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。     

预应力作用下简支箱梁桥的剪力滞效应分析

研究目的:为了研究箱梁桥在预应力作用下的剪力滞效应,以承受预应力作用的简支箱梁为对象,基于能量变分法,结合预应力等效荷载法,建立了直线、折线和曲线布束方式的简支梁在预应力作用下的剪力滞效应解析解。针对算例简支箱梁,研究3种布束方式综合作用下箱梁的剪力滞效应,并和有限元板壳数值解进行对比分析。以高速铁路10种典型标准设计整孔简支箱梁为例,研究直线、折线和曲线布束下跨中部位应力最大点处的剪力滞系数。研究结论:通过研究得出:(1)通过本文解析方法与板壳有限元数值解的对比表明,本文解析方法可以有效计算简支梁在预应力作用下的剪力滞效应;(2)对既有高速铁路简支梁桥,直线布束在跨中引起的剪力滞效应最小、其次为曲线布束、折线布束最大;(3)本研究成果对预应力混凝土箱梁的预应力设计具有理论借鉴意义。     

有限梁段法在箱梁施工阶段剪力滞分析中的应用

选取基于翼板剪切变形规律的翘曲位移函数有限梁段法来分析箱梁在施工过程中的剪力滞效应。通过剪力滞控制微分方程和边界条件推导了相应梁段单元剪力滞系数矩阵和广义荷载列阵。以广州至珠海新建铁路预应力混凝土连续箱梁为例,分析箱梁桥悬臂施工的3个阶段在不同荷载工况作用下剪力滞系数沿梁长的分布情况,以及在体系转换后成桥运营阶段,箱梁在均布荷载和中跨跨中集中荷载作用下的剪力滞效应,并与变分法分析结果进行对比。结果表明,采用本文方法计算得到的箱梁剪力滞系数与采用变分法所得结果吻合良好,验证了该方法用于箱梁施工过程中剪力滞分析的适用性。     

连续箱梁剪力滞效应分析

采用变分原理对弹性状态和开裂状态连续箱梁均布荷载作用下的剪力滞效应进行了分析,编制了分析计算程序,对混凝土开裂后连续箱梁的正、负剪力滞效应变化规律进行了总结。分析了宽跨比、混凝土开裂等因素对连续箱梁翼板有效分布宽度系数的影响,并与模型试验实测结果和规范方法进行对比,得到连续箱梁各控制截面翼板有效分布宽度系数的变化规律。     

波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板组合箱梁的有效分布宽度研究

考虑混凝土顶板和钢底板不同的模量,结合变分法推导波形钢腹板-钢底板-混凝土顶板(简称CSWSB)组合箱梁剪力滞效应的控制微分方程组和边界条件,建立CSWSB简支组合箱梁跨中集中荷载、均布荷载作用下剪力滞系数和有效分布宽度的计算公式,采用模型试验梁对2种荷载工况下单箱单室组合箱梁的剪力滞效应和有效分布宽度进行分析。研究结果表明:简支组合箱梁在集中荷载和均布荷载作用下剪力滞系数表达式正确,集中荷载作用下的剪力滞效应比均布荷载作用下的剪力滞效应明显,上翼缘板的剪力滞效应比下翼缘板的剪力滞效应明显;根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算CSWSB组合箱梁翼板有效分布宽度时,与理论计算局部差值达到了10%,富余量较小;与《钢-混凝土组合桥梁设计规范》计算CSWSB组合箱梁翼板有效分布宽度对比,整体差值率偏大,设计中应给予重视。     

车辆荷载作用下连续箱梁桥剪力滞效应分析

采用有限元方法对混凝土连续箱梁桥的剪力滞效应进行分析,重点研究了车辆荷载类型及作用位置对箱梁剪力滞效应的影响.结果表明:不同车辆荷载作用下,箱梁剪力滞系数横向分布规律不同,荷载等级对箱梁剪力滞效应的影响较为明显;车辆荷载纵向变位对梁端截面剪力滞效应影响较大,对跨中截面影响较小,距离支座越近剪力滞效应越明显;箱梁顶板中心剪力滞系数随着车辆荷载从翼板向箱梁中心移动,将经历一个负剪力滞效应到无剪力滞效应,再到正剪力滞效应的过程,而底板剪力滞效应受荷载横向移动的影响较小;车辆荷载对其作用点附近的局部区域剪力滞效应影响较大.     

截面构造对薄壁箱梁剪力滞效应力学响应的研究

为了研究考虑剪力滞效应的混凝土薄壁箱梁肋板厚度对箱梁截面正应力分布的影响,利用有限元软件建立不同肋板厚度的数值模型得到跨中上翼缘板沿横截面的剪力滞系数,对比分析薄壁箱梁不同肋板厚度下的剪力滞系数分布情况。结果表明:相同条件下考虑剪力滞效应情况的薄壁箱梁肋板越薄,横截面剪力滞系数越大,横截面应力越大;为了保证安全的前提下,薄壁箱梁肋板厚度取值应满足规范的最小值要求。     

单箱双室波形钢腹板PC箱梁剪力滞效应分析

研究目的:由于不同的刚度分布,波形钢腹板预应力混凝土箱梁截面剪力滞效应与普通预应力混凝土箱梁截面存在较大差异,为研究单箱双室波形钢腹板预应力混凝土箱梁的剪力滞效应,借助有限元分析软件ANSYS建立单箱双室波形钢腹板预应力混凝土箱梁空间模型,分析两种典型荷载工况下典型截面的应力分布,得到典型截面的剪力滞系数,并与普通预应力混凝土箱形梁作比较,分析讨论7种几何参数变化条件下箱梁剪力滞系数的变化情况。研究结论:(1)采用波形钢腹板略增大了各断面的最大剪力滞系数;(2)对于顶板而言,中腹板的剪力滞系数大于边腹板,底板反之;(3)剪力滞系数的主要影响参数是宽跨比、承托长度、顶板厚度,横隔板数量对剪力滞系数的影响甚小;(4)该研究成果对波形钢腹板预应力混凝土箱梁设计及计算分析具有参考借鉴价值。     

不同荷载形式下箱梁剪力滞效应分析的有限梁段法

采用基于剪切变形规律的翘曲位移函数,在能量变分法箱梁剪力滞微分方程的基础上,提出一个考虑集中弯矩作用的每个结点有2个剪力滞自由度梁段单元。当箱梁桥承受集中弯矩作用时,重新定义梁段单元的广义剪力滞位移,通过边界条件及剪力滞广义平衡和变形协调条件推导出新的剪力滞系数矩阵和广义荷载列阵。借助相关试验模型及工程实例,分析不同箱梁桥形式在竖向荷载及集中弯矩作用下沿梁纵向的剪力滞效应,并与相应的变分法解析结果进行对比,验证了本文方法的正确性。     

混凝土箱梁开裂的剪力滞效应分析

为研究考虑截面配筋后的混凝土箱梁在开裂状态下的剪力滞效应,基于变分原理建立了考虑截面配筋率的箱梁剪力滞效应分析的控制微分方程,并推导出箱梁开裂前后的微分方程表达式。结合具体箱梁算例,分析了2种不同配筋率的箱梁在不同荷载作用下开裂前后的剪力滞效应。结果表明:集中荷载或均布荷载作用下,初始开裂截面及集中荷载作用截面剪力滞效应均发生突变;配筋率对开裂状态箱梁的剪力滞效应的影响大于其对于未开裂状态箱梁的影响;2种状态下最大影响位置均为初始开裂截面,剪力滞系数变化最大可达10.31%。     

变高度连续曲线箱梁的剪力滞效应

应用能量变分原理,推导弯曲、扭转、剪力滞耦合的曲线箱梁弹性控制微分方程及其边界条件,得到微分方程的闭合解。利用所得的弹性控制微分方程的齐次解作为位移模式,应用刚度法和功能原理推导单元刚度矩阵及荷载列阵,建立一种考虑弯曲、扭转、剪力滞的曲线箱梁有限段模型。编制计算程序,对变高度连续曲线箱梁进行计算,探讨在不同荷载下的宽跨比和梁高比两个参数对剪力滞的影响,得到变高度连续曲线箱梁剪力滞效应的一些规律。进行剪力滞模型试验研究,并对模型桥进行有限段法和有限元法的数值计算,计算值与试验结果吻合较好,验证本文方法的正确性。本文所得公式是对连续曲线箱梁剪力滞效应理论的补充,分析所得结果为连续曲线箱梁的工程设计提供参考。     

薄壁箱梁挠曲性能的矩阵分析

在选取薄壁箱梁剪力滞控制微分方程的齐次解作为单元位移函数建立形函数矩阵基础上,运用虚功原理推导竖向集中荷载作用下单元等效节点力公式,提出双室箱梁的合理剪滞翘曲位移函数。通过对变截面悬臂箱梁有机玻璃模型进行计算,验证提出的梁段单元对分析变截面箱梁的有效性。结合实际箱梁算例,分析预应力混凝土变截面连续箱梁的挠曲性能。研究结果表明:所提出的梁段单元用于变截面箱梁分析时,具有较高的计算精度;在竖向集中荷载作用下,箱梁剪滞力矩图是一条平滑曲线,任意截面处剪滞力矩均不大于弯矩;剪滞效应使连续箱梁的跨中挠度明显增大,工程实践中必须认真对待。     

箱形梁剪滞效应分析中的广义力矩研究

基于能量变分原理,定义箱形梁剪滞效应分析中与剪滞广义位移相应的广义力,并称之为剪滞力矩,给出其计算公式。从轴向力平衡的力学条件出发,选取剪滞翘曲位移模式,并考虑悬臂板宽度及上下翼板至形心轴距离的影响,使箱形梁剪滞翘曲应力得到更合理反映。根据选取的剪滞翘曲位移函数,导出了剪滞翘曲惯性矩、剪滞翘曲惯性积、剪滞翘曲面积等剪滞几何特性计算公式。最后,对集中荷载和均布荷载作用下,悬臂箱梁的剪滞力矩及附加弯矩的变化规律进行较全面研究,结果表明,剪滞力矩与弯矩具有基本相同的分布规律,但当集中荷载作用于跨内时,在集中荷载作用点至悬臂端梁段内仍有剪滞力矩产生;集中荷载作用下,具有较大跨宽比的悬臂箱梁的附加弯矩分布具有明显的局部性质。     

弯扭耦合下曲线混凝土箱梁截面应力状态的受力机理分析

曲线箱形梁兼具弯梁桥与箱形梁两者的特点,由于曲率的影响,竖向荷载作用下曲线箱梁弯矩与扭矩互相耦合同时存在。根据国内外既有研究成果,对曲线箱形梁空间受力特点及影响因素进行了总结。以60m单跨单箱形截面曲线混凝土简支梁为例,利用有限元软件TDV建立空间板单元模型,分析自重作用下,不同曲线半径下主梁截面正应力及剪应力分布,根据弯曲变形与应变的关系,比较曲线梁桥与直线梁桥正应力横向分布规律,提出用应力增大系数来表征曲线内外侧弧长不同引起的应力变化。研究结果表明,除了受剪力滞后效应影响,曲线箱梁桥截面正应力分布还与内外侧弧长不等引起的应力增大系数有关。     

基于剪切变形规律的箱梁剪力滞效应研究

本文从薄壁箱梁的剪力滞效应是由于翼板剪切变形所致这一本质出发,通过分析箱梁在竖向弯曲时翼板的剪力流分布规律,提出利用翼板剪切变形规律来定义其剪滞翘曲函数的方法。针对常见的单室箱梁,定义出截面仅有一个未知翼板剪切变形最大差,各翼板符合剪切变形规律的翘曲位移函数。建立基于变分法的箱梁剪力滞控制微分方程。通过对典型结构的剪力滞效应分析,表明本文分析结果与模型试验值、基于板壳元的数值解以及截面具有3个未知剪切变形最大差的变分解吻合良好。证明本文提出的基于翼板剪切变形规律的剪力滞翘曲位移函数不仅原理明确,而且具有未知变量少,分析精度高的特点。本文剪力滞翘曲位移函数的定义方法适用于各种薄壁截面,可为复杂截面剪力滞翘曲位移函数的定义提供参考。     

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%。     

铁路活性粉末混凝土槽形梁的空间作用效应

对32 m铁路活性粉末混凝土槽形梁进行三维有限元分析,计算出不同工况下的剪力滞系数,并对剪力滞规律进行分析,研究表明该梁的剪力滞效应较普通混凝土梁更加明显;对其横向和纵向弯矩的空间效应进行分析,对横向弯矩影响线的研究表明,受空间作用的影响,梁上任意一点受力均会在某一截面产生不可忽略的横向弯矩;对纵向弯矩影响线的研究表明空间作用对活性粉末混凝土槽形梁换算荷载的影响在越靠近端部影响越明显,且该影响不可忽略,所以在设计该种梁时需要在靠近端部位置充分考虑空间作用的影响。     

UHPC薄板屈曲试验及临界板厚比研究

UHPC材料是一种新型纤维增强水泥基复合材料,利用材料强度高的特点设计建造桥梁通常为薄壁箱形结构,薄壁箱梁存在剪力滞效应、扭转畸变、翘曲失稳等问题。为研究UHPC箱梁顶板翘曲失稳,指导UHPC薄壁箱梁结构避免局部失稳破坏先于材料强度破坏,进行不同边界条件均布加载的19个UHPC薄板屈曲荷载试验研究。结果表明:UHPC板的屈曲主要有局部受压破坏、单方向裂缝破坏和双向裂缝破坏3种;屈曲荷载计算应引入材料和制作修正系数0.7;UHPC板最大幅值位于h/2高度,并只产生一个半波。最后对屈曲荷载试验值进行有限元计算分析对比,并通过欧拉公式推导UHPC箱梁顶板的临界板厚比限值。     

箱形梁正负剪力滞判别的广义力矩法

在箱形梁挠曲分析基础上,提出一种判别箱形梁正负剪力滞方法,导出用截面几何特性和广义力矩表达的判别式,结合实例判别简支箱梁、悬臂箱梁、外伸箱梁和连续箱梁正负剪力滞。与通过比较弯矩和附加弯矩之间相互关系判别方法相比,所提出方法更适合于复杂型式箱梁正负剪力滞判别。研究结果表明:箱形梁发生正剪力滞还是负剪力滞,主要取决于其横截面尺寸及弯矩与剪力滞力矩之间相对大小;对于在竖向荷载作用下有正、负弯矩分布箱梁,在反弯点附近梁段内判别式参数有"跳跃"现象;在弯矩分布呈折角处,剪力滞力矩分布比较平滑。     

地铁高架槽形梁足尺模型破坏试验与空间分析研究

通过某城市地铁高架试验段槽形梁桥足尺模型破坏试验,测定结构的极限承载能力,研究其空间受力变形特性及破坏特征。试验结果表明,结构在正常使用和极限状态下的极限荷载分别为设计荷载的1.68和3.0倍,具有足够的安全系数。三维有限元数值计算结果表明,底板存在剪力滞后现象,越接近梁端愈明显。底板纵向剪应力最大值出现在梁端附近截面底板与腹板相交处,支座脱空效应对脱空支座位置的底板应力影响较大,设计中需对梁端进行局部加强处理。跨中截面腹板出现拉应力,最大可达0.91 MPa,设计中应考虑设置一定的竖向抗拉钢筋,防止裂缝产生。