正交异性钢桥面板节段模型疲劳性能试验研究

设计3个正交异性钢桥面板的节段模型,进行系统的静载试验和疲劳试验,研究不同构造对正交异性钢桥面板受力和疲劳性能的影响.结果表明:面板的厚度对U肋与面板连接焊缝构造的应力影响显著,建议正交异性钢桥面板的面板厚度取为14mm以上;横隔板的间距对横隔板与U肋焊缝交叉处的面外应力、横隔板的面外变形、中间U肋的竖向变形有直接的影响;弧形开孔处的应力随横隔板的厚度增加而降低;正交异性钢桥面板上由次应力引起的裂纹的扩展比较缓慢,不会直接影响整个桥面结构的承载能力;横隔板与U肋相交处上部留有过焊孔这一构造细节对正交异性钢桥面板的疲劳性能不利.     

钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力响应特征分析

为研究车辆通行下正交异性钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力特征,建立带纵隔板的正交异性钢桥面板有限元分析模型,计算并对比轮载沿不同横桥向位置在纵桥向移动工况,面板-纵隔板构造细节及横桥向两侧疲劳敏感构造细节的应力响应。研究结果表明:纵肋-面板和纵隔板-面板构造细节均可分辨轴组中的单轴,因此,在疲劳荷载模型三规定的车辆通行下,每个构造细节将产生4个应力循环;应力峰值均发生在顺桥向两联轴的其中一个轮轴作用应力监测位置的正上方;当横桥向轮载中心位于纵隔板正上方时,纵肋-面板构造细节将在面板侧产生比其他横桥向轮载工况下更大的应力响应和应力幅;当桥面轮载从纵隔板一侧移动到另外一侧,或货车变道,或货车蛇行,均将导致纵隔板-面板构造细节的纵隔板侧产生较大的拉压应力幅。在设计带纵隔板的正交异性钢桥面板时,纵隔板不应布置在车道轮迹线正下方或紧靠车道轮迹线,而应远离车道轮迹线布置。且桥梁管理单位宜在桥面设置明显的标识,禁止桥面货车变道。     

西堠门大桥索梁锚固部位的受力分析及模型试验

采用模型试验和有限元分析的方法,对西堠门大桥在5种加载工况下索梁锚固部位的受力情况进行研究,并进行安全可靠性验证.研究结果表明:索力首先通过耳板传递至加劲板,然后依靠锚箱纵、横隔板组成的框式构架传递到钢箱梁横隔板上,再由靠近风嘴的耳板上部将力向两边传递,直到靠近箱梁的耳板下端力的传递才均匀;在中间加劲板与锚箱中间隔板的相交部位、锚箱横隔板与耳板交叉处、钢箱梁横隔板与U肋的交叉处以及顶板变坡处存在着明显的应力集中现象,为主要控制细节;锚箱横隔板在纵隔板处全部断开,横向刚度产生突变,从而易引起横向应力分布不均匀,故建议在中间锚箱横隔板的上端设置过渡加劲板.     

切口型式对 正交异性钢桥面板应力特性的影响

正交异性钢桥面板横隔板切口处疲劳问题突出,裂纹通常萌生于切口自由边以及切口起始处纵肋-横隔板连接焊缝。为研究不同切口型式对疲劳细节应力的影响,建立有限元分析模型,获得细节在轮载下的应力响应。研究结果表明:切口自由边细节是面内应力主导,且较大的切口半径有利于降低应力水平;纵肋腹板在平行于焊缝方向的外侧应力最大,属于纵肋-横隔板连接焊缝中最不利的细节,因此该连接处的裂纹通常会萌生于焊缝末端的纵肋腹板外侧,并沿垂直于焊缝的方向扩展;对于纵肋-横隔板连接焊缝的横隔板细节,当切口型式为相切过渡的方式时,面外应力远小于垂直过渡的方式,而面内应力相反;采用Eurocode 3中推荐的切口型式是合适的。     

大跨度连续钢箱梁横隔板的合理布置

根据偏心荷载作用下钢箱梁的受力特点,从分析畸变翘曲应力的角度出发研究钢箱梁横隔板的合理布置.提出采用弹性支承连续梁比拟法分析大跨度变截面钢箱梁的畸变翘曲应力.根据单室矩形箱梁畸变控制微分方程与弹性地基梁弯曲控制微分方程的相似性,将单室矩形箱梁的畸变比拟成弹性支承连续梁的弯曲,据此求解考虑横隔板间距和刚度影响的单室矩形箱梁的畸变翘曲应力.以控制箱梁畸变翘曲应力不超过弯曲正应力15％为目标采用该方法确定崇启大桥横隔板的合理布置形式为:当横隔板间距设置为5.6m时,在各墩墩顶宜采用实腹式横隔板;在其他位置可采用桁架式横隔板.     

横隔板及几何特征对钢箱梁畸变效应的影响

研究目的:由于钢箱梁的顶、底板及腹板均较薄,在偏心荷载作用下,截面变形易引起畸变应力而导致局部屈曲和腹板压皱等现象。工程应用上,在梁内设置一定数量的横隔板来约束钢箱梁的畸变变形,以求减少钢箱梁畸变效应。此前已有少量文献就横隔板对钢箱梁的畸变效应进行过研究,但未对钢箱梁在不同的隔板数量、高跨比、宽高比下进行综合分析,使其成果具有一定的局限性。因此,本文在此基础上通过有限元软件就简支钢箱梁的畸变效应进一步分析,并提出了横隔板的数量及箱梁的几何特征参数对钢箱梁畸变效应的影响。研究结论:(1)当箱梁为窄箱梁,即宽高比约等于1.5时,箱梁跨中畸变翘曲最大正应力随横隔板数量增多而增大,此时跨内横隔板设3~5道为宜;(2)当箱梁为宽箱梁,即宽高比约等于4.5时,箱梁跨中畸变翘曲最大正应力随横隔板数量增多而减小,此时跨内横隔板的设置9道为宜;(3)计算结果对同类桥梁的设计具有参考价值。     

天兴州桥正交异性板焊接部位疲劳性能研究

武汉天兴洲桥是特大型公铁两用斜拉桥，其公路桥面采用了正交异性板的构造形成。运用有限元分析软件ANSYS和焊接疲劳试验方法，对正交异性板关键焊接部位（槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处）的疲劳性能进行研究。采用ANSYS建立模型，用公路荷载标准进行桥面板应力分析，确定最不利荷载位置，进而计算得到正交异性板槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处的最大应力幅分别为28．6和39．66MPa。疲劳试验结果表明，焊缝的焊趾是薄弱环节。由疲劳试验得出的槽型闭口肋嵌补段对接焊缝及闭口肋与横梁或横隔板连接焊缝的疲劳容许应力幅分别为89．31和49．14MPa，大于有限元计算得到的最大应力幅，说明正交异性板关键部位的疲劳性能符合要求。     

大跨度铁路钢箱梁斜拉桥正交异性桥面疲劳试验研究

正交异性桥面钢箱梁具有良好的整体性能与抗风性能,在大跨度公路斜拉桥及悬索桥中应用广泛,但在大跨度铁路斜拉桥上应用极少。以国内首座大跨度铁路钢箱梁斜拉桥为背景,建立全桥杆系及局部箱梁有限元模型系统分析铁路正交异性桥面疲劳受力特性,基于应力等效原则优化设计出2U肋+2V肋的足尺疲劳试验模型,并实施560万次的疲劳加载试验。结果表明:钢箱梁正交异性桥面在列车荷载下以第二三体系受力为主,承受高周低幅疲劳作用;模型实测应力值同理论值相符良好,大部分测点在560万次疲劳试验中保持弹性受力状态,结构总体疲劳性能良好;U肋与横隔板连接处附近母材在150万次疲劳后发生开裂;V肋总体应力低于U肋,其疲劳性能优于U肋。     

斜交薄壁连续钢箱梁桥设计与受力特性研究

以江苏省丹阳路齐梁路某(30+2×35)m跨线斜交钢箱梁为工程背景,通过比对斜交钢箱梁横隔板布置方式以及支座处隔板布置方式,提出斜交连续梁横向隔板的正交布置方式,得出中间墩支承处采用斜向双隔板布置更有利于结构受力与制造的结论。对箱梁的线型控制、截面总体布置、隔板、纵肋型式、纵肋布置方式和板厚等其他细节进行详细设计。分别建立单梁、空间梁格和板单元有限元模型对桥梁进行受力分析。对3种数值模拟方法计算得出的支座反力、挠度和应力等结果进行分析对比。研究结果表明:单梁法计算结果偏于不安全且无法进行横向计算,梁格法和板单元法均能够对模型进行横向计算,但梁格法计算偏安全,而板单元计算更加细致精确。同时,在同种工况下,斜交钢箱梁钝角区应力值大于锐角区应力值。采用板单元对轮压荷载进行局部分析,表明轮压荷载作用下应力、变形较小。验证了箱梁设计方案的安全合理。     

公铁混合布置大跨度斜拉桥主梁断面形式研究——以赣江公铁大桥西支主桥设计为例

以赣江公铁两用大桥西支主桥设计为例,研究一种适应上层8车道公路、下层对称双线铁路+4车道公路混合布置的主梁断面形式。提出带挑臂双索面箱桁组合断面、带挑臂单索面箱桁组合断面、矩形箱桁组合断面、矩形钢桁梁断面4种主梁断面方案,采用有限元软件分析各方案静动力性能及受力特点,综合考虑方案构造特点、技术指标、工程数量、公铁运营安全、景观效果等,确定该桥选用带挑臂双索面箱桁组合断面。该桥斜拉索最大索力16 000 kN,锚固在下层钢箱梁两侧,通过有限元实体分析对锚拉板和钢锚箱式两种索梁锚固形式进行比选研究,钢锚箱形式受力合理、应力水平低、经济性好,设计采用钢锚箱形式。带挑臂双索面箱桁组合断面桥面空间布置合理、下层公铁行车干扰小、梁端竖向变形最小、经济性好,是一种适应公铁混合布置大跨度斜拉桥主梁断面形式。     

薄壁直线箱梁仿真分析的板段元方法

针对现有计算方法无法准确反应箱梁断面框架受力特征的缺陷,提出一种新的板段单元分析法。该方法基于Kirchhoff直线法假设,在已有箱梁腹板、翼板刚度方程基础上,准确考虑横隔板对结构整体受力的影响,相对粗略考虑横隔板自身的应力变化规律,提出新的横隔板元位移模式,从而建立完整的箱梁板元分析列式。算例分析表明:该方法可正确模拟箱梁纵向正应力受横隔板的影响规律,即较好地反映横隔板对箱梁翼、腹板的弹性支承效应;与通用有限元精细模型相比,在相同的计算精度要求下,板段元法所需的自由度少得多,极大地降低了仿真分析的计算量。板段元法适用于其他断面形状的箱梁结构或肋板式结构,也可用于斜交箱形直梁的分析,具有较好的适用性。     

挑臂式钢箱梁面板-中纵梁构造细节疲劳性能研究及构造参数分析

为研究挑臂式面板-中纵梁构造细节的疲劳特性，运用大型通用有限元软件ANSYS建立精细化分析模型，结合热点应力法、Palmgren-Miner线性累积损伤理论及雨流计数法对该构造细节进行横纵向疲劳车加载应力结果计算分析，并开展构造参数影响研究。研究结果表明，轮载作用下该细节经历多次应力循环，应力影响线具有明显的轴重识别效果，采用横向应力/竖向应力研究其疲劳特性是合适的；该细节面板焊趾较腹板焊趾应力水平高，更易发生疲劳开裂，而腹板处焊趾具有无限寿命；面板厚度从12 mm增加到20 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力分别降低55%和40%,中纵梁腹板与附近U肋的间距从250 mm增加到400 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力增幅达61%和58%,而中纵梁腹板厚度从12 mm变化到20 mm,面板焊趾处和腹板焊趾处的热点应力基本不变，维持在53 MPa和22 MPa左右。建议在充分考虑安全性和经济性的情况下，合理选择面板厚度及中纵梁腹板与附近U肋的间距以提高面板-中纵梁构造细节的疲劳寿命。     

考虑纵肋-横隔板焊缝模拟的正交异性钢桥面板疲劳性能研究

为研究纵肋-横隔板(rib-to-floorbeam,RF)焊缝模拟与否及焊缝模拟数量对正交异性钢桥面板各疲劳敏感细节应力响应的影响,分别建立无RF焊缝及不同数量RF焊缝的正交异性钢桥面板有限元模型,计算轮载作用下各构造细节的应力响应.为提高计算速度与精度,RF焊缝采用体单元模拟,桥面板其他构件采用壳单元模拟,通过约束方程实现体-壳耦合.研究结果表明:模拟RF焊缝时,RF横隔板侧和纵肋侧构造细节的应力幅分别增大66％和54％,其对应的计算疲劳寿命更接近实桥出现裂纹的时间;模拟RF焊缝对弧形切口和RD构造细节应力响应几乎无影响.模拟不同数量RF焊缝对各构造细节应力响应无明显差别;相比于不模拟焊缝的情况,模拟焊缝可以清楚地显示RF焊缝沿高度方向上的应力分布,纵肋和横隔板的连接部位应力过渡更加平滑.     

1-80m混凝土系杆拱有限元分析研究

研究目的:贵广铁路黄沙河桥采用1-80 m预应力混凝土系杆拱桥,系国内最大跨度的预应力混凝土系杆拱桥(混凝土拱肋),其箱宽较宽,采用单向多室结构。有效宽度、边中腹板厚度比例等均没有规范依据可查,横向环框简化计算模型没有相关的依据。本文利用midas FEA软件对80m系杆拱桥进行实体计算分析,确保结构安全,并对结构尺寸、钢束布置等进行一些探讨。研究结论:梁部的混凝土应力处于合理的水平,结构安全可靠;拱脚位置梁体正应力横向分布不均匀,远离拱脚的梁体截面正应力分布较为均匀;多腹板以及密横隔板形成的纵横向隔板体系增强了梁部结构整体性,箱梁横向位移差最大值仅仅为0.51 mm;设置拱脚竖向预应力能够有效减少拱脚与梁体交界面混凝土的主拉应力,增强交接面的抗剪能力,是必须的。