劲梁桥简化建模方法研究

大跨度板桁加劲梁桥的抗风研究需建立全桥模型分析桥梁的动力特性,针对全桥精细化有限元模型单元数多,计算费时等特点,基于桁架和正交异性板的连续化等效板厚公式,将板桁加劲梁的正交异性板简化为桁架,使其成为空间桁架结构。为了保证空间桁架的力学性能与板桁加劲梁等效,分别确定桁架各杆件的截面特性,形成新的简化建模方法。最后以主跨跨径为1 386 m的某板桁加劲梁悬索桥为例,分别建立精细化模型和简化模型,通过分析动力特性对简化建模方法进行验证。结果表明:精细化模型与简化模型的自振频率吻合良好,简化建模方法能满足动力特性的分析要求。     

钢-混凝土组合梁翼缘板有效宽度分析

钢—混凝土组合梁桥的混凝土翼缘板中存在剪力滞后现象,因此在组合梁的设计计算中引入了有效宽度的概念。现行有效宽度计算公式的理论推导主要是基于平面应力分布,所反映的只是混凝土板中间层纤维的剪力滞后现象,忽略了纵向压应力沿混凝土板厚度方向的变化。文章提出一种考虑纵向压应力沿混凝土板厚度方向变化的计算有效宽度的方法,此方法可与有限元等结构分析方法结合运用。建立了一种组合梁桥的三维有限元分析模型,并提供了一个组合梁有效宽度的算例,其结果与实验结果吻合良好;与规范相比,本文计算的有效宽度值大幅度增加。     

纵梁(肋)高度对正交异性板钢桥面系受力影响分析

正交异性板各个构件的选用关系着钢桥面系的安全性及经济性,通过有限元分析软件,建立桥面系板单元模型,对正交异性板多横梁体系纵梁、纵肋高度变化时桥面系各部分受力分析,总结纵梁(肋)高度变化对桥面板、横梁以及横梁与纵梁(肋)相交处挖孔部位受力的影响趋势,得出结论:增加纵梁高度,纵梁自身正应力逐渐增大,U肋正应力逐渐减小;横梁U肋挖孔处主拉应力增大,横肋相应处主拉应力减小,但减小或增大的幅度较小。改变T形纵梁高度,对横梁整体受力及桥面板影响甚小,可忽略不计,T形纵梁的合理取值范围为横梁高度的0.35~0.4倍;U肋高度过大或者过小,桥面板应力的均匀性均不好,且主拉应力均较大。增大U肋高度,纵梁正应力逐渐减小,U肋自身应力并未成线性变化趋势,而是呈"锯齿"形变化趋势。改变U肋高度对桥面板应力影响均较小,可忽略不计,U肋的合理高度取值范围为240~280 mm。     

斜交薄壁连续钢箱梁桥设计与受力特性研究

以江苏省丹阳路齐梁路某(30+2×35)m跨线斜交钢箱梁为工程背景,通过比对斜交钢箱梁横隔板布置方式以及支座处隔板布置方式,提出斜交连续梁横向隔板的正交布置方式,得出中间墩支承处采用斜向双隔板布置更有利于结构受力与制造的结论。对箱梁的线型控制、截面总体布置、隔板、纵肋型式、纵肋布置方式和板厚等其他细节进行详细设计。分别建立单梁、空间梁格和板单元有限元模型对桥梁进行受力分析。对3种数值模拟方法计算得出的支座反力、挠度和应力等结果进行分析对比。研究结果表明:单梁法计算结果偏于不安全且无法进行横向计算,梁格法和板单元法均能够对模型进行横向计算,但梁格法计算偏安全,而板单元计算更加细致精确。同时,在同种工况下,斜交钢箱梁钝角区应力值大于锐角区应力值。采用板单元对轮压荷载进行局部分析,表明轮压荷载作用下应力、变形较小。验证了箱梁设计方案的安全合理。     

基于缺口应力的波形钢腹板结构疲劳分析研究

基于现行规范对波形钢腹板结构的疲劳问题没有明确的规定,为了研究这种结构的疲劳设计及评估方法,对试验模型梁进行等幅疲劳荷载试验,得到波形钢腹板梁典型疲劳细节和基础疲劳数据.应用有限元软件建模,采用子模型法计算细节处缺口应力,并采用缺口应力法对试验梁的疲劳性能进行评估.研究结果表明:缺口应力法评估波形钢腹板疲劳性能是可行的...     

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。     

铁路密布横梁体系整体钢桥面静力行为的试验研究

铁路密布横梁体系整体钢桥面由于没有纵梁,其受力行为与一般纵横梁体系正交异性板结构存在差异。本文结合厦深铁路榕江特大桥主桥,对铁路密布横梁体系正交异性整体钢桥面进行静载试验和有限元分析。得出结论如下:第一体系轴力主要由下弦杆承担,越靠近模型中部下弦杆承担比例越小;第二、第三体系中,横梁(肋)与面板组成的截面沿横向越靠近中部其承受的弯矩越大,横梁(肋)承受的弯矩增长更快,且承担比例先增大后减小,在荷载作用点处达到最大,面板反之,在荷载作用点分担弯矩比例最小。将有限元模型计算结果与试验实测结果对比分析,两者吻合较好,印证了理论计算的正确性和实测结果的可靠性。     

大跨度斜拉桥索梁锚固区三维有限元仿真分析

采用不同建模方法,对大跨度斜拉桥索梁锚固结构—钢锚箱进行三维非线性有限元仿真分析,并将计算结果与钢锚箱静载模型试验结果相比较。结果表明,实体单元加接触单元法计算模型,即用实体单元模拟钢锚箱底部的锚垫板、用空间高阶壳单元模拟锚箱中其他钢构件及主梁、用非线性接触单元模拟锚垫板与承压板间不焊接但紧密压贴的关系,能够较真实、合理地反映钢锚箱的实际受力情况。钢锚箱虽然板件较多,但整体性能好,索力传递流畅,锚箱锚固顶、底板上2条焊缝传递索力,承压板与主梁焊缝主要传递抗弯作用力,因此要保证各板件接触、焊接良好,不能产生大的残余应力和残余变形。随着荷载的增长,钢锚箱高应力区应力增长速度减缓,部分低应力区应力增长加快,这对受载有利。仿真计算时,要注意壳单元角点局部位置可能出现应力计算失真。     

钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力响应特征分析

为研究车辆通行下正交异性钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力特征,建立带纵隔板的正交异性钢桥面板有限元分析模型,计算并对比轮载沿不同横桥向位置在纵桥向移动工况,面板-纵隔板构造细节及横桥向两侧疲劳敏感构造细节的应力响应。研究结果表明:纵肋-面板和纵隔板-面板构造细节均可分辨轴组中的单轴,因此,在疲劳荷载模型三规定的车辆通行下,每个构造细节将产生4个应力循环;应力峰值均发生在顺桥向两联轴的其中一个轮轴作用应力监测位置的正上方;当横桥向轮载中心位于纵隔板正上方时,纵肋-面板构造细节将在面板侧产生比其他横桥向轮载工况下更大的应力响应和应力幅;当桥面轮载从纵隔板一侧移动到另外一侧,或货车变道,或货车蛇行,均将导致纵隔板-面板构造细节的纵隔板侧产生较大的拉压应力幅。在设计带纵隔板的正交异性钢桥面板时,纵隔板不应布置在车道轮迹线正下方或紧靠车道轮迹线,而应远离车道轮迹线布置。且桥梁管理单位宜在桥面设置明显的标识,禁止桥面货车变道。     

高速铁路钢桥的低温脆性断裂评估

基于断裂力学理论,提出采用损伤容限法的高速铁路钢桥低温脆性断裂评估方法。采用Euoro-code3确定正交异性板钢桥面的有效宽度和等效疲劳应力幅,应用断裂力学的Paris公式计算疲劳裂纹扩展速率,按照同时考虑脆性断裂和塑性屈服断裂影响的R6破坏模式确定设计应力强度因子,根据裂纹的长度、冲击功和转变温度确定含裂纹钢板在不同温度下的断裂韧性,并考虑板厚对冲击功的影响,桥梁结构中焊接残余应力、列车速度、钢板弯曲成型等因素对钢桥低温脆性断裂的影响。该方法适用于无试验条件确定含裂纹钢板低温断裂韧性情况下的低温脆性断裂评估,也可用于钢桥的疲劳强度降低程度、使用寿命内检查次数和焊缝修补次数的确定。应用此方法对欧洲某高铁钢桥的钢横梁下翼缘进行-40℃条件下的低温脆性断裂评估结果表明,当列车速度大于150km.h-1且钢横梁、钢吊杆等局部构件活载应力在70MPa以上时,等效降温已经达到-5℃以上,此时必须考虑列车速度对其脆性断裂的影响,而对应变速率小于0.002 5s-1的构件可以不考虑列车速度对脆性断裂的影响。     

某大跨度钢桥纵向约束体系锚固结构设计与优化

大跨度钢桥常采用弹性索体系作为大桥的纵向约束,其锚固结构的局部应力较大、传力路径复杂,设计中需要针对其进行专门的计算分析,以保证锚固结构的可靠性。对某大跨度异型拱桥的弹性索锚固结构建立有限元模型,计算分析了钢锚箱结构在最大索力作用下各板件的应力分布。计算结果表明,钢锚箱在最大索力作用下各板件的各项应力值均满足规范要求,结构处于弹性工作状态。同时,针对钢锚箱各板件的布置情况进行优化计算分析,得到合理的锚箱加劲板布置形式。     

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。     

体外索加固连续刚构桥梁极限应力增量计算方法研究

针对现有体外索极限应力增量规范公式在连续刚构桥梁加固计算时存在的局限性,本文建立等截面与变截面连续刚构桥梁的有限元模型,利用模型计算结果分析规范不合理部分的原因并提出相应修正方法。通过对比规范公式修正前后与有限元模型的计算结果,发现本文提出的修正方法能较准确地计算体外索加固连续刚构桥梁的极限应力增量。     

西堠门大桥正交异性钢桥面板静载和徐行试验研究

基于西堠门大桥正交异性钢桥面板静载和徐行试验,研究在汽车轮载作用下正交异性钢桥面板关键构造的应力大小、历程和分布规律。试验结果表明,在3轴30t试验车作用下,纵肋底板跨中测点的纵向应力最大,达51.7MPa,横隔板开口上缘测点的最大主应力次之,为30.8MPa,面板上测点的最大横向应力较小,为16.7MPa。面板横向应力、纵肋腹板竖向应力的纵向影响线长度约为2倍横隔板间距,横隔板开口上缘主应力的纵向影响线长度约为1.5倍横隔板间距,纵肋底板纵向应力的纵向影响线长度约为3倍横隔板间距。运用泄水法对徐行试验测得的应力历程进行分析,得到钢桥面板关键构造的应力振动幅值大于5MPa的次数分别为:纵肋底板跨中纵向应力3次,最大应力振动幅值为60.1MPa;面板横向应力3次,最大应力振动幅值为26.8MPa;纵肋腹板竖向应力4次,最大应力振动幅值为16.1MPa;横隔板开口上缘主应力2次。运用AN-SYS软件提供的SHELL181单元建立钢箱梁节段模型进行静力分析,计算结果与实测结果基本一致,表明SHELL181单元能够模拟钢桥面板的受力特征。