悬臂施工期波形钢腹板斜拉桥腹板剪力分配规律研究

为了解单箱多室波形钢腹板组合梁斜拉桥悬臂施工期腹板剪力分配规律及传递路径,以某单箱五室波形钢腹板组合梁斜拉桥为研究对象,采用有限元法建立悬臂施工阶段实体有限元模型,分析施工阶段应力叠加作用下各腹板的剪应力分布和剪力分配比例。结果表明:各腹板剪力分配比例与施工工况密切相关,当前节段斜拉索张拉时,剪力主要由中腹板承担;后续节段施工时各腹板剪力承担比例趋于一致。斜拉索作用下4道边腹板剪应力值相差不大,而中腹板剪应力值与有无钢导梁相关;横隔板的设置可明显改善各腹板剪力的不均匀分配现象。最大悬臂状态斜拉索及自重共同作用下,无钢导梁区中腹板承担剪力占比大于边腹板,因此单箱多室波形钢腹板组合梁斜拉桥腹板施工期受力关键控制腹板为无钢导梁区中腹板。     

单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的受力性能研究

为掌握荷载横向作用位置对单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁受力性能的影响,设计制作了缩尺比例为1∶10的模型梁,对简支模型梁分别进行了横向对称的双点和四点集中力弹性加载试验,集中力在横向分布作用在边、中腹板处顶板,对顶、底板的纵向应变、钢腹板剪应变和梁底挠度进行了测试。同时,建立有限元模型进行对比分析,并提出用腹板剪力系数表示"腹板剪力分配的不均匀程度"。结果表明:对于单箱三室的波形钢腹板混凝土组合箱梁,对称荷载的横向作用位置对作用截面的剪力滞系数横向分布有显著影响,不同腹板处顶、底板剪力滞系数的差异较大,在荷载作用点附近达最大值;加载截面横隔板的设置可以减弱剪力滞效应,而非加载截面的横隔板使顶、底板正应力分布呈现类似"负剪力滞效应";剪力在各钢腹板间不是平均分配,直接承受集中荷载的腹板可分担70%以上的剪力,其剪力系数最大可达2.0;横隔板可减小剪力不均匀分配的影响。     

均布荷载作用下波形钢腹板简支箱梁的挠度

基于波形钢腹板组合箱梁的特点,在其承受均布荷载作用下,运用能量变分原理推导了波形钢腹板简支箱梁考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切效应下的挠度计算公式.结合室内模型试验梁的实测值和ANSYS三维有限元的计算值,对该公式的正确性进行了验证,同时分析了这2种影响因素对波形钢腹板简支箱梁挠度的影响程度.结果表明:该公式的计算结果与实测值及有限元计算值吻合良好;在承受均布荷载作用下,与初等梁理论计算的挠度相比较,剪力滞效应和波形钢腹板的剪切效应分别增大波形钢腹板简支箱梁挠度的1.82％和36.36％,因此在实际计算中必须考虑波形钢腹板剪切效应对挠度的影响,而可以忽略剪力滞对挠度的影响,研究结论可为今后波形钢腹板箱梁桥的设计计算提供参考.     

波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板承剪分析

为了了解波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板的弯曲剪应力及剪力传递效率,基于组合有限元思想,采用有限元软件建立大桥精细模型,首先对组合箱梁拟平截面假定进行验证,然后选取12个控制截面,分析自重、自重+预应力荷载作用下各控制截面的波形钢腹板剪应力及剪力传递效率。计算结果表明:弯曲作用下变截面波形钢腹板组合箱梁截面满足平截面假定,波形钢腹板中的剪应力沿板厚均匀分布,自重及预应力作用下变截面波形钢腹板组合截面的剪力传递效率为50%~80%,且变截面效应带来的梁高和底板厚变化会使波形钢腹板参数相同的梁段剪力分配比例有明显变化。     

波形钢腹板预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究

根据国内首座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁公路桥———泼河大桥的箱梁构造尺寸,设计了足尺模型试验梁,对其力学性能进行了试验研究。测试了波形钢腹板及顶板的混凝土纵向应变分布、挠度以及腹板剪力、体外预应力增量等问题。研究结果表明:波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩,波形钢腹板则主要承担剪力,箱梁的计算挠度应考虑钢腹板剪切变形的影响,混凝土顶板存在明显的剪力滞效应,同时得出在荷载作用下体外预应力增量呈线性变化规律,且应力增量很小。     

波形钢腹板预应力混凝土箱梁的试验研究

为研究波形钢腹板预应力混凝土箱梁这种新型桥梁结构的力学性能,根据国外已建实桥的箱梁尺寸,设计了缩尺模型试验梁。通过测试模型梁在静力荷载作用下的挠度和应变,来分析这种箱梁结构的弯曲、扭转和畸变等力学特性。试验结果表明:在弯曲荷载作用下,波形钢腹板主要承担剪力,而弯矩仅由混凝土顶板和底板来承担,同时箱梁的挠度应计及钢腹板的剪切变形的影响。另外,波形钢腹板预应力混凝土箱梁对偏心荷载作用时产生的扭转变形和畸变的抵抗能力相对较差。波形钢腹板预应力混凝土箱梁具有区别于传统混凝土箱梁结构的的力学特性。     

单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁剪力滞效应研究

由于单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁截面剪力滞效应与混凝土箱梁截面剪力滞效应相比有很大差异,并且波形钢腹板几乎承担了全部剪力,波形钢腹板的剪切模量也需要进行修正。为研究单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应,从波形钢腹板PC组合箱梁的受力特点出发,以满足剪力滞翘曲应力的轴向平衡条件,采用二次、三次抛物线定义了单箱双室、单箱三室波形钢腹板PC组合箱梁的纵向位移差函数,利用势能驻值原理的能量变分法建立了波形钢腹板PC组合箱梁考虑剪力滞、剪切变形效应的控制微分方程组,并推导出简支梁、悬臂梁、连续梁在集中荷载、均布荷载作用下的解析解。通过解析法和有限元法分别计算了简支梁和悬臂梁的剪力滞效应,并研究了集中荷载和满跨均布荷载作用下的单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞分布规律,结果表明:采用二次抛物线剪力滞翘曲位移函数推导的剪力滞系数更为合理;单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁在跨中集中荷载下,波形钢腹板与混凝土顶、底板交界处的剪力滞效应较为突出;随着波形钢腹板PC箱梁室数的增加,剪力滞系数明显减少,且解析解与有限元数值解一致,表明了解析解的正确性,并通过分析给出了相应的剪力滞系数,可以为单箱多室波形钢腹板箱梁的设计计算提供参考依据。     

单箱多室波形钢腹板箱梁剪力滞研究

为客观准确地对单箱多室波形钢腹板PC组合箱梁的剪力滞效应进行评价,结合单箱多室混凝土箱梁的计算特点,定义了波形钢腹板箱梁的剪滞翘曲位移函数,通过能量变分法建立了单箱双室和单箱三室波形钢腹板箱梁考虑剪力滞效应的基本微分方程。分别采用有限元方法和解析方法分析计算了范例的剪力滞效应,研究了跨中集中荷载和满跨均布载荷作用下截面的剪力滞分布规律,探讨了跨宽比对剪力滞效应的影响。研究表明,该解析解与有限元数值解吻合较好,但在箱梁顶底板与波形钢腹板接合处、外伸悬臂板边缘处有一些差异,需要进行修正。研究给出了相关的剪力滞系数,可以为波形钢腹板箱梁设计时的剪力滞系数取值提供参考。     

横隔梁对波形钢腹板PC连续梁桥纵向正应力的影响研究

目前关于横隔梁对波形钢腹板PC连续梁桥纵向正应力的影响,都是基于小梁试验或理论分析的基础,与实际有差别。鉴于此,依托一在建单箱九室波形钢腹板PC组合连续箱梁桥,建立该桥有限元模型,分析3车道偏载作用下有无横隔梁2个工况下箱梁顶、底板的纵向正应力分布规律和剪力滞效应。结果表明:未设横隔梁的桥梁纵向正应力分布变化剧烈,距墩顶越近,顶、底板正应力横向分布变化越大;设置横隔梁后桥梁纵向正应力分布较为均匀,顶、底板正应力横向分布在跨中截面附近变化较大;未设横隔梁与设置横隔梁时顶、底板正应力最大比值分别为1.47、1.32;设置横隔梁的桥梁在汽车荷载下剪力滞效应最大,3车道偏载与6车道对称荷载作用下箱梁顶板剪力滞系数比值为1.04,底板剪力滞系数比值为1.06;横隔梁对改善箱梁正应力分布、降低剪力滞程度具有显著影响。     

波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应的理论与试验研究

基于能量变分法原理推导了波形钢腹板组合箱梁在集中荷载和均布荷载作用下的剪力滞效应计算公式,讨论了波高区混凝土的合理计算宽度取值问题;制作了2根模型梁、并进行了在集中荷栽和均布荷载作用下的加载试验,通过实测箱梁翼板的纵向应力分布来研究这种组合结构在外荷载作用下的剪力滞效应的变化规律;在此基础上利用空间有限元分析程序进行了数值分析.结果表明:剪力滞系数的理论值、模型实测值以及空间有限元计算值吻合良好,波高区混凝土按1倍波高进行取值计算时结果偏于安全;集中荷载相对于均布荷载而言,其剪力滞系数较大;结果证明了本文公式可用于波形钢腹板组合箱梁的剪力滞效应计算.     

大跨波形钢腹板连续箱梁桥有效分布宽度研究

波形钢腹板组合箱梁桥与钢筋混凝土箱梁桥一样,箱梁翼板也存在剪力滞效应.为研究大跨度变截面波形钢腹板组合连续箱梁的剪力滞效应,采用ANSYS的APDL参数化建模方法建立了典型的三跨式波形钢腹板组合连续箱梁桥的有限元模型,计算分析了集中(均布)荷载作用下变截面箱梁几何参数(腹板尺寸、宽高比、宽跨比、变截面)对于剪力滞系数的...     

考虑全截面剪切变形效应的波形钢腹板箱梁挠度计算

为了分析计算波形钢腹板箱梁在竖向荷载作用下的弯曲挠度,考虑波形钢腹板和混凝土顶、底板在其自身平面内的全截面剪切变形,引入符合力学规律的波形钢腹板和混凝土顶、底板在其面内剪切变形的位移函数,利用能量变分原理,推导出波形钢腹板箱梁挠度计算的解析解。结合单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法和ANSYS有限元解进行了比较分析。结果表明:该解析解的计算结果比仅考虑波形钢腹板剪切变形的计算结果更加精确,与有限元分析结果吻合良好,误差在5%以内,满足挠度计算的精度需求,且跨径越小,全截面剪切变形效应对挠度的影响越明显;针对单箱单室波形钢腹板箱梁,全截面剪切变形效应对挠度的贡献最大为36. 12%,其中波形钢腹板的剪切变形对总挠度的贡献最大为34. 46%,剪力滞效应对总挠度的贡献最大为1. 66%;而对于单箱双室波形钢腹板箱梁,全截面剪切变形效应对挠度的贡献最大为40. 91%,其中波形钢腹板的剪切变形对总挠度的贡献最大为36. 03%,剪力滞效应对总挠度的贡献最大为4. 88%;在相同的工况下,波形钢腹板箱梁的箱室越多,全截面剪切变形效应对挠度的贡献越大,挠度贡献值的最大增幅为4. 79%,在不同的工况下,集中荷载作用下全截面的剪切变形效应较为明显。     

全比例波形钢腹板PC箱梁力学特性试验研究

根据国内第一座波形钢腹板PC组合箱梁公路桥-泼河大桥的箱梁构造尺寸,设计了30 m足尺试验梁,对其力学性能进行了试验研究和有限元分析。测试了箱梁挠度,波形钢腹板、混凝土顶板及底板的应变。研究结果表明,波形钢腹板PC组合箱梁的混凝土顶板和底板主要承担弯矩,波形钢腹板则主要承担剪力。试验结果为实桥的设计和建造提供了重要的资料。     

波形钢腹板箱梁横隔板间距的研究

与传统的混凝土腹板的箱梁相比,波形钢腹板箱梁在偏心荷载作用下畸变效应有所增强,因而需要在跨内设置横隔板来减小畸变翘曲正应力。通过空间有限元分析,验证了横隔板对减小偏载作用下箱梁的翘曲正应力的作用,并分别针对不同高跨比条件下横隔板间距进行了计算分析,回归出了相应的经验公式,而且考虑了钢腹板竖向倾斜角度的影响,为波形钢腹板箱梁的合理设计提供参考。     

单箱多室波形钢腹板箱梁横隔板位置优化设计

与传统的混凝土腹板的箱梁相比,波形钢腹板箱梁具有特殊受力特性,钢腹板主要承受剪应力。对于单箱多室桥面较宽的波形钢腹板箱梁来说,各钢腹板的竖向剪应力分布比较复杂。通过空间有限元分析,发现不同横隔板的位置对钢腹板的竖向剪应力影响较大。应用有限元分析软件ANSYS建立单箱多室波形钢腹板箱梁参数化分析模型,计算得到最佳横隔板设计位置,并给出在单向车道荷载偏载作用下沿桥梁横向各钢腹板剪应力分布情况,为波形钢腹板箱梁的合理设计提供参考。     

波形钢腹板剪力分担比例有限元分析

基于有限元分析程序ANSYS软件,将实体单元、板桥单元及杆单元进行组合,建立波形钢腹板PC组合简支梁计算模型,分别模拟计算组合梁在三分点对称加载作用下的波形钢腹板力学性能,对3个控制截面波形钢腹板剪应力分布及剪力分担比例进行理论分析,通过分析得出波形钢腹板承担截面剪力,分担比例为79.2%~82.9%,其中剪应力沿截面高度分布较均匀,同时对波形钢腹板相邻的直板段与斜板段剪应力关系进行分析。     

波形钢腹板多室箱梁部分斜拉桥剪力滞效应分析

为了解波形钢腹板多室箱梁部分斜拉桥剪力滞效应对结构受力的影响,以某(58+118+188+108) m单箱四室波形钢腹板部分斜拉桥为背景,采用有限元法建立空间有限元模型,在跨中偏载和对称荷载作用下,计算主跨箱梁有索段和无索段顶底板混凝土正应力,分析各截面的剪力滞分布规律。结果表明:箱梁跨中截面混凝土顶板、底板正应力分布极不均匀,具有明显的剪力滞效应,箱梁混凝土顶板、底板剪力滞系数随距集中荷载作用点距离的增大急剧减小,截面顶板剪力滞效应均比底板大;箱梁顶底板均呈现正剪力滞效应,混凝土横隔板可以改善箱梁截面正应力分布,减弱剪力滞效应;顶底板剪力滞系数在无索段范围内急剧减小,有索段内急剧增大,车辆活载只在局部范围内引起较大的剪力滞效应,设计中应考虑此效应引起的不均匀应力。     

不同腹板嵌入方式模拟对波形钢腹板组合箱梁建模精度的影响

为探究不同腹板嵌入方式模拟对波形钢腹板组合箱梁建模精度和效率的影响,利用ANSYS建立三种连接方式下的有限元模型,分析其在荷载作用下的挠度、应力、剪力滞效应和自振频率,并将有限元模拟结果与现场模型试验实测数据对比,以找出最符合实际的连接方式。结果表明,MPC方式的建模效率明显高于共节点式与嵌入式,且能够满足精度要求,是最符合实际腹板嵌入连接的方式。该研究可为波形钢腹板组合箱梁有限元仿真提供参考。     

波形钢腹板组合箱梁加载效率试验研究

体外预应力波形钢腹板组合箱梁是一种新型的钢-混凝土组合结构,其剪力主要由钢腹板承担,混凝土顶底板承受绝大部分弯矩;由于充分发挥了材料性能,提高了材料效率,有着很好的应用前景。为了研究波形钢腹板的加载效率,制作了2根模型梁,通过测试预应力张拉时结构应变和变形规律,利用空间有限元方法进行分析,试验结果与理论结果吻合较好,并得到了该组合结构在预应力作用下的加载效率规律。对不同厚度腹板的普通混凝土梁进行了参数对比分析,结果表明,波形钢腹板组合箱梁在预应力加载效率方面具有较强的优势。     

基于有限梁段法的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析

为简化并准确分析波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应,基于波形钢腹板组合箱梁能量变分法微分方程,考虑波形钢腹板剪切变形及体外预应力作用,采用有限梁段法推导得到梁段单元的系数矩阵和广义外荷载向量计算公式,求解波形钢腹板组合箱梁任意点的弯曲应力。以某等截面波形钢腹板组合简支试验梁为算例,将跨中截面正应力有限梁段法计算值与试验值、变分法及有限元法计算值进行对比,该方法跨中正应力分布与其它方法结果均吻合较好,顶板有限梁段法正应力峰值与有限元计算值相差仅1.6%,验证了该方法准确度较高。采用该方法分析伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥波形钢腹板组合连续箱梁桥在悬臂施工及成桥阶段的剪力滞效应,结果表明：悬臂施工阶段,随着悬臂长度增加固定端剪力滞效应逐渐减弱;成桥阶段,中支点和集中荷载加载点处剪力滞效应非常显著,均布荷载作用下边跨正弯矩区剪力滞系数较大,中支点处的峰值为1.13。