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。     

铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算

针对铁路正交异性钢桥面板中典型疲劳裂纹形式,建立计算模型。采用有限元数值方法模拟钢桥面板应力分布,确定各典型疲劳裂纹最不利位置;利用有限元子模型技术模拟各疲劳裂纹位置焊接细节,分析焊缝引起应力集中程度及对疲劳裂纹产生所造成影响;依据断裂力学揭示疲劳裂纹扩展速率与裂纹周围应力场关系,对几种典型疲劳裂纹进行疲劳寿命估算。结果表明:在桥面板与纵肋连接处,桥面板疲劳裂纹寿命较短,而纵肋疲劳裂纹寿命较长,这与国内外现场实测及试验结果相吻合;在横梁与纵肋连接处,其主应力较大且应力集中效应明显,极易产生疲劳裂纹。     

大悬臂桥面板钢脊骨梁结构模型剪力滞效应有限元分析

以长沙市洪山桥塔梁墩固结节段模型试验为基础,应用有限元方法分析大悬臂钢脊骨梁在轴力和弯矩作用下剪力滞效应, 并进一步研究了轴向力作用下,纵向加劲肋、横向加劲肋、横梁、挑梁变化对脊骨梁正应力的变化规律的影响,供设计时参考.     

大悬臂桥面板钢脊骨梁结构模型剪力滞效应有限元分析

以长沙市洪山桥塔梁墩固结节段模型试验为基础，应用有限元方法分析大悬臂钢脊骨梁在轴力和弯矩作用下剪力滞效应，并进一步研究了轴向力作用下，纵向加劲肋，横向加劲肋，横梁，挑梁变化对脊骨梁正应力的变化规律的影响，供设计时参考。     

U肋加劲板受压力学性能分析

为了探究U肋加劲的板件在压力作用下的受力性能与破坏机理,建立了受压混合钢U肋加劲板非线性有限元模型,分析了边界条件、初始几何缺陷和焊接残余应力对其受力性能的影响。结果表明:改变试件两端的转动约束条件会改变试件的破坏模式和受压稳定承载力;加载偏心方向对试件稳定承载力有较大的影响,当加载偏心弯矩效应与试件弯曲方向一致时,试件承载力随加载偏心的增大而减小,反之,试件承载力随加载偏心的增大而增大;在有限元模型中试件两端约束设置为自由转动,整体几何缺陷幅值取构件长度的1/1 000,局部几何缺陷幅值取子板宽的1/200,加载偏心矩取截面高度的0. 02倍,采用残余应力简化分布形式得到的承载力计算结果与混合钢U肋加劲板试验结果符合较好。该数值模拟方法可用于混合钢U肋加劲板的受力性能和抗压稳定承载力分析。     

考虑纵肋-横隔板焊缝模拟的正交异性钢桥面板疲劳性能研究

为研究纵肋-横隔板(rib-to-floorbeam,RF)焊缝模拟与否及焊缝模拟数量对正交异性钢桥面板各疲劳敏感细节应力响应的影响,分别建立无RF焊缝及不同数量RF焊缝的正交异性钢桥面板有限元模型,计算轮载作用下各构造细节的应力响应.为提高计算速度与精度,RF焊缝采用体单元模拟,桥面板其他构件采用壳单元模拟,通过约束方程实现体-壳耦合.研究结果表明:模拟RF焊缝时,RF横隔板侧和纵肋侧构造细节的应力幅分别增大66％和54％,其对应的计算疲劳寿命更接近实桥出现裂纹的时间;模拟RF焊缝对弧形切口和RD构造细节应力响应几乎无影响.模拟不同数量RF焊缝对各构造细节应力响应无明显差别;相比于不模拟焊缝的情况,模拟焊缝可以清楚地显示RF焊缝沿高度方向上的应力分布,纵肋和横隔板的连接部位应力过渡更加平滑.     

铁路混合梁斜拉桥设计创新与实践

研究目的:依托多工点桥梁,本文开展合理成桥状态、关键设计参数、钢混结合段构造、钝形钢箱梁气动选型等理论分析及试验研究,以解决铁路大跨度混合梁斜拉桥荷载重、疲劳活载大、动力性能及刚度要求高等诸多技术难题。研究结论:(1)建立的"塔偏梁拱"合理成桥状态,解决了铁路活载大、恒活比小引起的结构受力不均衡性难题;(2)推导的梁、塔、索关键设计参数解析公式,揭示了结构受力行为及影响规律;(3)采用的钢混结合段梯形填充混凝土连接构造技术,解决了铁路荷载作用下结合段刚度过渡平顺性技术难题;(4)提出的铁路正交异性钢桥面板的疲劳应力解析公式,揭示了疲劳影响因素及规律,首创的加厚加高型V肋改善了铁路钢桥面结构疲劳性能;(5)提出了钝形钢箱梁涡振扭转振幅限值标准;(6)本研究成果可为类似大跨度斜拉桥的设计提供参考。     

正交异性板U肋与桥面板焊缝连接的静力及疲劳试验研究

为了研究正交异性钢桥面板中闭口纵肋与桥面板连接处纵向焊缝的疲劳性能,分别以焊缝形式、对接间隙、焊接方式和加栽方式为变化参数,设计了14个U肋试件,进行了静力和疲劳加载试验,得到了各个试件在不同应力幅值下的疲劳循环次数,并通过统计回归分析,分别得到了U肋和桥面板处角焊缝连接和熔透焊缝连接的疲劳S-N曲线及其疲劳分级.试验...     

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。     

UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋-面板焊缝构造细节的疲劳研究

为研究UHPC组合桥面铺装下纵肋-面板构造细节的疲劳性能,开展随机车流作用下的佛陈扩建西桥疲劳试验。研究结果表明:纵肋-面板构造细节面板侧应力幅显著小于纵肋侧,说明UHPC桥面铺装显著增大了桥面刚度,减小了面板的局部应力响应,并显著减少了通行货车对面板的疲劳加载次数。纵肋-面板构造细节能清晰地分辨每个单轴,也即货车每个轴均能产生一个应力幅。在当前随机车流作用下,纵肋-面板构造细节的最大应力幅都小于其常幅疲劳极限,可知佛陈扩建西桥纵肋-面板构造细节具有无限疲劳寿命。     

高速铁路跨度132m钢桁梁正交异性板桥面系横肋开孔处应力分析

为了保证正交异性板的整体性,纵梁、纵肋通常连续通过横梁、横肋,横梁(肋)在相交处需相应开孔。横梁(肋)开孔处由于承受面内及面外的应力,使得该部分的应力非常复杂,是桥面系的薄弱环节,合理的构造处理及开孔形式能够改善该部分的应力集中,优化桥面设计,延长桥面系使用寿命。通过对桥面系板单元有限元分析,总结出该部分受力特点及影响因素,并对开孔方式的影响进行了定性分析。     

大跨度铁路钢桁梁斜拉桥带水平K撑桥面系传力特性

在列车制动力等纵向力及竖向荷载作用下的空间变形均会导致钢桁梁桥面系存在复杂的纵向受力和传力,针对大跨度铁路钢桁梁斜拉桥带水平K撑内密肋桥面系,基于解析公式推导、有限元仿真分析研究其受力特性和桥面构件的纵向传力比。在此基础上,基于应力等效准则制作1∶4的试验模型,进行最不利工况下加载试验,研究该桥面系的实际受力和传力特性。结果表明:纵向传力解析式显示,K撑与横梁的纵向传力比仅与结构参数相关,为0.69~2.76的定值,能传递40.83%~73.40%的总纵向力,K撑面积、横梁外伸长度是影响纵向传力比的主要参数;由全桥杆系有限元模型分析的内力结果计算的纵向传力占比介于61.09%~72.53%之间,由局部有限元模型分析的应力结果计算的纵向传力占比介于57.45%~86.60%之间,试验模型实测应力计算的纵向传力占比介于58.16%~87.95%之间,不同方法计算的纵向传力占比存在一定误差,其原因主要源于理论简化、计算模拟及测试误差,但均能反映纵向传力比的基本范围。可见,K撑构件能够有效传递纵向力,降低横梁面外弯矩,改善桥面系结构受力。     

基于Ansys Workbench的正交异性钢桥面疲劳性能分析

正交异性钢桥面在公路、铁路桥梁中的应用非常广泛,其疲劳问题一直是正交异性钢桥面研究热点。研究正交异性钢桥面的疲劳问题通常采用试验法进行,一般是一桥一试验。因涉及试验规模、试验成本、试验周期以及试验结果说服力不足等问题,可通过疲劳有限元分析方法有效解决。本文采用大型有限元软件Ansys Workbench对某正交异性钢桥面疲劳试验实例进行钢桥面疲劳有限元分析,通过对比试验结果和有限元分析结果显示,有限元分析得出的疲劳寿命约为73.08万次,试验最先出现疲劳裂缝的试验循环数约为75万次,两者较为接近,说明采用Ansys Workbench分析正交异性钢桥面疲劳性能方法和取用参数合理。     

常温养护下正交异性钢板-RPC组合桥面力学研究

为了解决正交异性桥面板铺装破坏和钢桥面板开裂的问题,提出一种常温养护下正交异性钢板-活性粉末混凝土(RPC)组合桥面结构体系。基于某大桥建立局部有限元模型,并计算对比常温RPC组合箱梁、纯钢箱梁、高温RPC组合箱梁和普通混凝土组合箱梁的桥面系应力状态;同时开展局部模型静载试验。研究结果表明:常温养护下RPC抗压强度、抗折强度和弹性模量与普通混凝土相比有明显的提高;常温养护的RPC组合箱梁的RPC层拉应力达到了6.45 MPa,未出现裂缝,此应力远高于普通混凝土的抗拉强度,从而为解决桥面铺装破坏提供了思路;常温RPC组合箱梁和高温RPC组合箱梁桥面板应力降幅都超过了80%,明显大于普通混凝土组合箱梁,从而改善桥面板疲劳性能。常温养护的RPC在施工现场便于制作,应用前景较好。     

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。     

四线铁路钢箱混合梁弯斜拉桥设计研究

根据四线铁路弯斜拉桥的受力特点,采用空间杆系有限元静力分析方法,围绕斜拉桥结构体系、桥梁整体刚度、收缩徐变、几何非线性等方面对其展开拉索、主梁、桥塔、基础的构造设计与研究.采用有限元仿真分析技术,研究正交异性桥面板的弯钢箱梁在受纵横向弯曲、剪力滞和扭转翘曲组合作用下的应力分布,进行钢箱梁与预应力混凝土梁的结合段、主梁与桥塔横梁固结、斜拉索上下钢锚箱的局部应力分析和构造研究.采用车桥耦合时变分析方法对其行车动力性能进行研究.采用反应谱及地震波时程分析方法同时对结构的抗震性能和抗震措施进行分析、研究.研究结果表明:四线铁路弯斜拉桥钢箱梁采用约3m的横隔板和腹板间距对改善主梁构造起到重要作用;良好的行车动力性能说明该桥采用1/900的挠跨比控制结构刚度较为合理;采用E型钢阻尼支座改善了桥梁的抗震性能.     

刚性悬索加劲连续钢桁梁受力特性成桥试验研究

石济客运专线济南黄河公铁两用桥主桥采用了三桁式刚性悬索加劲连续钢桁梁的特殊结构形式,针对此桥梁的结构特点,开展了成桥专项试验研究。首先测试了外荷载作用下桥梁3片主桁挠度及相应杆件应力的横向分配。其次,测试了有砟轨道铁路桥梁正交异性桥面体系在列车局部轮载作用下各构造细节的受力特征。最后,对刚性悬索加劲钢桁梁上弦杆与加劲弦连接处特殊节点的受力特性进行了测试。实测结果表明:桥梁3片主桁横向具有较好的整体性;有砟轨道铁路桥梁的正交异性桥面体系各构造细节均未出现明显的应力集中效应;特殊节点板受力特征与有限元计算结果吻合,连接板圆弧倒角处应力较大。     

重载铁路大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计研究

对某重载铁路一座大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计的桥梁布置、拱肋截面及线形、拱肋横撑形式、拱上桥墩方案、施工方法等若干关键问题展开研究,通过有限元对桥梁的承载力、刚度、自振特性等方面进行计算分析,得出以下主要结论:(1)上承式钢管混凝土拱桥能很好地适应桥址地形、地质条件;(2)拱肋采用四肢桁式截面,横向内倾6.5°,拱轴线形采用m=3.0悬链线,具有较好的受力性能;(3)腹杆采用H形钢构件,与拱肋弦管采用大节点连接方式,能满足重载铁路疲劳性能要求。(4)钢筋混凝土排架式桥墩在受力、景观等方面是最优选择。