预应力在钢-混凝土组合梁剪力键中的传递

针对混凝土翼板设置后张预应力的连续组合梁,建立预应力从梁端混凝土向组合梁全截面传递的力学模型,根据连接件剪切滑移本构关系及预应力束对称截面处的界面滑移为零的边界条件,解得混凝土翼板轴力、钢梁轴力及界面剪力的分布函数,求得组合梁考虑连接件柔性的混凝土有效预压应力。结果表明,影响组合截面内力分布的主要因素是剪力连接件的滑移刚度、预应力束长度及混凝土板与钢梁的轴向刚度比;预应力束越长,界面剪力分布越平缓,界面滑移愈小。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土结构力学性能研究综述

为改善钢管混凝土套箍效应和节点传力可靠性问题,提出PBL加劲型矩形钢管混凝土结构,从管壁局部屈曲力学性能、构件力学性能、界面力学性能和节点力学性能4个方面,对已有研究成果进行总结,并与传统的钢管混凝土结构进行对比,综述了不同结构的宽厚比限值、轴压强度、轴压稳定、抗弯性能、压弯性能、剪切-滑移本构关系、节点传力长度、疲劳荷载作用下钢-混界面黏结性能、节点静力性能和节点疲劳性能,系统地阐述了PBL加劲型矩形钢管混凝土结构的力学性能优势。结果表明:在轴压和压弯荷载作用下,由于混凝土的支撑作用,以及PBL纵肋的加劲和连接作用,钢管的宽厚比限值相比矩形钢管混凝土结构提高到2倍以上;PBL加劲型矩形钢管混凝土构件轴压承载力相比矩形钢管混凝土有所提高,同时,PBL纵肋保证了构件的完全黏结,组合作用得到发挥,结构的轴压和抗弯刚度也得到提高;PBL加劲肋孔中的混凝土榫提供了较大的抗剪承载力,界面强度相比矩形钢管混凝土提高2倍以上,剪切模量提高3倍以上,有效缩短了节点传力长度,且疲劳荷载作用下,界面性能更可靠;管内PBL纵肋的抗拔作用,可有效限制节点部位主管表面弯曲变形,使节点刚度和承载力得到提高,焊趾位置热点应力集中系数明显减小,疲劳性能得到改善。     

考虑界面滑移的剪力钉群等效抗剪刚度研究

针对现有剪力钉抗剪刚度研究中较少考虑混凝土界面滑移,未能体现实际变形的问题,以单塔双索面自锚式悬索桥——朝元门桥为背景,考虑界面滑移,建立了混凝土塔柱与钢结构装饰塔柱间剪力钉群结构有限元模型,并推导出剪力钉群等效剪切刚度简化计算公式。结果表明:有限元计算能模拟钢和混凝土结构界面滑移,群钉抗剪刚度随着滑移的增大逐渐变小;借用板的有效工作宽度计算方法,确定剪力钉群构件中混凝土参与变形的面积,建立的剪力钉群剪切刚度计算公式主要与剪力钉的尺寸和布置等参数有关;推导公式计算值与试验结果、数值分析计算值、实测值一致。     

矩形钢管混凝土组合桁梁连续刚构桥实桥试验

为了研究矩形钢管混凝土组合桁梁桥这种主梁由矩形钢管混凝土桁架和混凝土桥面板组成的新桥型的力学性能,以中国首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为对象开展了实桥试验。试验桥孔跨布置为24 m+40 m+24 m,结构体系为连续刚构。试验采用400 kN加载卡车3辆,共进行了3个荷载工况12个加载步的加载,对试验桥的整体力学性能、矩形钢管混凝土杆件力学性能以及桥面板有效宽度进行了研究。试验结果表明：在荷载效率为1.90~3.05的超载工况下各控制杆件的轴力-应变及荷载-位移实测数据线性关系显著,试验桥在加载过程中始终处于良好的弹性工作状态;实测受压钢管混凝土下弦杆钢管与管内混凝土荷载的分配符合二者的轴向抗压刚度比例关系;由于矩形钢管混凝土管壁内设置了纵向PBL加劲肋（开孔钢板加劲肋）,其在开孔区域形成混凝土榫,大幅提高了矩形钢管混凝土杆件的抗拉刚度,使其可达受压杆件刚度的80%;两主桁之间桥面板实测有效宽度与既有文献研究结果符合良好,且剪力滞效应在节点处比节间处表现得更为明显。     

改进螺旋线型组合销剪力连接件承载力试验研究

为研究新型剪力连接件——改进螺旋线型(MCL)组合销剪力连接件的受力性能,考虑粘结摩擦力、椭圆开孔等因素,设计3组MCL组合销剪力连接件试件与3组开孔板(PBL)剪力连接件试件共同进行推出试验,对比分析2类剪力连接件的破环形态、极限承载力、抗剪刚度、延性及结构应变,并根据试验结果得到MCL组合销剪力连接件承载力计算公式。结果表明:2类剪力连接件试件破坏形态均为混凝土剪切破坏,且为延性破坏;MCL组合销剪力连接件的极限承载力高于PBL剪力连接件,在MCL组合销剪力连接件上开椭圆孔会明显提高其极限承载力,但会降低其刚度;MCL组合销剪力连接件的抗剪刚度和延性均优于PBL剪力连接件;钢销下部应变变化幅度较大,为MCL组合销剪力连接件应力集中区域。文中提出的MCL组合销剪力连接件承载力公式计算方法考虑了组合销、粘结摩擦力和椭圆孔承载力,工程适用性较好。     

新型可拆卸开孔钢管连接件抗剪性能

为适用预制钢-混凝土组合桥梁快速装配化施工需求,提出一种新型可拆卸的开孔钢管连接件。通过设计不同钢管壁厚、开孔板条宽度与高度等参数的开孔方钢管连接构造试件,开展水平推出试验,研究其抗剪承载力、抗剪刚度、剪切破坏模式及相对滑移特征。考虑钢材理想弹塑性、混凝土塑性模型及钢-混凝土界面非线性接触,建立可拆卸连接件抗剪分析的高效精细有限元模型,并通过试验结果验证。采用验证的有限元模型,进行与方钢管具有相同用钢量、板厚、开孔形式的圆钢管连接件抗剪性能对比分析。研究结果表明：可拆卸钢管连接件不仅具有开孔板连接件相当的抗剪承载力,而且比焊钉连接件具有更好的延性;增加钢管壁厚能有效提高其抗剪刚度与强度,改变底部开孔形状对连接件的抗剪刚度影响较小,但对强度影响较大;圆管与方管连接件具有相当的剪切屈服强度,但方管连接件的极限抗剪强度更高,而圆管连接件的延性更好;塑性理论推导可拆卸连接件剪切屈服强度计算结果同试验、有限元结果吻合良好,证明该计算式准确、有效;建议荷载作用下,混凝土板不发生开裂和压溃,可拆卸连接件可屈服进入塑性状态,实现混凝土板、钢梁易更换、修复或重复利用。     

混合梁斜拉桥钢-混结合段受力性能的有限元分析

为研究混合梁斜拉桥钢-混结合段的传力机理和受力性能,以某混合梁斜拉桥为工程背景,采用通用有限元软件Ansys建立了该桥钢-混结合段的仿真模型,分析了钢-混结合段内各构件的受力情况。结果表明:在设计荷载作用下,钢-混结合段内各构件应力水平较低,沿纵桥向变化平顺,能有效传递内力,满足结构整体受力性能的要求,且具有较大的安全储备;钢箱梁底板折角与横隔板交接处、加劲T肋尾端及靠近承压板预应力锚固区的混凝土等区域应力变化较大,且存在应力集中现象;抗剪连接件受力不均匀,距承压板最远的剪力钉所受剪力为其他部位剪力钉的2～7倍,距承压板最远的PBL剪力键所受剪力为其他部位PBL剪力键的2～6倍;PBL剪力键所受剪力比剪力钉大,但均远低于其抗剪承载力。     

高性能钢管混凝土组合桁梁桥

提出一种新型桥梁结构形式——高性能钢管混凝土组合桁梁桥。从结构性能方面阐述该组合桁梁桥高效传力机制、高性能结构构件及节点力学性能,从预制件划分、存放、运输、拼接方面阐述组合桁梁桥高效装配施工性能,从防灾性能方面对组合桁梁桥与混凝土梁桥进行抗震性能有限元对比分析,从耐久性能、可维护性能及环保性能方面论述组合桁梁桥良好的服役性能。结果表明：高性能钢管混凝土组合桁梁桥各杆件受力明确,杆件材料利用率高,结构刚度大,当结构跨径达到80 m时,用钢量指标仍在400 kg·m^-2以下;PBL加劲型等宽钢管混凝土节点可有效改善节点传力性能、静力破坏模式及抗疲劳性能;PBL加劲型矩形钢管混凝土构件可改善钢混界面传力及钢管局部屈曲性能,有效提高构件承载力;组合桁梁桥主桁单元、桥面板单元、桥墩单元可在工厂标准化生产,预制构件单元质量可控,现场装配速度快,施工周期短;与混凝土箱梁桥相比,组合桁梁桥结构体系地震响应内力下降显著,反应谱分析中纵桥向墩底弯矩与剪力下降达94.0%、81.2%,时程分析中纵桥向墩底弯矩下降达91.6%;采用可更换桥面板构件、桥墩系梁构件使组合桁梁桥全寿命周期性能优异。可见,矩形钢管混凝土组合桁梁桥是一种装配式高性能桥梁结构体系,可为中国中等跨径公路装配化桥梁设计提供参考。     

钢管混凝土节点承载力计算方法

钢管混凝土桁式结构广泛应用于桥梁工程中。为探明钢管混凝土节点的破坏机理,得到其承载力计算方法,系统汇总了国内外报道的圆形和矩形钢管混凝土节点试验数据,并根据节点形状和支管受力形式,分为139个受压节点、16个受拉节点和38个K型节点,分析主管内填混凝土对节点构造、破坏模式和承载力的改善,提出钢管混凝土节点设计流程和承载力计算方法。研究结果表明:在满足节点构造和焊接要求前提下,主管表面钢板层状撕裂破坏、焊缝破坏和受拉支管背面主管顶板局部屈曲破坏可以有效避免。对于受压节点,空钢管节点可能发生主管侧壁屈曲或表面屈服线破坏,而主管内填混凝土后,其破坏模式变为横向局部承压破坏,承载力平均提高8.3倍,不需要进行受压节点验算;对于受拉节点,管内混凝土能提高节点受拉刚度,破坏模式趋于主管表面冲剪破坏;对于K型节点,承载力以受拉支管控制,主要发生主管表面冲剪破坏,其强度与支管有效宽度破坏相当,即实现节点和钢管杆件等强设计,此外,考虑主管混凝土抗剪贡献后,主管抗剪承载力提高1.1~1.3倍;提出了钢管混凝土节点设计流程,并给出其节点承载力计算方法,圆形和矩形钢管混凝土节点均以受拉支管控制,需进行主管表面冲剪破坏和支管有效宽度破坏验算,同时,矩形钢管混凝土节点还需进行主管间隙处剪切破坏验算。     

曲线连续结合梁桥的剪力键受力分析

该文针对大跨曲线结合梁弯扭耦合现象,首先建立全板壳单元模型,考虑混凝土板与钢梁之间水平滑移效应。然后分析和研究剪力连接件在各种荷载作用下剪力的分布规律,明确其受力特点。计算表明,对于单箱双室的主梁结构,中腹板剪力键承受的纵向水平力稍大于边腹板,横向水平力则主要由边腹板剪力键承担。最后分析了剪力键不同连接刚度对结构的影响。结果表明,连接刚度的改变,钢梁上翼缘的应力变化最大,其次是混凝土板应力,钢梁下翼缘的应力基本无影响。     

钢管混凝土组合格构柱高墩偏压试验研究

雅泸高速公路黑石沟特大桥在国内首次提出并采用了钢管混凝土组合格构柱高墩。为研究这种结构形式高墩的组合性能,进行了偏压试验和破坏试验,考察了钢管混凝土柱肢、钢管外包混凝土及腹板剪力墙的受力性能。试验结构表明:正常使用极限状态下,钢管混凝土组合格构柱处于小偏心受压,结构处于弹性状态。     

长期荷载作用下矩形钢管混凝土轴压短柱力学性能

基于ACI209(1992)的徐变和收缩计算模型,在合理考虑长期荷载作用下钢管和核心混凝土应力-应变关系模型的基础上,利用ABAQUS软件建立了长期荷载作用下的矩形钢管混凝土轴压构件的数值分析模型.基于此理论模型,对长期荷载作用下矩形钢管混凝土短柱的受力特性进行了分析,对比了考虑长期荷载效应与否时钢管对混凝土的约束力、...     

核心混凝土性能对钢管混凝土稳定系数的影响研究

通过对钢管普通混凝土长柱和钢管轻集料混凝土中长柱的轴压试验结果的比较,结合对普通混凝土和轻集料混凝土的本构关系曲线的分析,研究了核心混凝土性能对钢管混凝土轴压中长柱稳定系数的影响。研究结果表明,在长细比相同的情况下,钢管混凝土轴压中长柱的稳定系数与核心混凝土的峰值应力无关,而取决于核心混凝土的峰值应变。核心混凝土的峰值应变越大,钢管混凝土中长柱的稳定系数越大。     

不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩抗震性能试验

为探讨预制拼装钢管混凝土桥墩抗震力学性能,充分发挥预制拼装钢管混凝土桥墩的抗震能力,以实际桥墩为参考,考虑不同拼装接缝形式、耗能钢筋配筋率和预应力轴压比等参数,设计和制作了6个摇摆式预制拼装预应力钢管混凝土桥墩和2个对比墩（1个摇摆式预应力钢筋混凝土墩和1个承插式预应力钢管混凝土墩）,共8个缩尺模型。采用拟静力试验方法,结合数值模拟揭示预应力预制拼装钢管混凝土桥墩的延性能力、自复位性能、滞回耗能特性、破坏模式和破坏机理。试验结果表明：对于2种构造下的钢管混凝土桥墩,摇摆式桥墩因其可发生一定范围内摇摆,并设置预应力筋和耗能钢筋,使其延性与耗能能力更加优异;在墩底设置UHPC座垫层,加载过程中其对承台的破坏相对较小,提高了桥墩的损伤容限;在相同的目标位移下,摇摆式试件残余位移小于承插式试件,表明摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩拥有良好的自复位特性;对于摇摆式预制拼装钢管混凝土桥墩,增大耗能钢筋配筋率,使得试件损伤状态出现滞后,耗能能力增强,减轻墩底接缝破坏程度,同时使得残余位移增大;增大预应力轴压比,其约束试件变形的自复位能力进一步增强,使试件残余位移减小,有利于桥墩在震后功能的快速恢复;通过建立各试件的有限元纤维模型,进一步验证了试验结果的准确性。研究成果可为后续预制拼装钢管混凝土桥墩的设计与应用提供试验基础。     

大跨度斜拉桥双向曲面混合桥塔钢-混结合段受力性能研究

为研究大跨度斜拉桥双向曲面混合桥塔钢-混结合段的力学行为与传力机理,设计相似比为1:4的全截面静载试验模型,测试最不利及超载工况下结构的应力、变形、开裂等;结合有限元仿真分析,研究桥塔钢-混结合段的传力机理,并进一步探讨结构构造参数对其影响规律。结果表明:最不利荷载工况下,钢结构最不利压应力为-165.44 MPa,位于钢过渡段主跨受压侧壁板;混凝土最不利拉应力为8.65 MPa,叠加预应力效应后约为1.73 MPa,位于混凝土段边跨受拉侧;沿塔轴向,钢结构应力平缓降低并在承压板附近存在突变,混凝土应力较为平稳;剪力钉及PBL剪力键弯曲应力均呈"两头大、中间小"的马鞍形分布。模型各构件实测应力随荷载增加呈线性增长,模型整体处于弹性受力状态;结合段钢-混最大滑移值仅65 μm,钢-混之间协同受力良好;模型上下缘实测应力差异约为10%,表明双向曲面构造引起一定的空间受力特性,但挠度量值差异小。超载工况下,1.4倍加载时混凝土段边跨受拉侧出现裂纹;1.7倍加载时钢过渡段主跨受压侧局部应力屈服,模型受力整体表现为以钢过渡段受压侧及混凝土段受拉侧最为不利。2.0倍加载下,模型水平挠度随荷载变化均近似线性增加,转角近似满足线性变化,受混凝土开裂影响较小;最大水平挠度仅1.43 mm,挠跨比约为1/3 000,结构具有良好的刚度性能;结合段内混凝土局部开裂对受拉区的钢-混相对滑移影响较为显著。通过承压板、钢壁板及PBL板分别传递荷载66.3%、15.2%及18.5%,承压板为主要传力构件。参数讨论表明,原桥合理承压板、钢壁板厚度分别介于40~80、24~40 mm之间,剪力连接件刚度对结构传力影响较小。     

沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能分析

接头是沉管隧道中最薄弱并且非常关键的部位,其力学性能直接影响整条沉管隧道的安全性与水密性。目前研究仅限于沉管接头的压缩、压弯和压剪等简单荷载工况,未对组合工况如压-扭-剪工况进行过研究。以红谷隧道工程为背景,基于三维精细化建模技术,通过有限元软件ABAQUS建立了表征沉管隧道接头性能的力学模型,并考虑不同材料的非线性本构模型,开展了沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能模拟研究,并与压-剪组合条件下的力学性能进行对比了分析。通过数值模拟计算揭示了沉管接头GINA橡胶止水带超弹性材料的特性及水密性,并得到了接头在压-扭-剪组合条件下的水平荷载-位移曲线,从而获得了接头的扭剪刚度和极限承载力,表明接头在压-扭-剪工况下的抗剪强度比压-剪工况下的抗剪强度小。同时,对混凝土及钢剪力键进行局部分析,得到其在压-扭-剪组合条件下的受力特性,并预测了剪力键可能的破坏模式。研究结果可为今后沉管隧道接头设计提供参考。     

大跨度自锚式悬索桥主梁钢-混结合段模型试验

为研究大跨度自锚式悬索桥主梁钢-混结合段的受力性能与传力机理,以重庆鹅公岩轨道专用桥为研究背景,设计相似比为1：3的钢-混结合段缩尺试验模型,采用自平衡加载方法施加轴向试验荷载,测试模型的应力与滑移情况,并将试验结果与有限元分析结果进行对比,验证有限元模拟方法的正确性;而后利用有限元分析结果,得到钢-混结合段在轴向荷载作用下的传力机理。研究结果表明：在试验荷载作用下,试验模型各构件的应力水平均随荷载增大呈线性趋势增长,结构整体处于弹性工作状态;结合段开孔钢板与填充混凝土之间的相对滑移量较小,最大相对滑移量仅为4.2 μm,钢-混之间的协同受力状态良好;轴向荷载首先通过结合段开孔钢板端部的面内承压作用传递至钢梁,之后PBL连接件与栓钉连接件进一步将轴力传递至钢梁,最后通过承压板的面外承压作用将剩余轴力全部传递至钢梁;其中,承压板为主要传力构件,传递61.1%的轴力,剪力连接件与开孔钢板端部传力比例分别为17.0%与21.9%,开孔钢板端部的传力作用不可忽略。研究结果可为后续类似结构的研究与设计提供参考。