斜交装配式空心板桥受力性能影响分析

装配式斜交空心板桥受力性能较复杂,与正交桥有很大差别。以某高速公路斜交空心板桥计算为背景,对同情况不同斜交角度的空心板桥进行模型计算分析,并与空心板直桥计算结果对比,得出斜交空心板桥存在有效计算跨径的概念,其基频、横向分布系数、弯矩、最大位移均是受到有效计算跨径的影响,表现出斜交空心板桥不同于同跨径直桥的一些主要特性,进而可以参考并推广到其他类型斜桥的受力性能分析。     

采用横向预应力的装配式空心板桥受力性能与设计计算方法

为了提高铰缝结合面的开裂荷载和破坏荷载,解决空心板桥横桥向受力问题,研究了采用横向预应力的装配式空心板桥的受力性能,采用局部模型试验的方法分析了铰缝结合面受力机理,采用足尺模型试验的方法研究了空心板桥整体受力性能,并基于铰缝结合面受力机理,确定了横向预应力的上、下限,进而提出了横向预应力设计计算公式。试验结果表明：采用横向预应力结合面的法向和切向黏结强度分别为1.40~1.45和0.50~0.62 MPa,较未采用横向预应力分别提高了8.1%~12.5%和12.4%~38.3%,而且提高横向预应力可以提高结合面的法向和切向黏结强度;采用横向预应力的空心板桥足尺试验模型的破坏模式表现为空心板的开裂破坏,试验过程中未出现铰缝开裂现象;横向预应力的施加可以提高空心板之间的横桥向联系,避免结构由于铰缝结合面损伤而丧失横向传递荷载的能力并导致结构破坏,提高空心板桥的极限荷载;提出的横向预应力设计计算公式可以较好地计算空心板桥横向预应力的设计值。     

横向连接失效对空心板桥受力影响

针对空心板桥的横向连接失效对空心板桥受力性能的影响进行深入的分析。利用动载试验针对桥梁横向联系加固后、横向连接钢板失效、铰缝混凝土与横向连接钢板失效三个工况进行有限元计算与现场数据实测,对比分析竖向挠度曲线。结论是空心板横向连接处板间受力复杂,传统的横向铰接板(梁)理论不能很好的模拟现场空心板横向连接间受力情况,未能突出模拟空心板的"单板受力"情况;空心板加固后,横向钢板失效与压力注胶失效对桥梁的承载力有一定幅度的降低,同时使桥梁的整体受力性能得到大幅度降低。     

铰缝损伤对装配式空心板桥受力性能影响研究

在役装配式空心板桥横向联系受设计、施工及运营各因素的影响,易出现铰缝损伤病害。为研究铰缝损伤对空心板桥结构性能的影响,论文根据现场空心板桥铰缝病害调研结果对铰缝损伤位置、损伤长度和损伤程度3种损伤类型分布特点进行统计分析;采用梁格法建立空心板桥有限元模型,对比分析了铰缝在不同损伤工况及类型下(长度、深度和位置)对结构受力性能影响。研究结果表明:(1)铰缝损伤位置越靠近跨中对于梁板受力的影响越大。(2)随着铰缝损伤长度增加,中板单侧损伤下活载弯矩增幅呈线性递增,而边板单侧损伤和中板双侧损伤均会导致梁板产生"单板受力"效应,其"单板受力"临界长度分别为0.6L和0.7L。(3)损伤长度或损伤深度二者之一较小时,活载作用下梁板弯矩和挠度变化很小;当损伤长度和损伤深度均较大时,活载作用下的梁板弯矩和挠度增幅明显。(4) 20 m标准空心板的中板单板受力时抗弯承载能力不满足规范要求,边板单板受力时抗弯承载能力和抗裂验算不满足规范要求。研究结果为空心板铰缝损伤下的结构安全评估及管养提供有益参考。     

装配式空心板桥改进型铰缝结合面受力性能

为了改进装配式空心板桥横向受力性能,设计了在铰缝结合面上利用连续钢板代替间断钢筋和改进铰缝结构与填充材料的2种铰缝改进措施,采用局部模型试验计算了铰缝结合面的法向和切向强度,提出了采用间断钢筋和连续钢板的铰缝结合面抗弯、抗剪承载能力计算公式。研究结果表明：局部模型试验值与公式计算值的误差不超过10%,表明所提出的抗弯、抗剪承载能力计算公式可以准确地计算采用连续钢板的铰缝结合面承载能力;未采用结合面钢筋的深铰缝,结合面法向强度为1.29 MPa,为弱侧混凝土轴心抗拉强度的39%,结合面切向强度为0.45 MPa,为弱侧混凝土轴心抗压强度的1.5%;采用间断钢筋和连续钢板的铰缝结合面法向强度较未采用结合面钢筋的铰缝分别提高了98%和73%,结合面切向强度分别提高了71%和78%;普通混凝土浅铰缝结合面法向强度为1.30 MPa,为弱侧混凝土轴心抗拉强度的40%,结合面切向强度为0.33 MPa,为弱侧混凝土轴心抗压强度的1.1%;采用UHPC填充深、浅铰缝的结合面法向强度较普通混凝土填充深、浅铰缝分别提高了13%和21%,结合面切向强度分别提高了64%和94%。     

结合面底部带门式钢筋的铰接空心板破坏模式分析

以在空心板与铰缝构造结合面底部布设门式钢筋的深铰缝构造为研究对象, 参照2007年交通运输部颁布的装配式空心板桥标准图, 设计了一跨8 m足尺模型, 通过试验和非线性有限元法分析了车辆荷载作用下铰接空心板破坏类型、破坏位置与开裂荷载等破坏模式。分析结果表明: 试验验证了铰接空心板非线性有限元模型能较好地模拟铰接空心板在车辆荷载作用下的受力性能; 在空心板与铰缝结合面的三个方向的黏结滑移关系中, 应以竖向相对滑移量作为结合面黏结破坏失效的指标; 在车辆荷载作用下, 空心板与铰缝结合面是最薄弱的受力部位, 当荷载达到69 kN(0.99倍车辆荷载)时, 空心板与铰缝结合面底部开裂, 但当荷载达到85 kN(1.21倍车辆荷载)时, 空心板跨中截面底部才出现横向裂缝; 与在结合面底部不设门式钢筋的空心板相比, 在结合面底部设置门式钢筋后虽不能明显提高铰缝构造的开裂荷载, 但可以将铰缝通缝荷载从140 kN(2.00倍车辆荷载)提高至199 kN(2.84倍车辆荷载), 且不出现贯通的纵桥向裂缝。     

横向钢板加固对空心板桥受力影响研究

为了探究铰接空心板桥横向加固后的横向受力分配变化及其计算方法,引入横向受力分配比的概念,对某简支空心板加固前后的荷载试验数据与铰接板法及修正刚接板法的理论计算结果对比,发现通过横向受力分配比实测值与计算值对比可以清晰展示单板受力现象,但实测数据形成的趋势线很不平滑;因此,引入横向受力分配增长值作为参数进行分析。虽然桥面现浇层及横向钢板加固增强了横向刚度,但实测横向受力分配比与按铰接板法的计算值吻合更好,说明铰接板法理论可以满足此类桥梁加固前后的横向分布计算。     

结合面底部设开孔钢板的铰接空心板力学性能

针对现有铰接空心板桥的薄弱部位——铰缝, 提出一种在空心板与铰缝结合面底部设开孔钢板的空心板构造, 通过开孔钢板改变结合面裂缝开展的路径, 达到延缓空心板与铰缝结合面通缝形成的目的, 并进行了8m跨径的铰接空心板足尺模型试验。在试验和非线性有限元分析的基础上, 与结合面底部带钢筋的铰接空心板试验进行了对比。分析结果表明: 当试验荷载为100kN (1.43倍车辆荷载) 时, 空心板跨中出现横向裂缝, 空心板梁整体刚度降低, 空心板受力状态由弹性阶段进入弹塑性阶段; 在试验荷载加至300kN (4.29倍车辆荷载) 为止的整个加载过程, 未观察到空心板与铰缝结合面底部出现裂缝; 当结合面底部设门式钢筋时, 裂缝沿结合面从下向上扩展, 最终形成通缝, 然而, 当结合面底部设开孔钢板后, 铰缝沿结合面开裂至开孔钢板下方后, 裂缝的扩展需要绕过开孔钢板, 使得开孔钢板下方铰缝混凝土开裂后, 再沿开孔钢板上方结合面向上扩展, 形成通缝; 铰缝开裂荷载由结合面设置钢筋的69kN (0.99倍车辆荷载) 提高到314kN (4.49倍车辆荷载), 提高了3.50倍; 铰缝形成通缝时的荷载由结合面设置钢筋的199kN (2.84倍车辆荷载) 提高到489kN (6.99倍车辆荷载), 提高了4.51倍。可见, 在结合面底部设开孔钢板后, 铰缝裂缝开展路径发生变化, 延缓了空心板与铰缝结合面的开裂。     

无缝化改造的空心板桥受力性能

对某多跨空心板桥进行了无缝化改造, 简支板改为双排支座连续板, 桥台改为延伸桥面板桥台, 取消了全桥的伸缩装置; 测试了实桥静动载, 研究了无缝化改造后的多跨空心板桥受力性能; 应用有限元模型, 计算了结构受力、承载力、引板受力及单、双排支座对结构力学性能的影响。测试结果表明: 无缝化改造后的桥梁实测基频为8.60Hz, 高于改造前的5.37Hz, 4种车速下实测冲击系数最大值为1.11, 小于《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60—2004) 的计算值1.36, 应变与挠度校验系数均小于0.95, 因此, 无缝化改造提高了全桥整体性能, 改善了行车条件。有限元分析结果表明: 无缝化改造后桥梁基频的计算值为8.48Hz, 实测基频与计算基频比值为1.01, 因此, 改造后桥梁功能状况良好; 跨中截面的正弯矩明显降低, 第2跨跨中降幅最大, 达15.6%, 但内支座处出现了负弯矩, 同时剪力增大, 最大增幅为18.2%;跨中挠度明显降低, 以第2、3跨降幅最大, 达35.5%, 桥梁整体刚度明显提高; 最大裂缝宽度计算值为0.15mm, 小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) (简称《桥规》) 规定的0.20mm, 承载力、挠度和裂缝宽度验算均满足《桥规》要求; 支座排数对上部结构的受力影响较小, 采用双排支座是可行的; 引板与地基的摩擦因数对引板和铺装层轴向力影响较大, 对弯矩影响较小; 引板和铺装层最大拉应力分别为0.87、1.25MPa, 满足设计强度要求。     

斜拉桥桥塔节段力学性能

基于宁波市外滩大桥桥塔节段, 采用预应力钢绞线自平衡加载方式进行1∶3.34桥塔节段缩尺模型荷载试验, 采用非线性有限元方法, 研究了考虑初始缺陷和局部屈曲的桥塔节段的传力路径、受力特性、实际承载能力和局部失稳机理。研究结果表明: 外荷载主要由主塔两外箱各板件承担, 从靠近截面突变处开始, 外箱和内箱各板的应力分别呈现递增和递减的趋势, 内箱承受的外荷载逐渐向外箱传递, 各板应力最大值均出现在截面形状突变处; 根据截面平均应力与测点应力的关系可将桥塔节段测点分成轴压、向钢箱内、外侧压弯三类; 试验得到桥塔节段的强度折减系数大于0.90, 且采用有限元分析得到节段模型的极限荷载是理论极限荷载的1.06倍; 虽然纵向加劲肋和横隔板结构能有效防止桥塔结构中加劲板件的局部屈曲, 但因截面突变处容易造成应力集中, 是最易发生局部屈曲破坏的位置, 因此, 应注意截面突变处外箱顶底板与内腹板交接附近的纵向加劲肋的设计与施工; 在极限荷载作用下, 外箱各板件在截面突变处会因局部屈曲而导致无法继续承载。     

桥头搭板受力特性及适应性

运用MARC软件, 通过研编用户子程序模拟车辆的移动荷载, 应用迭代接触算法Contact和单元生死技术模拟搭板与填土之间接触和脱空的不同受力状态, 并基于均匀沉降和不均匀沉降两种地基模式, 考虑搭板受力和变形的耦合, 分析了搭板的受力特性和适应性。当脱空长度在1.08 m范围内时, 板底弯拉应力值与完全弹性支承时相等, 但随着脱空长度的继续增大而显著增大, 完全脱空时板底弯拉应力与简支板相等, 板底最大弯拉应力的荷载作用位置在桥台与1/2板长之间。搭板对地基沉降的适应性表现为: 长度6 m的搭板适用于处理地基沉降在3 cm以内的桥头路段; 8 m长度的搭板适用于处理地基沉降在4 cm以内的桥头路段, 而10 m搭板适用于处理地基沉降在5 cm以内的桥头路段。     

采用墙式整体桥台的无缝桥受力特征

建立了考虑桥台-土相互作用的墙式整体桥台无缝桥的空间有限元模型, 采用实测数据验证了模型的准确性; 分析了不同荷载工况下主梁与桥台的受力特征, 研究了温度、台后填土密实度与桥梁跨径对桥梁受力特征的影响。研究结果表明: 与同等跨径简支梁桥相比, 墙式整体桥台无缝桥受力最不利主梁的跨中弯矩降低了20%~40%, 跨中与梁端弯矩之和降低了约28%, 说明主梁内力分布比较均匀, 结构纵、横桥向整体性增强; 桥台顶部存在较大的弯矩和剪力, 桥台变形比较复杂; 墙式整体桥台无缝桥的内力和变形受温度作用的影响较为明显, 且梯度升温与整体降温在梁端产生正弯矩, 梯度降温与整体升温在梁端产生负弯矩, 因此, 设计过程中对于不同的构件应选用合适的荷载工况; 台后填土密实度由松散变化至密实时, 整体升温或降温作用下主梁梁端和跨中弯矩变化幅度小于5%, 桥台变形幅度小于9%, 说明台后填土密实度对主梁弯矩和桥台变形的影响较小; 当桥梁跨径由6m增加至13m时, 桥台顶部弯矩增加了1.781倍, 桥台内力随跨径的增大而快速增大, 因此, 在墙式整体桥台无缝桥梁的设计时, 建议最大跨径不超过10m, 以控制桥台在正常使用极限状态下的混凝土裂缝宽度。     

薄层沥青混凝土在桥面铺装中的力学响应

采用ABAQUS有限元分析软件, 建立水泥混凝土箱梁桥与工字梁桥三维整体有限元模型, 分别研究了不同厚度薄层沥青混凝土铺装层在车辆荷载和温度荷载作用下的力学响应, 以及铺装层自重对桥梁结构内力的影响。研究结果表明: 在车辆荷载作用下, 铺装层厚度由4 cm增加至12 cm时, 箱梁桥与工字梁桥铺装层最大竖向剪应力分别增长了约72%与40%, 因此, 薄层铺装能够降低层内竖向剪应力水平, 有利于缓解车辙病害的发展; 在温度荷载作用下, 铺装层厚度对层内拉应力及层底剪应力的影响并不明显, 力学指标基本处于同一水平; 在重力荷载作用下, 厚度为4 cm的薄层铺装相对于12 cm的铺装层能够分别降低箱梁桥桥体内部最大Mises应力及最大主拉应力19.62%与17.70%, 而对于工字梁桥而言, 能够分别降低应力水平13.79%与10.16%, 从而改善了桥梁结构受力状况。可见, 薄层沥青混凝土应用于桥面铺装具有良好的力学可行性, 在综合考虑环境与材料性能的基础上可在实际工程中推广应用。     

复合沥青材料的钢桥面铺装力学计算

采用有限单元法。对正交各向异性板的钢箱梁以及桥面铺装进行了力学分析,通过模型分步评价钢桥和桥面铺装的相互作用效果,重点分析包括横隔板等大型构件在连续分布条件下的力学特征和U型肋的局部影响因素．荷载考虑重载车辆的垂直荷载和重载车遇到刹车时产生的力学变化。以界面的剪切破坏作为研究对象的主要破坏形式,针对这种主要的破坏形式,从力学分析的原理出发,相应地提出了力学分析的指标。同时,还对铺装层结构．铺装层模量以及超载等进行了一系列的敏感度分析,最终提出了考虑气候、交通量和超载的综合指标。