空间薄壁结构应力测试与分析

研究目的:以焦柳线4 m×128 m连续钢桁梁桥荷载试验为依托,论述空间薄壁结构应力测试的理论和方法,在理论计算和试验数据的基础上,分析主桁杆件的受力性能、传力特点、应力状态以及次应力影响。研究结论:通过分析表明:钢桁梁桥的主桁杆件主要承受轴向力作用,受力性质与设计理论一致;桥梁的空间传力作用与杆件间的连接刚度、杆件的位置以及荷载的作用点有关,按杠杆原理简化计算2片主桁间的荷载分配是偏于安全的;按空间梁单元模型计算的下弦杆应力比平面模型计算应力小9.9%~16.4%,"桥检规"中按平面杆系模型计算统计的结构校验系数通常值仅具有参考意义;主力组合下各测试杆件的实际应力小于设计允许应力,并有一定的强度储备;杆件的次应力与节点板和杆件本身的刚度成正比。     

钢桁梁腹杆插入式节点杆端应力分析与探讨

研究目的:为便于制造与安装,大跨钢桁连续梁桥往往在采用整体节点,腹杆与主桁节点连接时,腹杆插入节点板中,采用高强螺栓两面连接。由于仅连接杆件的两个面,另外一面(或两面)不直接承受节点板传递的荷载,必然存在剪力滞效应。通过建立钢桁梁腹杆的几种典型截面的有限元模型,研究两面连接腹杆端部的应力分布,从而掌握腹杆端头板件应力分布的规律并用于指导钢桁梁桥节点设计。研究结论:杆件端部最大正应力均发生在螺栓群末端;一般来说,杆件板厚越大,螺栓连接沿杆件长度方向的排数越多,最大正应力与名义正应力的比值越小;截面形式变化、板件厚度变化不会对最大剪应力的发生部位产生影响;杆件中部,截面应力趋于均匀,剪力滞效应不显著。     

铁路钢桁梁桥结构校验系数研究

以2座铁路钢桁梁桥的试验数据为基础,介绍钢桁梁结构校验系数通常值的适用条件及其特点,研究桥梁的理论内力和变形与平面、空间计算模型的相关性,分析钢桁梁挠度实测校验系数,杆件和纵、横梁应力实测校验系数的特征,提出利用实测的应力、挠度和结构校验系数定量评价桥梁强度和刚度的方法。研究结果表明:钢桁梁桥检定试验宜采用空间模型计算杆件的内力和结构变形,并由此得到结构校验系数;现有简支钢桁梁的结构校验系数通常值不适用于连续钢桁梁;采用结构校验系数换算求得设计活载下的杆件应力和桥梁挠度,可较为准确地评价桥梁结构的强度和刚度。研究结论可供相关单位桥梁检定和规范修订时参考。     

钢桁梁全焊桁片腹杆与节点焊接连接细节疲劳性能试验研究

为避免焊缝交叉,钢桁梁全焊桁片中,腹杆与节点连接采用带半圆过焊孔的焊接构造。为评估钢桁梁全焊桁片腹杆与整体节点焊接细节抗疲劳性能,对其进行有限元数值模拟及疲劳试验研究。根据实际焊接细节结构特点,基于应力场相似原则完成试验模型设计。利用ANSYS建立实桥结构及试验模型的有限元模型,对应力分布状态及应力集中系数进行比较分析。采用3组9个试件,完成不同应力幅下钢桁梁全焊桁片腹杆与节点连接构造典型焊接细节的疲劳试验,通过数据拟合得到该焊接细节的S-N曲线。结合其他既有疲劳试验数据及欧洲规范、日本规范对该焊接细节疲劳性能进行评估。结果表明:过焊孔与翼缘焊接部位存在较大的应力集中,对焊接节点的疲劳性能有较大削弱;反复荷载作用下,过焊孔与翼缘板交接焊趾处首先产生疲劳裂纹。     

基于车桥耦合动力分析的桥梁动应力计算方法

为充分反映列车与桥梁的动力相互作用,建立三维车辆模型及桥梁有限元模型,依据轮轨接触关系形成车桥耦合动力系统模型;考虑轨道不平顺的随机激励作用,求解车桥系统动力方程,得到桥梁节点的振动响应。在此基础上,计算桥梁构件单元的动应力响应时程。以CRH2型动车组通过某跨度为80m的下承式钢桁梁桥为例,计算分析各局部杆件的动应力时程及不同杆件的应力动力放大系数。结果表明:所给出的计算方法考虑了桥梁横向振动的影响以及轨道不平顺激励,能够真实反映列车荷载作用下桥梁局部构件的动应力响应;在列车荷载作用下下承式简支钢桁梁桥各类杆件中的危险杆件并不一定出现在桥梁跨中,动应力响应沿桥跨方向呈现出与位移响应幅值不同的空间分布趋势;不同类型杆件的应力动力系数不相同;现行规范中关于运营动力系数的计算不能真实反映不同车速下桥梁杆件应力的动力放大效应。     

128m大跨度铁路应急钢桁梁极限荷载

利用ANSYS软件建立128 m跨铁路应急钢桁梁的非线性有限元模型,研究不同杆件损伤位置、不同损伤长度和不同损伤形式等不同损伤状态下钢桁梁的极限荷载。结果表明:非损伤状态下,钢桁梁因构件屈服发生大变形而失稳破坏,极限荷载系数为2.231,能够保证安全运营;损伤位置对结构极限荷载影响明显,损伤位置越靠近跨中,影响越大;跨中为杆件损伤最不利位置,损伤程度较大时,结构将因杆件局部应力过大而发生强度破坏;随着损伤长度增加,极限荷载呈现先迅速下降、后小幅上升并逐渐趋于稳定的变化趋势,损伤程度越大,损伤长度对极限荷载的影响越明显;损伤形式对极限荷载影响差异较大,杆件的截面损伤和材料屈服强度退化对极限荷载影响显著,而杆件的材料刚度退化的影响可基本忽略。     

全焊接钢桁架桥次应力分析

研究目的:针对全焊接钢桁架桥中次应力对桥梁结构设计的影响,以某公路钢桁架桥为例,运用有限元软件ANSYS对结构进行计算,建立该桥理想铰接模型和节点刚性模型,计算由节点刚性所引起的结构次应力。研究结论:通过对两种模型应力的计算分析,得出了桁架次应力的大小及分布特征,结果表明:次应力对下弦杆、上弦杆、斜腹杆影响力依次增大;支座所在节间,下弦杆产生较大次应力,需加强支座处各杆设计。由于节点的近乎刚性,在实际桁架的杆件中不可避免的存在次应力,因此在实际的结构设计中,应该通过有限元的计算来确定次应力对结构的不利影响,不宜轻易改变上下弦杆截面。     

高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究

中国大跨度高速铁路钢桁梁桥大多采用钢-混凝土结合桥面,横梁的面外弯曲是设计中的关键问题之一.本文针对高速铁路混凝土板仅与纵梁结合的纵横梁体系,从结合桥面系变形协调出发,推导出横梁面外弯曲问题的计算公式,并结合算例分析各种因素对横梁面外弯曲问题的影响.桥面系的连续长度和下弦杆的轴应力越大、下弦杆结点对于横梁的约束刚度越大、纵梁与下弦杆的距离越小,横梁的面外弯矩和弯曲应力越大.在四线铁路三主桁下承式钢桁梁桥中,中桁对横梁的约束近于绝对刚性,纵梁离中桁下弦杆的距离较小,使横梁的面外弯曲应力较二主桁桥梁大得多.     

大跨度铁路钢桁梁柔性拱桥极限承载能力研究

研究目的:钢桁梁柔性拱桥具有强大的承载能力及跨越能力,也是大跨度铁路桥梁常用桥型之一,其跨度不断发展。针对铁路钢桁梁柔性拱桥的极限承载力问题,本文同时采用MIDAS及ANSYS两种有限元软件建立一座双主跨360 m的大跨径下承式钢桁梁拱桥的有限元模型,通过对比双主跨满载等三个荷载工况的线弹性承载力分析,并考虑结构几何非线性、几何与材料双重非线性的影响,系统分析大跨度铁路钢桁梁柔性拱桥的极限承载力。研究结论:(1)由线弹性承载力的计算对比分析可知,实际结构在恒载+主跨满载的工况下,结构的受力最不利杆件为拱肋及主桁上弦杆和斜腹杆部分,杆件应力达到屈服时的承载力系数最小为2.06;(2)线弹性极限稳定承载系数介于10.64～12.46,均为拱肋的整体失稳破坏,最不利的荷载工况为恒载+主跨活载,表明桥梁结构的稳定承载力远大于杆件强度承载力;(3)考虑p-Δ效应与整体、局部几何偏位初始缺陷后,计算得到的稳定承载系数依次降低至2.75、2.65,表明几何偏位初始缺陷会显著降低极限稳定承载能力,考虑材料非线性后极限稳定承载力系数进一步降低至2.20;(4)验证了桥梁结构具有良好的稳定承载能力及构件强度承载能力,可为类似桥梁极限承载能力分析提供参考。     

连续钢桁梁桥节点刚度对结构受力的影响研究

在大跨度钢桁梁桥设计中,杆件连接设计是一个重要环节.钢桥节点连接中各板件的尺寸较大,形成一种近似刚性的连接,节点的刚度对结构的受力有着不可忽略的影响.针对东新赣江大桥进行有限元分析,对节点铰接、节点刚接与考虑梁端刚域的情况进行了定量比较,得到节点刚度与结构受力的影响规律,并对其处理方式进行了初步探讨.     

填充长度对部分填充混凝土钢桁梁桥力学性能的影响分析

部分填充混凝土钢桁梁桥作为一种新型桥梁结构形式,在大跨度组合钢桁梁桥中得到了实际应用。以天津某部分填充混凝土钢桁梁桥为研究对象,利用大型有限元软件ANSYS建立其有限元模型,定义填充长度与中跨跨度之比为混凝土填充系数,系统讨论了填充系数对钢桁梁桥位移、应力和动力特性等力学性能的影响。结果表明,部分填充混凝土能减小钢桁梁桥的竖向位移,减小钢桁梁桥下弦杆的应力,增加钢桁梁桥的刚度,提高其承载力;填充系数对桥梁位移、应力和动力特性的影响不尽相同,设计时应综合考虑选择填充长度。     

杆端缩尺钢桁架桥梁结构静力计算与优化分析

以某下承式铁路钢桁架简支梁桥的单榀Warren桁架为研究对象,对杆端缩尺钢桁架桥梁结构及其端部缩尺压杆进行有限元分析和用钢量优化,重点研究杆端缩尺参数对杆件内力、截面应力、结构刚度、结构弹性稳定、压杆极限承载力、最小用钢量等的影响.结果表明:杆件截面高度缩尺是最理想的杆端缩尺方案;随着缩尺幅度的增大,桁架结构的杆件轴力变化很小,但杆端次弯矩和剪力显著减小,且结构竖向刚度和弹性稳定性有所降低.通过适当提高缩尺段的钢材强度等级,端部缩尺压杆的极限承载力将不低于未缩尺压杆,并可在满足结构强度、刚度及稳定性要求的前提下,进一步通过杆件截面优化,得到比未缩尺设计更小的结构用钢量.     

铁路钢桁梁桥在重载列车下的受力适应性分析

在既有线上开行重载列车可满足我国快速发展的铁路运量要求,但势必会对既有铁路桥梁的安全性产生不利影响。以长东黄河大桥4跨铁路连续钢桁梁为工程背景,采用Midas软件建立了有限元模型,对其整体受力性能和杆件局部受力性能在30 t重载列车下的适应性进行了分析。结果表明:长东黄河大桥连续钢桁梁的整体受力性能满足30 t重载的运营要求,其中竖向挠度安全裕度较中-活载下降约22%,但横向挠度安全裕度无明显下降。钢桁梁各杆件的应力安全储备系数、疲劳安全储备系数和稳定安全储备系数均较中-活载下降低近20%左右,且个别杆件在30 t重载下的疲劳和稳定性能不满足规范要求,需进行适当加固。     

我国既有普速铁路桥梁检定若干问题探讨

基于近年来既有普速铁路桥梁检定工作的相关实践,探讨桥梁检定工作中的一些问题,提出了一些建议。对于运营荷载没有较大变化或未出现缺陷、损伤的桥梁,建议通过结构检算确定桥梁承载能力;对于出现缺陷、损伤或加固改造后的桥梁,建议结合结构检算,通过静载试验确定桥梁承载能力;铁路钢桁梁有限元计算模型采用空间模型;钢桁梁杆件的应力测试位置宜尽量靠近杆件中部,以降低杆件次应力的影响;铁路桥梁的横向振动加速度采用10 Hz低通数字滤波处理。相关成果可供铁路工作者开展既有普速铁路桥梁检定工作和规范修订参考。     

基于改进梁板结合模型的钢桁架桥设计

以蒙华煤运铁路三门峡至荆门段72 m简支下承式钢桁架梁桥为背景,指出传统梁板结合有限元模型采用刚臂方式连接虚梁和桥面系所产生的问题,并对其进行改进,提出改进梁板结合有限元模型。将两种模型在静活载作用下的杆件应力与真实情况进行对比。结果表明:传统梁板结合有限元模型的约束形式使桥面系刚度大于真实情况,造成计算出的杆件应力偏小,而改进后的梁板结合有限元模型没有增大桥面系刚度,计算出的杆件应力也与真实值吻合。     

基于几何正装法的N式钢桁梁桥预拱度设置研究

针对N式钢桁梁桥,通过对钢桁梁节点坐标的求解模拟钢桁梁的无应力安装过程,提出了一套预拱度设置计算方法。首先采用几何正序拼装方法,以节段桁式矩阵、节间长度矩阵和理论预拱度为输入参数,依次计算杆件伸缩值的精确解。然后根据制造精度调整杆件伸缩值,以实际杆件制造长度计算厂制预拱度。最后根据节点坐标计算各杆件平面角度,为设置错孔角提供依据。利用数学软件编制了相应程序,并与实际工程灌河特大桥项目的设计数据进行了对比,证明该方法可行。     

济南黄河公铁两用桥主桥结构型式研究

研究目的:石济铁路客运专线济南黄河公铁两用桥为刚性悬索加劲连续钢桁梁桥,其结构形式在我国铁路桥梁上尚属首次采用,故以此为工程背景,对此种结构体系的主桁片数及公路桥面板的形式进行分析研究,为下一步的工作打下了良好基础,为类似桥梁的设计提供参考。研究结论:(1)与3片主桁方案相比,2片主桁方案桁架腹杆的最大轴力增加了24.1%,并且框架效应表现明显,竖杆的面外弯矩增加很大;(2)3片桁桥面系荷载传递直接,且提供结构刚度大,3片桁方案比2片桁方案挠跨比小14%,轨道中心部位的梁端转角低12%;(3)由于正交异性钢桥面板的结构自重较纵横梁混凝土组合桥面板的少35%左右,故结构受力有较大改善,前者比后者上弦杆杆件轴力最大值减少了34.6%,而腹杆杆件轴力最大值减小了10%左右。     

支点高差对多跨钢桁梁落梁施工应力影响分析

为明确拖拉落梁施工时支点高差对钢桁梁杆件应力的影响,以一座多跨简支钢桁梁桥为工程背景,利用MIDAS/Civil软件建立空间模型进行数值模拟。研究结果表明:两跨端部主桁出现支点高差引起的钢桁梁杆件应力呈线性变化;支点高差对钢桁梁端斜杆应力影响最为明显;通过调整钢桁梁首尾端支点高差的方法可实现临时连接水平杆件的零应力拆解;落梁作业时,不同步落梁产生的杆件应力大体呈现线性增加的趋势,其中,对角不同步落梁对杆件应力影响最大。     

铁路简支钢桁梁桥横向抗震性能研究

通过分析钢桁梁的抗震薄弱部位及其抗震性能,建议以应力比为指标来确定钢桁梁抗震最不利杆件。建立了跨度48 m的铁路简支钢桁梁桥全桥有限元模型,以应力比为判据计算分析横桥向地震作用下该桥抗震薄弱部位并对相应杆件的抗震性能进行了评价。研究结果表明:下弦杆E4E6及下平纵联斜杆F0H1为抗震薄弱部位,在8度罕遇地震作用下分别会发生强度破坏和失稳破坏。     

钢桁结合梁整体节点及细节构造设计与研究

研究目的:(1) 研究确定腹杆与节点板间合理的连接方式,使腹杆与节点板间传力简捷明确,腹杆端部应力分布均匀,提高腹杆抗疲劳性能;(2) 研究确定横梁与弦杆间合理的连接方式,使横梁上翼缘接头构造满足结构疲劳性能要求,避免与之连接的下弦杆竖板发生层状撕裂破坏;(3) 研究确定钢桁结合梁桥整体节点细节构造,使受力复杂的整体节点传力简捷明确,避免应力集中,改善结构疲劳性能.研究结论:(1) 腹杆与节点板间采用全截面拼接,腹杆应力分布均匀,节点刚度大,杆件抗疲劳性能好.(2) 横梁上翼缘接头板与弦杆间采用大弧过渡及熔透焊缝,焊缝质量等级要求为Ⅰ级,焊缝端部要求打磨锤击处理,可满足此处焊接疲劳性能要求.弦杆与横梁相交处,弦杆竖板突出30 mm并采用Q370qE-Z25钢材,可避免此处弦杆竖板发生层状撕裂.(3) 在整体节点及其它钢结构设计细节中,贯彻大弧、缓坡、打磨、锤击等防裂、防断措施.可有效提高整体节点和其它细节构造的疲劳性能,满足结构抗疲劳性能要求.