铁路混凝土槽形梁弯扭耦合效应分析与设计优化

以西宁—大通铁路50 m单线混凝土槽形梁为实例,介绍铁路混凝土槽形梁的结构特点,分析直线混凝土槽形梁在曲线荷载作用下的弯扭耦合效应,阐述采用空间板壳模型进行结构分析的准确性和铁路混凝土槽形梁结构设计中普遍存在的问题。结果表明:对于铁路直线混凝土槽形梁曲线加载情况,平面杆系模型存在缺陷,空间板壳模型的分析结果较为全面,可以精确计算槽形梁弯扭耦合放大效应。对于梁板结合部位应力集中问题,可以通过分析空间实体模型得到全桥范围内该部位最大应力,从而采取相应措施优化构造或配筋率来降低局部应力。     

基于英国BS5400的预应力混凝土槽形梁结构性能研究

结合一座国外公路槽形梁的工程设计实例,基于MI-DAS FX+V2.0.0和MIDAS/Civil 2006结构分析软件,选取四面体单元和桁架单元,建立空间实体计算模型,进行了各荷载组合工况下槽形梁空间受力性能研究,并针对槽形截面特点进行了各典型位置的剪力滞效应分析。在此基础上基于BS5400,进行结构性能分析及安全性分析,并总结预应力混凝土槽形梁的优缺点。分析结论可为BS5400规范体系下预应力混凝土槽形梁的设计及计算分析提供参考。     

铁路预应力混凝土连续槽形梁研究

槽形梁目前在我国铁路建设中应用较少,已建成的最大跨度只有40 m,在特殊条件下采用槽形梁能较大程度地降低有效建筑高度,具有较好的经济性。槽形梁空间受力特征明显,需要借助大型有限元程序进行梁板模型及实体模型分析,计算工作量大。铜九铁路跨越318国道大桥采用(40+64+40)m单线预应力混凝土连续槽形梁结构,该桥已建成通车并进行了通车试验,通过对连续槽形梁的三维有限元整体空间分析,系统揭示了在竖向荷载作用下连续槽形梁的空间作用特性,为更大跨度的铁路连续槽形梁的建造提供借鉴。     

不同梁单元对车-桥耦合动力响应的影响

研究目的:为研究不同类型梁单元对列车-轨道-简支梁耦合系统动力响应的影响,以12车编组高速列车通过6跨简支梁为例,基于多刚体动力学建立车辆垂向动力学模型,分别采用Euler-Bernoulli梁、Timoshenko梁及Mindlin板单元建立简支梁桥有限元模型,并开展基于三种不同类型梁单元简支梁模型的列车-轨道-桥梁耦合系统动力响应分析。研究结论:(1)在相同参数条件下,三种简支梁模型的自振频率各不相同,其中Euler-Bernoulli梁模型计算得到的简支梁自振频率最高,对应的理论共振车速也最大;(2)运营车速条件下,桥梁加速度响应受梁单元类型的影响显著,基于Euler-Bernoulli梁的简支梁振动加速度最小,基于Timoshenko梁的简支梁振动加速度与基于板单元的箱梁底板中点处的计算结果较为接近,而基于板单元的简支梁由于顶板局部受高频列车荷载激励的影响,因此顶板中点处的加速度最大;三种简支梁模型计算的首、末节车体加速度吻合良好;(3)共振车速条件下,Euler-Bernoulli梁模型和Timoshenko梁模型计算的桥梁加速度和位移吻合较好,但整体上大于板单元模型箱梁腹板及底板的计算结果,且Euler-Bernoulli梁模型和Timoshenko梁模型计算的末节车体加速度在振动形态上与板单元模型计算结果存在较大差异;同时,末节车辆由于受桥梁共振效应的影响显著,其车体加速度明显大于首节车辆;(4)本研究成果可为列车-轨道-桥梁耦合振动研究中桥梁数值模型的选择提供参考。     

移动荷载作用下简支钢-混结合梁的动力响应分析

考虑钢梁与混凝土板之间的相对滑移,对钢-混结合梁基本动力方程进行推导,采用分离变量法得到简支结合梁自振频率与振型的解析解,利用正交条件,得到移动荷载作用下结合梁动力响应的表达式。将结合梁的自振频率以及移动荷载作用下的动力响应的理论分析结果与实测结果进行对比分析,结果吻合良好。分析结果表明:由于柔性抗剪连接件的存在,结合梁中钢梁与混凝土板之间发生相对滑移,其移动荷载作用下的振动方程形式更为复杂,表现出与普通梁不同的动力特性。     

考虑钢-混凝土滑移效应的下承式钢桁结合梁受力特性研究

对下承式64 m双线钢桁结合梁,考虑钢梁与混凝土板之间的滑移,采用空间梁、板壳单元建立有限元计算模型,钢梁与混凝土板间的连接根据剪力钉刚度,采用弹性连接模拟,通过二期恒载、混凝土桥面板收缩徐变工况的计算分析,研究下承式钢桁结合梁受力特性。计算结果表明,下承式钢桁结合梁中由于混凝土板与主桁下弦杆共同作用承受纵向拉力,钢梁与混凝土板之间的滑移对桥梁结构内力影响较大,设计计算时不适合采用钢梁与混凝土板刚接或换算截面法,建议根据剪力钉刚度钢梁与混凝土板之间采用弹性连接模拟,不同荷载工况可按结构受力对剪力钉刚度进行适当调整。     

预应力混凝土槽形梁静力行为研究

为了解槽形梁静力行为,进行了一片预制预应力混凝土槽形梁的模型试验,分别考虑跨中最大弯矩及梁端最大剪力两种荷载工况对试验模型进行加载,测试了试验模型的控制断面的应力、变形.并采用非线性有限元分析方法对槽形梁的力学特性进行了研究.试验和研究得到了如下结论:该槽形梁的剪力滞效应较为突出,具有明显的开口薄壁杆件特征,底板的空间板效应明显,在设计荷载作用下结构处于线弹性状态,具有一定的安全储备.     

大跨度公路城轨两用斜拉桥车桥耦合振动分析

用多刚体结构模拟车辆,空间杆系单元模拟桥梁,建立车桥耦合动力系统。以某公轨两用斜拉桥为例,分别采用空间杆系单元模型与空间杆系—板混合单元模型分析了桥梁的自振特性,两种模型的计算结果吻合较好。针对空间杆系单元模型,采用动力时程分析方法,计算了轻轨车和汽车以不同车速通过该桥时的车桥耦合空间振动响应。计算结果表明:桥梁具有足够的竖向与横向刚度,车辆通过桥梁时的舒适性与安全性能满足要求,轻轨车和汽车同时过桥时相互之间存在影响。     

沪通铁路(80+108+80)m连续槽形梁方案研究

预应力混凝土槽形梁是一种下承式桥梁结构形式,底板作为行车道板,腹板作为主要受力构件,能有效地降低结构线路的高度。介绍沪通铁路(80+108+80)m连续槽形梁方案构思和结构设计:全梁腹板采用等高度,兼作声屏障,腹板上设置大圆孔,可以减轻结构质量,使得结构更加美观,双线铁路轨道位于底板上,大大降低了线路高程,经济和社会效应显著。平面结构分析表明,梁体刚度较大,各项指标均满足规范要求;空间分析采用实体单元,计算表明结构整体受力合理,满足混凝土的强度要求。     

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板屈曲分析

根据桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特性,利用有限元分析方法,采用梁单元模拟钢轨,实体单元模拟轨道板、底座板和桥梁,弹簧单元分别模拟砂浆填充层和滑动层,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力计算模型。基于现场测量的底座板厚度资料和桥梁资料,计算出模型中各单元参数值。利用当地气温资料和轨道机车类型,得到最大温升和列车制动力值,计算出温度荷载和列车制动荷载作用下底座板厚度不足处纵向力值。分析温度荷载和列车制动荷载对底座板厚度不足处屈曲的影响。     

S型曲线钢箱梁桥空间受力特性研究

为分析S型曲线钢箱梁桥的空间受力特性和纵横向剪力滞效应,基于Midas考虑翘曲变形的七自由度梁单元和ANSYS的Shell181壳单元,对一座四跨S型曲线连续钢箱梁桥进行全桥空间精细化仿真建模,研究其在不同荷载作用之下的结构位移、截面应力、支座反力及自振特性,并找出结构的最不利情况及其应力分布规律。经2种有限元单元的结果对比,可知采用板壳单元模型较之梁单元模型对该类桥梁弯扭耦合效应的模拟更为准确,其各项分析结果更偏安全,实际设计中对该类结构应尽可能采用板壳单元进行建模检算。为进一步研究其剪力滞效应,基于ANSYS计算结果研究了该桥各关键截面顶板的剪力滞效应,得出其剪力滞系数的纵横向变化规律,可为今后类似桥梁的设计提供参考。     

温度荷载作用下桥上CRTS Ⅱ型板式轨道纵向力学特性研究

利用有限元软件ANSYS建立温度荷载作用下桥上CRTS II型板式无砟轨道结构体系各部件纵向相互作用分析模型。模型中钢轨、轨道板、底座板、梁体、桥墩均采用梁单元模拟,各结构层之间的连接采用弹簧单元模拟。以一座高速铁路混凝土连续梁桥为例,分析桥梁温度荷载作用下,轨道及桥梁结构的力学特性,并针对相关因素对各结构层受力与变形的影响进行了研究。研究结果表明:当梁体温升幅度达到一定值以后,轨道结构纵向力不再明显增大;"分离板模型"能更好反映CA砂浆黏结状态对轨道和桥梁受力特性的影响;滑动层摩擦大数增大,将大幅度增加轨道与桥梁结构的受力;轨道板宽接缝开裂导致钢轨、底座板纵向受力以及轨道板位移的增大。     

双线铁路下承式连续梁拱组合桥列车-桥梁时变系统空间振动随机分析

在列车-桥梁时变系统横向振动能量随机分析理论的基础上,采用26个自由度的列车空间振动模型,以空间梁单元模拟桥梁结构,以普通空间梁元即12自由度的空间梁元来模拟拱及吊杆结构,建立了双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,分别以构架人工蛇行波及前苏联规律性的竖向不平顺函数为横向及竖向激振源,进行双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车-桥梁时变系统空间振动响应分析。计算了列车以不同车速通过桥梁的空间振动响应,所得结果可供设计参考。     

磁悬浮轨道梁刚度对列车走行性影响研究

高速磁悬浮列车过桥为移动的均布荷载过桥 ,它与铁路车辆集中荷载过桥不同。磁浮列车整车模型和移动荷载模型过桥的有限元仿真分析证实在轨道梁第一阶自振频率 f接近磁浮列车速度与轨道梁跨长之比接近v/L时 ,轨道梁动力响应最大。桥梁动力响应随着轨道梁刚度增加而减小 ,当轨道梁第一阶竖向自振频率大于vmax/L时 ,轨道梁不会出现剧烈振动 ,再增加轨道梁刚度不能有效地减小振动     

八七型铁路应急抢修钢梁的自振特性分析

八七型铁路应急抢修钢梁是大跨度铁路军用梁,用于大跨度桥梁应急抢修,可快速拼装反复使用。八七梁的杆件间连接较弱。为更好适应提速后铁路的应急抢修,需要建立仿真模型并分析其自振特性。根据每根杆件特点及杆件间的连接特点,采用梁单元,应用ANSYS软件建立64 m八七梁的三维有限元模型。通过输入杆件截面,定义关键点和梁节点偏移,模拟杆件截面方向和相对位置。用模态分析计算其自振特性。结果显示八七梁横向刚度较低,下弦杆件横向联接较弱。并用子结构建立模型,探讨了子结构方法在八七梁自振特性分析中的应用。与普通有限元法对比,其计算误差在合理范围内。     

移动热荷载对混凝土槽形梁的影响

温度作用是导致桥梁结构在施工与运营期间产生裂缝的重要原因之一,其对桥梁结构的安全性、耐久性和适用性均有显著的影响。由于温度作用的复杂性,在以往的设计中往往采用过度简化的计算模型和方法,导致温度荷载取值和温度应力计算与实际结果存在较大偏差。本文以一64 m简支槽形箱梁为研究对象,结合该桥有铁水罐车通过这一特殊工况,对槽形箱梁的温度效应问题进行了适当的假设和简化,初步探讨了64 m简支槽形箱梁在移动热荷载作用下的温度场和温度应力分布。结果表明:槽形梁的最大应力随铁水罐车通过时间的增长呈线性增长趋势,铁水罐车正常通过桥梁时产生的温度效应对槽形梁的影响极为有限。本文为同类桥梁设计提供了参考建议。     

400 k m/h高速铁路常用跨度混凝土简支梁竖向基频研究

简支梁自振频率的合理取值对保证列车的运营安全及舒适性尤为重要.本文比较了车桥耦合作用与移动荷载列车作用下简支梁的动力响应;基于移动荷载列模型,计算得出不同列车作用下32 m与40 m简支梁的动力系数与梁体竖向加速度;以桥梁的实际运营活载效应小于设计活载效应为准则,提出了400 km/h高速铁路常用跨度混凝土简支梁的竖向...     

双线铁路下承式连续梁拱组合桥列车一桥梁时变系统空间振动随机分析

在列车一桥梁时变系统横向振动能量随机分析理论的基础上，采用26个自由度的列车空间振动模型，以空间梁单元模拟桥梁结构，以普通空间梁元即12自由度的空间梁元来模拟拱及吊杆结构，建立了双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车一桥梁时变系统空间振动分析模型，分别以构架人工蛇行波及前苏联规律性的竖向不平顺函数为横向及竖向激振源，进行双线铁路下承式连续梁拱组合式桥列车一桥梁时变系统空间振动响应分析。计算了列车以不同车速通过桥梁的空间振动响应，所得结果可供设计参考。     

基于人工蜂群算法的桥梁有限元模型局部刚度修正

在保持梁单元模型计算效率优势的前提下,为尽可能提高桥梁结构有限元模型的精度,提出一种基于人工蜂群算法的桥梁结构有限元模型局部刚度修正方法.以某刚构体系斜拉桥塔梁连接处的有限元模拟为例,对塔梁结合局部区域分别建立精细的实体元模型和宏观的梁单元模型.基于实体元模型的自振模态频率和静载响应转角构造目标函数,采用人工蜂群算法对宏观梁单元模型局部刚度参数进行优化和修正.研究结果表明:使用人工蜂群算法修正桥梁有限元模型局部刚度是可靠的,修正后桥梁宏观梁单元模型的静动力学性能更逼近实体元模型;算例中修正后的塔梁结合区域内梁单元刚度增强至修正前的1.09～2.93倍,且塔、梁单元刚度增幅不一.     

罕遇地震作用下高速铁路减隔震简支梁桥合理计算模型的探讨

以往在分析减隔震桥梁的地震响应时,由于考虑到桥墩和基础应保持弹性工作状态,在基于强度的设计中偏于安全考虑桥墩一般采用毛截面刚度建立弹性梁单元模型。实际上,在罕遇地震作用下,桥墩墩底截面虽然未达到屈服状态,仍然会出现保护层混凝土开裂,并导致桥墩刚度降低。此时,应考虑对桥墩刚度进行适当修正以估计桥梁的各项地震响应参数,这也有利于实现减隔震桥梁基于位移的抗震设计。结合西部高速铁路中典型的简支梁桥结构形式,分别采用弹塑性纤维梁柱单元、弹性梁柱单元、考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩建立3种计算模型,探讨适用于罕遇地震作用下的高速铁路减隔震桥梁的合理计算模型。结果表明,当罕遇地震作用下桥墩位移延性超过0.5时,考虑刚度修正的弹性梁柱单元模拟桥墩的计算模型能够较好地估计桥梁各项地震响应参数。