为研究波形钢腹板PC组合箱梁抗火性能及抗火设计方法，采用ANSYS软件建立热-力耦合分析模型，分析了受火工况下组合箱梁的挠度、侧向位移、钢束张力以及抗弯承载能力的变化规律，并以组合箱梁的挠度和腹板侧向位移为判定指标，提出了一种关于波形钢腹板组合箱梁的抗火设计方法。结果表明：荷载比是影响组合箱梁挠度发展的关键因素；受火全过程中，钢束张力的变化对组合箱梁挠度、侧向位移以及承载能力的变化影响较大；组合箱梁受火初期挠度增长缓慢，在横隔板处形成塑性铰后，跨中挠度快速增大，然后在加载处形成塑性铰，随即组合箱梁因顶板被压碎而破坏；采用抗力准则判断组合箱梁的耐火极限偏于不安全；通过在组合箱梁的波形钢腹板转角处增设立柱，能够减缓组合箱梁挠度和腹板侧向位移的发展，有效提高该类组合箱梁的抗火性能，当无立柱组合箱梁达到耐火极限时，有立柱组合箱梁跨中挠度为无立柱组合箱梁跨中临界挠度的64.3%。研究成果可为该类型组合箱梁的抗火设计提供参考。
Steel–concrete composite box beams are widely used in bridge engineering, which might bear transverse and longitudinal bending moments simultaneously under vehicle loads. To investigate the fatigue performance of joints between the steel girders and the top reinforced concrete (RC) slabs under transverse bending moments, a reduced scale joint between the weathering steel girder with the corrugated steel web (CSW) and the top RC slab was designed and tested under constant amplitude fatigue loads. Test results show that the joint initially cracked in the weld metal connecting the CSW with the bottom girder flange during the fatigue loading process. The initial crack propagated from the longitudinal fold to the adjacent inclined folds after the specimen was subjected to 7.63 × 105 loading cycles and caused the final fatigue failure. Compared with the calculated fatigue lives in the methods recommended by EC3 and AASHTO, the fatigue performance of the details involved in the joint satisfied the demands of fatigue design. Meanwhile, finite element (FE) models of joints with different parameters were established to determine their effect on the stress ranges at the hot spot regions of the joints. Numerical results show that improving the bending radius or the thickness of the CSW helps to reduce the stress ranges in the hot spot regions, which is beneficial to enhance the fatigue resistance of the investigated fatigue details accordingly.
为了解多主梁钢箱-叠合板组合梁桥的受力特性及其影响参数,以某 60m跨多主梁钢箱-叠合板简支组合梁桥右幅桥为背景,开展成桥试验及有限元分析.对该桥分别进行静载试验、环境振动试验、无障碍行车试验,结合有限元计算结果,分析主梁应变、挠度、模态及冲击系数等,并研究钢箱梁高度、混凝土板厚、横向联系梁高度对结构横向受力的影响.结果表明:多主梁钢箱-叠合板组合梁桥在设计荷载下结构均处于弹性状态,钢箱梁与叠合板可以实现协同工作,整体性能良好;钢箱梁高度越小、横向联系梁高度越大,结构整体性能越好,混凝土板厚对结构横向受力的影响较小.
针对传统短束预应力筋存在的问题,提出一种主要由中空管和穿过中空管的反力钢棒等组成的自平衡预应力中空管构造.为了解采用自平衡预应力中空管的混凝土梁的传力特性,采用有限元与试验相结合的方法分析锚垫板设置情况、混凝土强度、中空管尺寸、有效预应力对中空管预应力传递长度的影响,提出中空管预应力传递长度简化计算公式.结果表明:自平衡预应力中空管可作为有锚垫板的先张预应力钢筋传递预应力;预应力传递长度与中空管尺寸、有效预应力近似成正比,与混凝土抗拉强度近似成反比;现有国内外规范均不适用于中空管预应力传递长度的计算,所提出的简化计算公式计算的中空管预应力传递长度与实测值吻合良好;实桥应用结果显示采用自平衡预应力中空管的混凝土梁预应力传递特性和试验结果相符,预应力传递可靠.
为了解波形钢腹板箱梁高墩连续刚构桥的抗震性能,以某最大墩高 85.14m的波形钢腹板箱梁三跨连续刚构桥为背景进行有限元分析.采用A baqus软件建立该桥有限元模型,基于反应谱法分析其在E1 和E2 地震各向(横桥向、顺桥向、竖向)作用下的桥梁结构受力及变形性能,并与等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥模型的计算结果进行对比.结果表明:波形钢腹板箱梁连续刚构桥与等效预应力混凝土箱梁连续刚构桥的主梁沿地震输入方向上的位移大于其它 2个方向的位移,相较于等效预应力混凝土箱梁桥,波形钢腹板箱梁桥的抗震性能更优,但其边跨底板正应力更大,需要重点关注.
为了解错位缺陷对钢桥中厚板斜十字接头静力性能的影响,以某主跨200 m的简支系杆拱桥拱-梁节点为背景进行研究.采用理论分析与有限元计算相结合的方法,分析错位量和斜交角度对厚板斜十字接头热点应力的影响,并提出考虑错位缺陷的厚板斜十字接头应力集中系数的计算方法.结果表明:错位缺陷对斜十字接头的静力性能影响较大,负错位缺陷比正错位缺陷更不利;斜十字接头竖向支承板焊缝处最大热点应力与错位量近似正线性相关,并与斜交角度正相关;提出的应力集中系数的计算方法与有限元计算结果拟合较好,可应用于钢桥施工阶段产生错位缺陷的厚板斜十字接头受力情况的初步估算.
为了解非对称悬索桥在不同地震动输入方向下的结构地震响应特性,指导该类桥梁的抗震设计,以广东云浮西江特大桥——跨径布置(202+738)m的非对称双塔双跨悬索桥为背景,进行地震响应分析.选取视波速 150～3000 m/s的8 个工况,采用大质量法模拟多点激励,对桥梁进行非线性时程分析,研究非对称悬索桥在一致激励下和考虑不同地震动输入方向及不同视波速下的结构地震响应规律.结果表明:对于非对称悬索桥,一致激励下,桥跨质量大的一侧构件内力、位移响应较大,位移较内力更为显著,应依据非对称结构地震响应特性,在结构两侧设计不同参数的减隔震装置;行波效应对非对称大跨悬索桥结构关键位置的内力、位移响应影响规律不同,视波速的选取对非对称结构地震响应影响显著,结构不同侧构件在相同视波速下的地震响应存在差异;在不同地震动输入方向下非对称结构的地震响应规律不同,同一构件响应值存在显著差异,建议在非对称桥梁设计时,考虑地震动输入方向的影响,按最不利方向进行设计.
广州沥心沙大桥主桥为(55+85+55)m T 形刚构桥,由于发展需要,将该桥跨越的航道等级由Ⅲ级提升至Ⅰ级(通行3000DWT船舶).为提高该桥的防撞能力,提出采用一种固定式波折钢板-钢覆复合防撞装置.该装置主要由钢面板、波折钢板、聚氨酯芯材、GFRP防护层和方形橡胶垫块构成.为分析船舶撞击下该装置的耗能能力和防护性能,以主桥18 号墩的防撞设计为背景,将该装置设置在承台,采用有限元软件LS-DYNA 建立船-复合防撞装置-桥的碰撞模型,进行船桥碰撞动力计算分析,研究船艏、复合防撞装置及承台损伤情况.结果表明:设置复合防撞装置后,桥梁结构响应明显减小;钢面板是主要的耗能构件,发挥出良好的缓冲吸能作用;在受到船艏碰撞时,仅复合防撞装置迎撞面产生较大变形,船艏发生轻微变形,而承台及桥墩未发生大的变形,混凝土保持完好.该复合防撞装置生产、安装工艺简单,运营维护方便,具有较好的经济性和适用性.
为增强整体桥的桥台适应主梁温度胀缩变形的能力,减小台后土压力、降低台后填土对全桥结构的约束作用,提出一种新型柔性桥台整体桥梁结构,即在薄壁整体式桥台后设置弹性可压缩材料(EPS)与轻质泡沫混凝土,代替部分台后填土.为研究该新型柔性桥台整体桥的受力性能,以深圳马峦山桥(原型桥)为背景,进行新型柔性桥台整体桥的试设计(试设计桥),建立原型桥与试设计桥有限元模型,进行设计计算和结构验算,比较试设计桥与原型桥在荷载作用下的受力性能和自振特性.结果表明:由于全桥结构的边界约束作用下降,试设计桥的0、3 号桥台梁端恒载负弯矩分别比原型桥下降了21.94%、26.28%,活载负弯矩分别下降了 16.54%、17.26%,可以有效缓解梁端负弯矩引起的混凝土开裂问题;整体升温或整体降温作用下,试设计桥桥台纵向位移增大了59.85%～63.12%,弯矩与应力分别降低了 66.18%～66.73%、31.18%～32.11%;恒、活载作用下,试设计桥跨中和墩顶的弯矩变化并不显著,变化幅度均未超过 6%;试设计桥的前10 阶自振频率均小于原型桥,可明显减小地震荷载作用下产生的结构内力.
为分析中外规范对钢-UHPC组合桥面疲劳评估的适用性,以武汉军山长江大桥加固改造工程为背景,分别利用美国规范 AASHTO LRFD Bridge Design Specifications、欧洲规范Eurocode 3:Design of Steel Structures(BS EN 1993-1-9:2005)、日本规范《道路桥示方书·同解说(钢桥篇)》和中国规范《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)评估该桥正交异性钢桥面板经UHPC铺装层加固后的疲劳性能和剩余寿命.采用Abaqus软件建立钢-UHPC组合桥面节段模型,采用中外规范的标准疲劳车加载,计算各疲劳细节处的应力幅值,并对比分析各疲劳细节处的应力水平;同时对运营状态下各疲劳细节处开展连续动应变监测,获取各疲劳细节处实测应力时程,对钢桥面板进行疲劳寿命评估.结果表明:美国规范更适用于重车比例较高的桥梁,欧洲规范更适用于桥面板较厚的桥梁,日本规范更适用于桥面宽度较小的桥梁,中国规范均可适用.当横隔板弧形切口应力水平较高时,美国规范疲劳评估结果的安全性不佳;在桥面板纵肋对接焊缝处,美国规范和日本规范的常幅疲劳极限值较欧洲规范分别低 19.0％和 22.2％,较中国规范分别低18.8％和22.0％;当桥面板纵肋对接焊缝应力幅为46～59 MPa时,采用美国规范和日本规范进行评估的结果更安全.除横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝外的其余疲劳细节,中外规范给出的常幅疲劳极限值比较接近,评估结果均为无限寿命.
针对梁式结构竖弯振动未考虑梁端顺桥向阻力引起阻尼比计算不准确的问题,提出桥梁结构各模态竖弯等代阻尼比计算方法.该方法通过考虑主梁竖向弯曲变形和梁端顺桥向变形之间的关系,基于能量原理,建立结构系统考虑梁端阻力的竖向弯曲振动的广义单自由度动力方程,采用RKF45 预估校正法对其进行数值求解,从而确定结构各模态的竖弯等代阻尼比.应用该方法对80m跨等截面简支梁的竖弯等代阻尼比进行计算,并分析不同的梁端阻力装置对结构竖弯等代阻尼比的影响规律.结果表明:提出的结构竖弯等代阻尼比计算方法可应用于大跨度梁式结构竖弯振动中阻尼比的计算,梁端阻力装置可有效提高结构竖弯振动的等代阻尼比,梁端阻力装置对结构竖弯等代阻尼比的影响与结构广义质量、广义竖弯刚度、竖弯振型和装置阻力本身相关.
为研究振沉工艺对钢管桩抗压承载力增长规律的影响,以上海沿江通道快速路高架桥建设项目为背景,进行振沉钢管桩原位试验.选取6根钢管桩(外径0.9m,桩长46m)作为试验桩,分别采用免共振振动锤和常规振动锤进行沉桩施工,经过一定的休止期后,采用高应变法进行各试验桩抗压承载力测试,分析振沉钢管桩抗压承载力随休止期的增长规律,并在此基础上结合Skov模型进一步探讨考虑时间效应的振沉钢管桩抗压承载力预测方法.结果表明:免共振振动锤和常规振动锤施工的钢管桩抗压承载力均随休止期的增长而增加,其中前者施工的钢管桩抗压承载力增长速率大于后者施工的钢管桩抗压承载力,2 种振动锤在沉桩过程中对桩周土体的扰动、桩土界面特性的影响机制存在差异;振沉钢管桩承载力随休止期的增长规律可以通过Skov模型较好地模拟;相比于免共振振动锤,常规振动锤施工的钢管桩抗压承载力在休止期为 28d时提高了24%.
湖北燕矶长江大桥为主跨1860m的双层桥面钢桁梁悬索桥,采用内外缆不同垂跨比四主缆布置方式,内主缆跨度布置为(550+1860+450)m,跨中垂度 142.445 m,垂跨比1/13.058;外主缆跨度布置为(510+1860+410)m,跨中垂度153.345 m,垂跨比1/12.130.为研究这种新型大跨悬索桥的动力特性,采用ANSYS软件建立大桥成桥状态有限元模型,在内缆垂跨比不变的前提下,仅改变外缆垂跨比,分别取 1/13.058、1/12.700、1/12.400、1/12.130(最终方案)、1/11.800、1/11.500、1/11.200,探讨桥梁动力特性随外缆垂跨比的变化规律,并分析主缆锚固方式对桥梁动力特性的影响,最后对四主缆最终方案与不同垂跨比[1/13.058,1/12.130]双主缆方案的动力特性进行对比分析.结果表明:外缆垂跨比从 1/12.700 增大至 1/11.500,可使桥梁侧向刚度和扭转刚度有所提升;桥梁一阶反对称和正对称竖弯自振频率随外缆垂跨比的增大而表现出先增大后减小的规律,其中一阶正对称竖弯自振频率以四主缆最终方案为最大;主缆锚固方式对桥梁动力特性影响很小;四主缆最终方案较垂跨比在[1/13.058,1/12.130]范围内的双主缆方案具有更高的竖向刚度.综合分析表明,在塔高受限条件下采用内缆垂跨比 1/13.058、外缆垂跨比1/12.130的四主缆方案具有更优的动力特性.
为研究大跨度铁路刚构-连续组合体系梁桥钢-混结合段的力学性能,以新建杭温铁路永嘉右行线跨甬台温特大桥主桥为背景,基于原桥节段有限元模型研究钢-混结合段的应力分布及传力特性,并基于缩尺模型试验对钢-混结合段承载能力、变形性能等进行分析.结果表明:刚构-连续组合体系梁桥钢-混结合段传力较为顺畅,钢-混结合段钢结构、混凝土结构纵向应力横向分布不均匀系数分别为0.72～1.42、0.63～1.31,钢-混结合段内纵向应力横向分布不均匀现象较过渡段更为显著;后承压板在传力过程中起着重要作用,结合段通过后承压板、剪力钉及PBL连接件分别可传递约56.4%、27.4%、16.2%的轴力,钢-混结合段中 1.5m钢格室段及2.5m伸长段中钢结构分别将28.3%、15.3%的轴力传递给混凝土;结合段在1.8P(P为设计荷载)作用下仍处于弹性工作状态,具有足够的承载能力,钢、混凝土强度安全系数分别不小于 2.7、2.4;钢-混结合段挠度与三次多项式相符较好,变形较为平顺.
南浦溪特大桥主桥为计算跨径 258 m 的上承式钢管混凝土拱桥,主拱矢跨比为1/4.6,拱轴线线形采用悬链线,拱轴系数为 1.6.主拱圈分左、右两榀,采用四肢双哑铃型等截面钢管混凝土桁架式拱肋,减少了桁架水平向连接钢管的数量,降低了节点焊接难度.钢管和缀板均灌注C50 自密实补偿收缩混凝土,提高了拱肋结构的受力性能和面外稳定性.桥面系采用工字型钢-混凝土组合梁,有效降低了上部结构自重,同时也提高了拱桥的装配化施工程度.结合周边地形和地质条件,将拱座布置在完整的中风化岩层内.采用有限元软件对该桥在施工和运营阶段的静、动力特性进行分析,结果表明该桥结构受力性能满足规范要求,设计合理.
雄商高铁黄河特大桥设计时速 350 km,铺设无砟轨道.根据防洪及通航要求,该桥主桥中部跨度布置为(4×260+280)m,属于超长联大跨桥梁.结合桥址处建设条件、长联无砟轨道高速铁路桥梁建设及高速铁路行车要求,从桥型的边中跨比、梁高、结构体系、轨面平顺性能等方面,分别确定拱加劲连续钢桁梁桥、斜拉桥、部分斜拉桥、连续梁拱桥 4 种桥型的最佳方案,并对各桥型最佳方案进行技术经济综合比选.比选结果表明:斜拉桥方案在多跨情况下刚度小,采用多种工程措施提升刚度后造价最高;部分斜拉桥方案边塔尺寸较大,混凝土梁应力较高且工期较长,造价较低;连续梁拱桥方案采用钢-混混合梁减轻自重,合理跨度得到提升,造价高;拱加劲连续钢桁梁桥方案技术经济性好、受力性能较好、施工速度快,且与环境契合,因此最终采用该桥型方案.
为解决小半径曲线桥T 梁施工阶段梁体异常横向位移的问题,以某高速公路匝道小半径装配式T 梁桥为背景进行研究.利用MIDAS Civil软件建立该桥第2 联及第 3 联的有限元模型,分析3 种工况(原设计成桥状态、梁端间隙处刚性填充并保持支座约束、梁端间隙处刚性填充并释放支座约束)下,不同温度作用(整体升、降温 10、20、30℃)、横向温度梯度和汽车离心力对桥梁结构主梁支承点横向位移和支座横向剪力的影响.结果表明:原设计成桥状态工况下桥梁位移及内力均正常,但对梁端间隙进行刚性填充后,各墩支座在横向温度梯度及整体升温作用下的横向剪力远大于支座横向水平承载力,导致支座发生剪切破坏无法提供有效约束.根据分析结果,解除了梁端处刚性填充,保持梁端设计间隙,并按主梁原设计位置横向纠偏复位,同时对发生剪切破坏的支座进行了更换.采取以上处理措施后,该桥异常横向位移问题已得到解决,桥梁正常运营并且状态良好.
丹江口水库特大桥为主跨 760 m双塔双索面部分地锚式混合梁斜拉桥,边中跨比为0.2,采用"梁塔分离、梁台固结"的结构体系,在边跨主梁端部设置地锚式桥台作为配重.地锚式桥台采用空腔式箱形台身+岩锚的组合式结构,由底板、墙身(包括前墙、后墙、侧墙、隔墙)、盖板和锚台段主梁构成,桥台长45.8m、宽31.6m.在地锚式桥台施工中,基坑采用明挖放坡方式开挖,并在开挖后对基底进行浅层平板荷载试验,以确保其地基承载力满足不小于 350 kPa设计要求;底板采用分层分块方式施工,并设置2条横向后浇带和智能管冷循环控制系统;墙身采用竖向分层+设置双向后浇带(2 条横向后浇带、1条纵向后浇带)的方式施工,并根据分块龄期差采用微膨胀混凝土施工后浇带;墙身施工后,采用传送带在墙身腔室内回填砂石,之后进行盖板与锚台段主梁施工;最后进行地锚式桥台竖向预应力施工,并优化竖向预应力张拉顺序,完成地锚式桥台施工.
襄荆高速公路某跨线天桥为跨径 52.78m的斜腿刚构桥,为满足净空要求,需将全桥整体顶升抬高60 cm以上.结合该桥特点,在满足不中断交通的要求下,通过方案比选采用无平衡索整体同步顶升方案.该方案通过在斜腿根部设置自平衡构造系统将斜腿水平推力传递到新增的背墙上,平衡了斜腿根部的水平力.在该桥顶升前,首先进行顶升系统和实时监测设备的安装;然后进行千斤顶安装及充压,拱腿及斜撑切割和试顶升,试顶升后分 6 级将桥梁整体顶升 62cm;最后连接拱腿和斜撑,拆除临时设施,完成顶升施工.为保证施工安全,在顶升全过程进行桥梁顶升高度、结构应变及顶升姿态实时监测.结果表明:桥梁顶升高度和顶升姿态误差均在允许误差范围内;顶升过程中结构应变变化幅度较小,最大值为 102.9με,已通过现场预警控制调整恢复至正常值,结构应力控制在安全范围内.
张靖皋长江大桥南航道桥为主跨 2300 m的双塔双跨吊钢箱梁悬索桥,南锚碇基础采用支护转结构复合地下连续墙基础.为保证地下连续墙的整体性,提出 2 种新型刚性接头(CT刚性接头和排插钢筋刚性接头).为验证新型刚性接头地下连续墙施工工艺的可行性与承载性能,对2 种新型刚性接头地下连续墙开展施工工艺试验,重点进行地下连续墙成槽、钢箱及钢筋笼下放、水下混凝土浇筑工序试验,并切割试件进行施工质量检验及承载性能测试.结果表明:2 种新型刚性接头地下连续墙的施工工艺总体可行;排插钢筋刚性接头的承载性能高于CT 刚性接头;建议主体地下连续墙采用排插钢筋刚性接头,并针对施工工艺试验揭露的问题进行设计优化以及加强施工过程中的质量控制,保证主体地下连续墙施工质量.
