复杂环境下连续弯钢箱梁耐火性能提升方法

交通类火灾严重威胁钢结构桥梁的耐久性和安全性。为提升复杂环境(开放火灾和弯桥荷载)下连续弯钢箱梁的耐火性能,增强钢结构桥梁的安全服役寿命,选取大型立交桥枢纽工程中两跨连续弯钢箱梁为研究对象,通过建立耐火试验验证的钢箱梁与混凝土刚性基层协同工作的数值预测模型,深入揭示开放环境碳氢火灾下传热模式和结构特征耦合的箱梁力学行为演化规律。研究了局部环境火灾作用下结构的高温响应与失效模式,分析了复杂荷载状况、弯曲半径与支座布置方式对连续弯钢箱梁火灾响应行为的影响,提出了复杂环境下连续弯钢箱梁的耐火性能提升方法。研究结果表明:连续弯钢箱梁在火灾下的内外侧挠度差值不断增大,主梁内外侧支座反力的变化呈相反趋势,并且在受火初期支座反力变化程度剧烈;受火区域边缘靠近中支点的底板与腹板严重屈曲从而先形成塑性铰,然后在受火跨跨中形成塑性铰,随即整跨结构发生突然性垮塌;荷载水平的增大会显著缩短其耐火极限,受火前期及时撤离桥上的车辆荷载能够有效地延缓变形发展并且避免结构的突然性垮塌;曲率半径小于200 m会显著加剧连续弯钢箱梁高温下的弯扭耦合效应,增大主梁内外侧挠度差值与内外侧支座反力变化幅度,削弱火灾下结构的整体稳定性能;在钢结构桥梁抗火设计时中支点应设置抗扭支座,常温下支座的布置方式对火灾下连续弯钢箱梁的支座受力状况改善甚微,应在支座与梁端附近增设外部限位装置以防止结构变形过大。研究结论可为提升复杂环境下钢结构桥梁抵抗火灾的能力以及增强安全服役寿命提供设计依据。     

碳氢火灾下钢-混组合梁破坏试验研究

为研究钢-混组合梁(钢结构桥梁)遭遇碳氢火灾时的耐火性能与抗火设计方法,设计制作了3榀大比例钢-混组合缩尺试验梁,包括简支体系箱形截面梁、连续体系箱形截面和双肋工字形钢截面梁。开展了碳氢火灾下(前期燃油急速升温和后期天然气维持高温)简支梁跨中受火和连续梁单跨局部受火试验,获悉了截面温度场、受火跨和非受火跨挠度变化路径、裂缝发展模式、钢板屈曲特征和破坏模式。分析得到了组合梁在碳氢火灾下的耐火极限,深入揭示了组合梁截面类型和结构体系对组合梁耐火性能的影响机理。试验结果表明:混凝土具有显著的热沉效应,火灾下钢梁的升温速率远快于混凝土板,停火后钢梁温度迅速降低而混凝土板温度持续升高,混凝土板上层的温度在停火48 min后仍然呈走高趋势;碳氢火灾下简支体系钢-混组合梁的挠度从初期就表现出快速增大的趋势,最终因挠度过大而失效;连续体系钢-混组合梁受火跨的挠度在初期增长较为缓慢,最终由于墩顶负弯矩区和跨中正弯矩区均出现塑性铰,梁转为机构体系,使得跨中挠度快速增大而破坏;连续体系钢-混组合梁非受火跨由于变形协调性先上拱,随后由于受火跨刚度衰退转向下挠;闭口截面箱梁仅外表面受火,其耐火性能显著优于双肋工字形钢截面梁,在相似荷载水平下其耐火极限分别为48 min和42 min;连续体系钢-混组合梁由于多余约束的存在,从受火开始就发生剧烈的内力重分布和变形协调,相较于简支梁,其耐火极限可提高100%;高温下连续体系钢-混组合梁出现的塑性铰与常温下的不同,是一种刚度逐渐降低的时变塑性铰。研究成果可为钢结构桥梁的耐火试验方法提供指导依据,也可为其抗火设计方法奠定理论基础。     

钢-混组合简支箱梁耐火性能研究

为研究钢-混组合箱梁受火时的挠度变化、破坏模式和耐火时间,以某钢-混组合简支箱梁为背景,采用ANSYS软件建立有限元模型,计算不同受火工况和火灾场景下梁跨中截面的温度场,分析梁的挠变规律和破坏模式,研究其耐火极限。结果表明:钢箱底板受火时,梁的跨中挠度呈线性增加趋势;腹板受火时,挠度很快进入大幅增长阶段;钢箱底板受火时,梁随受火时间逐渐下挠而破坏;腹板受火时,梁发生翘曲,受火侧腹板屈曲,两侧和一侧腹板受火时,梁分别发生对称变形和单侧翘曲;同一火灾场景下,腹板受火时梁的耐火时间比钢箱底板受火时大幅减小;受火位置相同时,HC火灾下梁的耐火时间比ISO834火灾下的耐火时间明显缩短;在设定的延火时间内,External和Design火灾下梁未破坏。     

斜交角度对单跨超静定曲梁内力的影响

为了揭示斜支承曲线梁桥的力学特性,应用结构有限元分析软件ANSYS建立斜支承单跨曲梁模型,详细分析斜度、弯扭刚度比、荷载类型等对斜支承曲粱内力的影响,绘制的大量曲线清晰显示了各项因素对斜支承曲梁内力的影响规律。研究结果表明,对单跨曲梁,如果一端为斜支承且斜度为正时,该支点截面将产生负弯矩,且负弯矩随着斜度增大而增大;当斜度为负时,存在一个使支点截面产生正弯矩的临界斜度,该斜度随弯扭刚度比的增大而增大。     

体外预应力对钢箱-混凝土组合连续梁桥受弯性能的影响分析

应用空间有限元方法,对3跨变截面预应力钢箱-混凝土组合连续梁桥进行了建造全过程分析。着重研究了施加体外预应力对钢箱-混凝土组合连续梁桥受弯性能的影响,采用单元生成技术实现钢箱-混凝土组合连续梁桥受力全过程模拟。分析结果表明,当钢箱-混凝土组合连续梁桥跨度较大,且截面尺寸受限时,采用常规的墩顶强迫位移、桥面板施加体内预应力等措施仍不能满足中支座负弯矩区域的承载力要求。对中支座负弯矩区域桥面板施加局部体外预应力,对于改善钢箱-混凝土组合连续梁桥的受弯性能有较大的作用,能提高钢箱-混凝土组合桥梁的承载力,进而提高了跨越能力,具有更好的综合经济效益。     

对"应用平面杆系有限元法程序分析连续弯箱梁桥"一文的补充

文中补充了两项内容：(1)验证了应用平面杆系有限元法程序也能分析混合型(抗扭支座与点铰支座兼有）连续弯箱梁桥的截面内力;(2)找到了另一种更简便的方法来计算该类桥型中两个特殊截面(跨中和中支点截面)的内力。     

连续钢箱梁支点负弯矩区钢桥面铺装受力特性分析

连续钢箱梁在恒载、活载作用下,支点截面将出现较大的负弯矩,钢桥面铺装处于受拉状态。本文结合崇启大桥钢桥面铺装工程,探讨了影响支点负弯矩区钢桥面铺装受力的荷载因素,提出了三种荷载组合并进行了铺装受力概念分析。结果表明,连续钢箱梁支点负弯矩区钢桥面铺装受力复杂,应考虑二期恒载重力、汽车荷载、汽车制动力、温度作用、剪力滞效应等因素,并在若干不利条件下进行荷载组合,力学分析结果可作为铺装材料强度设计和铺装结构疲劳设计的依据。     

预应力连续钢梁负弯矩区受力性能分析

为研究预应力连续钢梁负弯矩区受力性能,对开口截面三跨连续钢梁进行六点加载抗弯性能试验。利用有限元软件Ansys建立试验梁非线性分析模型模拟其抗弯过程,模型计算所得梁体挠度值和应力值与试验结果吻合良好,进而对负弯矩区进行进一步受力性能及影响因素分析。结果表明:试验梁处于弹性工作状态时,负弯矩区截面变形符合平截面假定;相较于普通连续钢梁,施加预应力使支座附近截面正应力明显减小;普通连续钢梁及预应力连续钢梁支座底板先达到屈服应力,随着荷载增加,梁体因挠度过大超过限值而不能继续承受更大荷载;当预应力不超过135kN时,合理增大预应力可提高预应力连续钢梁负弯矩区抗弯承载力;随着负弯矩区支座截面处钢束上调,支座附近顶板及底板正应力减小,顶板应力变化略明显,且越靠近支座位置减小值越大,顶板受拉段长度有所减小。     

高性能板式减震橡胶支座性能研究

采用理论分析和试验验证相结合的方法,针对一座3联(12跨)不等墩高连续梁桥,对比了高性能板式减震橡胶支座隔震体系和传统板式橡胶支座隔震体系下桥梁结构的动力特性、墩底弯矩、支座位移、支座竖向承载性能和支座复位能力。相较于传统的板式橡胶支座,高性能板式减震橡胶支座隔震结构的自振周期稍有延长、墩底弯矩能需比更大、支座位移响应相差不大,高性能板式减震橡胶支座更能满足抗震需求。     

逐跨施工混凝土连续箱梁考虑徐变的剪力滞效应研究

为了解徐变对逐跨施工连续箱梁桥剪力滞效应的影响,基于能量变分法及混凝土徐变理论,建立2跨逐跨施工连续梁考虑剪力滞效应的混凝土徐变次内力计算公式,并以跨径为30m+30m的逐跨施工现浇箱梁桥为例进行计算。结果表明:对于存在施工过程体系转化的逐跨施工连续梁桥,徐变次内力增加了梁体在负弯矩区的弯矩、减小了梁体正弯矩区段的弯矩;考虑徐变效应后,截面的剪力滞效应有所减弱。算例结构中,支座负弯矩区最大剪力滞系数减小20.26%,跨中正弯矩区的剪力滞系数增加了2.1%。     

火灾下预应力混凝土T形截面梁破坏模式研究

为了给出火灾下预应力混凝土薄腹梁的破坏准则,针对火灾下预应力混凝土T形截面梁桥的破坏问题,研究火灾高温传导模式和热传导混合边界条件,设定预应力混凝土T形截面梁的火灾作用模式,分析其温度场分布状态,并给出预应力混凝土T形截面梁变形破坏的计算细节和判定条件。采用热力场耦合计算方法,研究不同火灾模式下预应力混凝土T形截面梁桥的破坏模式,跟踪不同火灾模式下预应力混凝土T形截面梁的梁肋变形和翼缘板变形路径。研究结果表明:仅预应力混凝土T形截面梁的梁肋受火时,梁肋的破坏时间和翼缘板的破坏时间相同,其耐火时间相对于其他受火模式较长;预应力混凝土T形截面梁下部单侧受火时,T形截面梁的截面产生显著畸变,受火侧翼缘板的破坏先于梁肋的破坏,破坏时间提前10min;预应力混凝土T形截面梁下部和顶部均受火时,两侧翼缘板的破坏均先于梁肋的破坏,破坏时间提前10min;预应力混凝土T形截面梁顶板受火或整体受火时,T形截面梁的破坏时间相对较早,为40~60min,顶板受火对预应力混凝土T形截面梁的耐火极限影响显著,该研究可为预应力混凝土薄腹梁的抗火性能研究和抗火设计提供理论依据。     

连续斜梁桥受力特性研究

基于梁格法理论,建立了4跨连续斜梁桥的有限元模型。分别采用了各种不同支座刚度计算连续斜梁桥的支反力分布以及主梁内力分布情况。计算结果表明,支座刚度对于连续斜梁桥的支反力分布影响较大,减小支座刚度可使得支反力分布更为均匀。支座刚度对于内力的分布影响相对较小,减小支座刚度会增加主梁弯矩值,但同时可以减小主梁的扭矩值。     

先简支后连续梁桥施工顺序对结构的内力影响

2次负弯矩预应力筋的张拉和临时支座的拆除是先简支后连续结构体系桥梁施工的关键工序,不同的施工顺序会对结构内力产生不同影响。以4跨50 m T梁工程为例,对2次负弯矩预应力筋张拉和临时支座拆除的不同施工程序进行计算分析。分析表明:梁端湿接缝的预应力张拉顺序和临时支座的拆除顺序都会对结构内力产生一定影响。     

变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁横向受力性能研究

为研究变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁的横向内力分布规律及有效分布宽度，以某连续梁桥为背景，设计、制作一片三跨变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁的缩尺模型，通过试验与有限元模拟相结合的方法进行试验梁横向内力研究。按分级加载方式分别在试验梁中跨跨中与边跨跨中进行单点与双点加载，并采用Abaqus软件建立试验梁有限元模型，分析各工况下跨中截面的横向内力，以及中支点、横隔板对横向内力分布的影响；最后推导有效分布宽度计算公式，并与现行桥规值对比。结果表明：沿中线单点加载时，试验梁的横向应力由中腹板位置的顶板向两侧逐渐递减，偏载时两侧边腹板的横向应力差值较大，偏载工况下畸变与横向翘曲现象较明显，可采用增大腹板线刚度或增加横隔板厚度等措施进行改善；中支点对横向应力的分布具有较大的影响，工程应用应考虑中支点的影响；设置横隔板对抵抗跨中横向负弯矩具有较好的效果，横隔板处顶板横向应力明显减小；与有效分布宽度试验值相比，按桥规计算得到的有效分布宽度值较为保守，建议对现行桥规值进行适当修正。     

浅谈柱式墩盖梁的内力计算

该文通过有限元分析计算了两种不同计算模式下的盖梁内力。分析表明,当考虑立柱刚度影响时,盖梁内力将进行二次分配,致使跨中正弯矩减小、支点负弯矩增大,随着立柱与盖梁的线刚度比的增大,此种效应越显著。在工程实际应用中,由于工期紧张等因素,当盖梁与立柱的线刚度比大于2时,可采用简化的双悬臂简支梁(连续梁)图式,但在支点及跨中截面,应适当提高。     

新型大跨径连续钢桁组合梁桥设计关键技术

对于连续组合梁桥支点负弯矩区桥面板受拉是设计的关键控制点,对于大跨径钢桁组合梁桥这一点尤为突出.同时,负弯矩区桁架下弦杆的内力突变亦应引起设计的注意.以某实际工程为依托,详细介绍了新型大跨径连续钢桁组合梁桥设计的关键技术,通过制定合理的施工工序重点解决了混凝土桥面板开裂问题;通过在下弦杆灌注混凝土形成双重组合截面重点解决了下弦杆的受压稳定问题.     

三跨连续曲线钢箱梁支反力计算分析

某工程三跨连续曲线钢箱梁采用板单元进行计算分析,分别对曲线半径为50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m和200 m的三跨连续钢箱梁建立模型,计算并提取支反力。三跨连续曲线钢箱梁在最不利工况下内侧支座反力随着平面曲线半径的增大而增大,外侧支座反力随着平面曲线半径的增大而减小,端部内侧支座最小反力在平面曲线半径为50~150 m时为负,其余情况下均为正。由于最不利工况下端部内侧支座出现了负反力,故需对钢箱梁内侧进行适量压重,以防钢箱梁在使用过程中发生侧翻,确保行车安全。     

燃油火灾下预应力混凝土梁耐火试验

为研究预应力混凝土（PC）桥梁遭遇燃油火灾时的耐火性能，设计制作了3榀大比例PC简支缩尺模型试验薄腹梁，包括1榀箱形截面梁和2榀双T形截面梁，以荷载水平和截面类型为试验参数，开展了燃油火灾升温条件下PC梁局部受火试验。获取了梁截面混凝土温度和预应力钢束温度变化、跨中挠度变化、有效预应力衰变、裂缝开展、爆裂分布与深度以及耐火极限相关试验数据，深入探索了燃油火灾高温下PC梁的损伤演化规律和破坏模式。试验结果表明：梁截面各测点温度在受火期间随着受火时间的增加其整体趋势不断升高，由于水分的蒸发造成温度曲线在100 ℃~120 ℃之间有一明显的缓平段，箱形截面梁箱内温度在达到100 ℃后几乎保持不变。停火后，混凝土内部和预应力钢束温度持续升高，距受火面距离越远，在停火后升温持续时间越长，预应力钢束在停火后最高升温161 ℃。火灾下PC梁挠曲变形分为受火初期显著增长、受火中期缓慢增长和受火后期急速增长3个阶段，最终由于预应力钢束断裂表现出明显的脆性破坏特征。按常温下适筋梁设计的PC模型试验梁在火灾高温下呈现为少筋梁破坏特征；钢束的有效预应力在火灾高温下表现出先增加、后衰减，最后被拉断应力突然降低的三阶段变化特性。箱形闭口截面梁的混凝土温度和预应力钢束温度均低于双T形开口截面梁，其耐火性能明显优于双T形开口截面梁，破坏时预应力钢束临界温度分别为397 ℃和319 ℃。荷载水平由0.35增加至0.55时，火灾下PC梁耐火极限降低21%，破坏时预应力钢束临界温度由416 ℃降低至319 ℃。研究成果可为PC桥梁耐火试验提供方法指导，为其抗火设计和灾后应急提供理论依据。     

钢-混连续组合梁的徐变等温法

为了研究钢-混连续组合梁徐变,考虑永久荷载作用下的徐变效应与负弯矩区混凝土开裂效应之间的耦合效应,采用了徐变等温法,将徐变效应等效为与时间无关的温度梯度作用效应,避免了有限元徐变非线性分析中的显式隐式积分选择、迭代不收敛等困难,为工程实用计算提供了一种简单方便的方法。基于力法截面分析建立了平衡和变形协调方程组,基于曲率等效原则推导了钢-混组合梁永久作用徐变等效温度梯度的解析和简化两套计算公式,能够用于静定组合梁和超静定组合梁分析,对强迫位移等其他荷载类型解析解推导起到了借鉴作用。徐变后超静定连续梁的内力和变形转化为"按照材料和结构力学方法计算温度梯度作用超静定结构内力(截面重分布内力和超静定支座次内力)和变形"。对永久作用下超静定连续梁,提出正弯矩区徐变等效温度梯度的抛物线加载方式。结果表明:等效温度梯度模型应用便洁、精度较好,约束系数是徐变效应的关键影响参数;连续组合梁负弯矩区开裂之后应力释放,在挠度增加不大的情况下出现有利的弯矩重分布(负弯矩减幅达20%以上,正弯矩增幅约16%),而徐变会缓解开裂重分布弯矩和应力释放程度;徐变会显著地加重开裂后的跨中挠度;缓解或加重作用程度与型钢大小等因素有关。     

双支座支承体系边主墩反力调整观测测定

一、概述宜城汉江公路大桥全长约1887米,主桥设计为6跨即:55+4×100+55术的连续梁桥,桥型布置见图1。在主桥设计中,采用了国内首次采用的双支座的支承体系,双支座的支点部分从结构整体来看为一支点群,从主墩局部(纵向)来看为两个独立的支点,结构受力时,双支座的支承作用与固端近似,在这种类似固端的嵌固作用下,与单支点的连续梁相比,荷载作用时的支点负弯矩和跨中正弯矩均较大幅度降低,且某跨作用的荷载,其效应对