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悬索桥缆鞍系统侧向挤压作用的接触元法与计算公式

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工程力学 2024年

作者：白伦华王路沈锐利佛山大学土木与交通学院西南科技大学土木工程与建筑学院西南交通大学土木工程学院

在悬索桥塔顶鞍槽内，主缆钢丝与鞍槽侧壁及钢丝间均存在相互作用力，包括挤压力与摩擦力，其准确、高效的计算对主缆抗滑设计至关重要。本文提出一种接触元分析方法，为悬索桥缆鞍系统的建模与求解提供新的方法。以离散刚体理论为基础... 详细信息

在悬索桥塔顶鞍槽内，主缆钢丝与鞍槽侧壁及钢丝间均存在相互作用力，包括挤压力与摩擦力，其准确、高效的计算对主缆抗滑设计至关重要。本文提出一种接触元分析方法，为悬索桥缆鞍系统的建模与求解提供新的方法。以离散刚体理论为基础，引入有限元方法中节点与单元的概念，构思钢丝与钢丝间、钢丝与鞍槽间的接触元，该接触元为直线型单元，具有1个压力自由度。通过几何“线”模拟接触元并在钢丝圆心汇交为节点，可方便地建立整个缆鞍系统模型，支持大量不同摩擦系数的定义，生成系统方程组进行直接求解。基于ANSYS-MATLAB联合编程对方法进行实现，通过试验数据验证对方法的正确性进行了验证，并探讨了方法中钢丝扭转平衡问题及方法在随机分析方面的应用。最后，推导了钢丝对鞍槽侧压力及其合力的计算公式。研究成果为计算悬索桥缆鞍系统的抗滑分析提供参考。

关键词：主缆鞍座离散刚体接触元矩阵分析侧压力

预应力及钢筋混凝土桥梁疲劳寿命分析方法研究

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预应力及钢筋混凝土桥梁疲劳寿命分析方法研究

作者：白伦华天津大学

学位级别：硕士

预应力混凝土箱梁桥由于跨越能力强、刚度大、抗扭性能好、便于施工等优点而在桥梁工程界被广泛使用。但在使用过程中,也逐渐暴露出许多耐久性问题,如箱梁桥腹板开裂严重,主体结构长期持续下挠。进一步,腹板混凝土开裂后,为了能够更加... 详细信息

预应力混凝土箱梁桥由于跨越能力强、刚度大、抗扭性能好、便于施工等优点而在桥梁工程界被广泛使用。但在使用过程中,也逐渐暴露出许多耐久性问题,如箱梁桥腹板开裂严重,主体结构长期持续下挠。进一步,腹板混凝土开裂后,为了能够更加全面地反映桥梁的使用性能,腹板的疲劳寿命的评估值得引起重视。这些问题不仅关系到桥梁的正常使用,严重时可能对运营过程中的安全性构成威胁。因此,进行预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳开裂及疲劳寿命评估的研究十分迫切。另外,已建的用于小跨径的钢筋混凝土桥梁的疲劳问题也日益受到关注,如何快速准确地评价其疲劳寿命成为近些年桥梁界研究的热门课题。论文对预应力混凝土箱梁桥腹板及多跨钢筋混凝土梁桥的疲劳问题开展了系统地研究,分别提出了预应力混凝土箱梁桥腹板及多跨钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法,以便应用于工程实际。具体研究内容与成果如下:(1)通过总结预应力混凝土箱梁桥发展、箱梁桥结构分析理论、腹板斜裂缝成因、腹板疲劳问题研究现状,指出了现有研究中的不足。(2)查阅大量文献,通过介绍混凝土及钢筋的S-N曲线、仅考虑竖向剪力作用的腹板疲劳特性及横向效应下箱梁腹板的疲劳特性说明预应力混凝土箱梁桥的疲劳特性。给出了箱梁腹板疲劳寿命的具体含义。(3)结合箱梁的受力特点,基于梁杆有限元模型、变角度桁架模型及平面框架模型,提出了一种箱梁桥结构简化分析方法。为了准确反映腹板混凝土开裂后箍筋应力的情况,提出了考虑裂缝影响系数的箍筋应力计算公式,同时提出了考虑轴重、裂缝深度、梁高的裂缝影响系数的参数分析方法。基于线性疲劳损伤累积理论及箱梁桥结构简化分析方法,提出了预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法。通过实例研究,探讨了裂缝深度、箱梁横向效应、车辆与预应力耦合作用等对疲劳寿命计算结果的影响。(4)简单地介绍线弹性断裂力学的基本概念。由于现有疲劳寿命评估方法不能充分考虑裂纹萌生阶段及裂纹扩展阶段的寿命,提出了损伤—断裂理论的钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法。通过对某旧桥疲劳寿命评估的研究,分析对比了损伤力学,断裂力学及损伤—断裂理论三种方法计算结果的差异,说明了损伤—断裂理论方法的合理性。

关键词：预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳开裂疲劳寿命梁杆有限元模型变角度桁架模型平面框架模型裂缝影响系数损伤—断裂理论

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悬索桥主缆与索鞍间滑移行为及力学特征试验

中国公路学报 2018年第9期31卷 75-83,103页

作者：王路沈锐利白伦华王渊西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为明确主缆与索鞍间的滑移机理,给相关理论研究提供必要基础,开展了试验研究以揭示主缆在不平衡力作用下的滑移行为及力学特征。制定了以两端张拉丝股模拟主缆平衡状态、以单侧顶推索鞍模拟主缆偏载状态的加载方案,并设计了相应的试验... 详细信息

为明确主缆与索鞍间的滑移机理,给相关理论研究提供必要基础,开展了试验研究以揭示主缆在不平衡力作用下的滑移行为及力学特征。制定了以两端张拉丝股模拟主缆平衡状态、以单侧顶推索鞍模拟主缆偏载状态的加载方案,并设计了相应的试验模型及测试方法;考虑索股侧面摩擦及试验索股数目的影响,开展了共8种工况的试验测试,利用实测数据对索力发展特征、索股滑移行为、滑移时变效应及名义摩擦因数变化规律等关键问题进行了系统研究。结果表明:顶推索鞍初期所产生的不平衡力在索股间平均分配,随着不平衡力增大,索股相继滑移且滑移后基本维持其索力差不变;索股均已滑移后的缆力差的发展具有单向性,但残余缆力差相对较小;索股位移发展包括弹性变形、局部蠕动和滑移3个典型阶段;主缆滑移时变效应有限,即主缆滑移后仍具备较可靠的稳载能力;名义摩擦因数随索股相继滑移而增加的同时会引起较突出的索力不均匀性问题,故在主缆抗滑措施研究中尚需对该问题予以重视;侧面摩擦是索股分批滑移及索股数目对试验结果产生影响的根本原因,鉴于侧面摩擦显著的抗滑贡献,对其继续深入研究并充分应用具有重要意义;建议多塔悬索桥主缆与索鞍间的摩擦因数取值可放宽至0.2。

关键词：桥梁工程滑移机理模型试验主缆索鞍摩擦因数

自锚式悬索桥极限承载力及安全性评价方法研究

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铁道学报 2017年第11期39卷 89-96页

作者：沈锐利成新白伦华颜智法西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中交公路规划设计院有限公司大桥事业部北京100088

以鹅公岩轨道交通专用桥为工程背景,对自锚式悬索桥极限承载力及其安全性评价方法进行研究。从材料的单轴本构模型出发,介绍杆单元与纤维梁单元弹塑性刚度矩阵的计算方法,基于U.L.列式编制相应的杆系有限元计算程序。对活载独立增大及... 详细信息

以鹅公岩轨道交通专用桥为工程背景,对自锚式悬索桥极限承载力及其安全性评价方法进行研究。从材料的单轴本构模型出发,介绍杆单元与纤维梁单元弹塑性刚度矩阵的计算方法,基于U.L.列式编制相应的杆系有限元计算程序。对活载独立增大及恒活载同比增大两种典型荷载模式下四种工况的极限承载力计算结果进行分析,揭示了自锚式悬索桥的破坏过程中位移、截面刚度变化规律及失效机制。结合JTG/T D65-01—2007《公路斜拉桥设计细则》中大跨度桥梁非线性分析时主梁安全系数的规定,根据荷载效应等效原则,推导活载安全系数的计算公式,通过与规范对比分析发现,其计算结果更为严格,并就该公式及规范评价吊索与主缆安全性出现的结果不一致性进行分析。

关键词：桥梁工程稳定自锚式悬索桥极限承载力二阶非线性弹塑性截面特性

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自锚式悬索桥的面内稳定性

吉林大学学报（工学版） 2019年第5期49卷 1500-1508页

作者：白伦华沈锐利张兴标王路西南交通大学桥梁工程系

为完善自锚式悬索桥面内稳定性理论,首先通过结构稳定性的概念初步判定该桥型不存在面内分岔失稳的可能性;进而在自锚式悬索桥挠度方程中通过引入位移干扰量,以幂级数干扰位移形式反证其不会出现面内弹性分岔失稳;最后以实桥为例,通过... 详细信息

为完善自锚式悬索桥面内稳定性理论,首先通过结构稳定性的概念初步判定该桥型不存在面内分岔失稳的可能性;进而在自锚式悬索桥挠度方程中通过引入位移干扰量,以幂级数干扰位移形式反证其不会出现面内弹性分岔失稳;最后以实桥为例,通过数值模型按弹性及弹塑性稳定理论计算分析了桥梁的荷载系数、破坏模式等。结果表明:在挠度理论适用范围内,自锚式悬索桥不存在面内分岔失稳;数值分析结果显示该实桥面内分岔失稳由吊索断裂引起,超出挠度理论应用范围,而极限承载力能满足安全性要求。

关键词：桥梁工程自锚式悬索桥稳定理论数值分析方法主缆-吊索-主梁闭合传力路径挠度理论分岔失稳

共旋坐标系下考虑剪切变形的薄壁钢构件纤维梁单元

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建筑结构学报 2024年第10期45卷 181-192,205页

作者：白伦华刘耀鹏王涛丁乐扬刘佳亮佛山科学技术学院交通与土木建筑学院广东佛山528225 华南理工大学土木与交通学院广东广州510641 香港理工大学土木及环境工程学系中国香港999077 西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621010 沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳110168

为实现复杂薄壁截面钢结构的静力弹塑性高效计算分析,提出一种共旋坐标系下考虑剪切变形的薄壁钢构件纤维梁单元。以中长薄壁构件为研究对象,梁单元的刚度矩阵基于欧拉梁理论推导而得。在该单元中,采用一维薄壁单元模拟薄壁截面,可以提... 详细信息

为实现复杂薄壁截面钢结构的静力弹塑性高效计算分析,提出一种共旋坐标系下考虑剪切变形的薄壁钢构件纤维梁单元。以中长薄壁构件为研究对象,梁单元的刚度矩阵基于欧拉梁理论推导而得。在该单元中,采用一维薄壁单元模拟薄壁截面,可以提供截面纤维信息,考虑材料非线性的影响,并可计算剪切系数,考虑剪切变形的影响。在求解过程中,使用共旋坐标系法扣除单元节点增量位移的刚体位移部分,以加快收敛速度。同时,还提出了材料非线性的数值调整策略,以提高单轴本构模型应用于考虑剪切变形梁单元中的适用性,并开发了专用的计算程序。对弯梁、坦拱、悬臂梁与柱的算例分析验证了所开发程序应对薄壁构件几何非线性、材料非线性计算的准确性;对带肋薄壁钢构件框架的计算分析则表明,该程序可有效预测复杂薄壁截面结构考虑剪切变形后的非线性响应。

关键词：薄壁钢构件欧拉梁理论共旋坐标系纤维梁模型薄壁截面模型剪切变形材料非线性

预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法研究

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公路交通科技 2015年第8期32卷 113-119页

作者：白伦华朱劲松天津大学建筑工程学院天津300072 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学) 天津300072

基于疲劳损伤累积理论,提出一种预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法。首先,分析预应力混凝土箱梁桥腹板受力特性,建立腹板与顶板早期开裂及腹板疲劳破坏准则;然后,通过箱梁桥局部平面有限元模型计算横向效应下混凝土及箍筋应力,基... 详细信息

基于疲劳损伤累积理论,提出一种预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法。首先,分析预应力混凝土箱梁桥腹板受力特性,建立腹板与顶板早期开裂及腹板疲劳破坏准则;然后,通过箱梁桥局部平面有限元模型计算横向效应下混凝土及箍筋应力,基于混凝土S-N曲线分析混凝土疲劳开裂,引入裂缝影响系数对箍筋应力进行修正,基于全桥杆系有限元模型及变角度桁架模型计算仅考虑面内剪力作用下箍筋应力,两者叠加得到空间效应下箍筋应力历程,以雨流计数法获取箍筋应力谱,并基于疲劳损伤累积理论对箍筋进行疲劳寿命评估;最后,对一实例分析,同时分析箱梁横向效应、裂缝深度等对箍筋应力及疲劳寿命的影响。结果表明:当裂缝深度达到腹板保护层厚度时,箱梁横向效应对桥梁腹板寿命影响较大,可使其发生疲劳破坏。

关键词：桥梁工程预应力混凝土箱梁桥数值分析腹板疲劳寿命评估方法变角度桁架模型箱梁横向效应

2060 MPa级高强钢丝高温力学性能及破断模式

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建筑材料学报 2024年第3期27卷 230-236页

作者：陈巍沈锐利白伦华齐东春杨俊三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学) 湖北宜昌443002 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 佛山科学技术学院交通与土木建筑学院广东佛山528225

采用非接触式光学应变测试系统,跟踪测试了2060 MPa级高强钢丝试件在20~900℃下的全过程应力-应变曲线,建立了高温钢丝各力学性能指标的高温函数模型,得到其高温破断参数.结果表明:高温下高强钢丝试件的各力学性能指标均有不同程度折损... 详细信息

采用非接触式光学应变测试系统,跟踪测试了2060 MPa级高强钢丝试件在20~900℃下的全过程应力-应变曲线,建立了高温钢丝各力学性能指标的高温函数模型,得到其高温破断参数.结果表明:高温下高强钢丝试件的各力学性能指标均有不同程度折损.当温度低于200℃时,试件的力学性能指标折损率不超过10%,破断模式为脆性破坏;当温度超过200℃后,试件的各力学性能指标折损率显著增大,破断模式逐渐由脆性破坏转变为塑性破坏.

关键词：高强钢丝应力-应变曲线高温力学性能指标折损程度破断模式

考虑局部屈曲加劲钢箱形构件极限承载力的纤维梁柱模型

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土木工程学报 2024年第4期57卷 34-47,110页

作者：白伦华沈锐利颜全胜刘耀鹏王路佛山科学技术学院广东佛山528225 西南交通大学四川成都610031 华南理工大学广东广州510641 香港理工大学中国香港999077 西南科技大学四川绵阳621010

大型桥梁加劲钢箱形构件的极限承载力会受到板件局部稳定性能的影响,而目前尚缺乏成熟的可直接计入局部屈曲的高效计算模型。归纳总结国内外钢构件计算方法对局部屈曲的处理方式,明确以有效应力法即采用板件(或加劲板)平均受压应力-应... 详细信息

大型桥梁加劲钢箱形构件的极限承载力会受到板件局部稳定性能的影响,而目前尚缺乏成熟的可直接计入局部屈曲的高效计算模型。归纳总结国内外钢构件计算方法对局部屈曲的处理方式,明确以有效应力法即采用板件(或加劲板)平均受压应力-应变曲线简化局部屈曲效应的研究思路。通过有限元程序ANSYS二次开发钢板拉压非对称本构模型,提出一种可直接计入局部屈曲的纤维梁柱模型。材料本构模型中受压应力-应变曲线通过小型的加劲板板壳模型得到,且全面考虑了焊接残余应力与几何缺陷。搜集已开展的钢箱梁、钢桥塔及钢拱肋的稳定性试验,采用提出的纤维梁柱模型、板壳模型与传统弹塑性梁柱模型进行分析,展示截面纤维划分策略,验证文中纤维梁柱模型的可靠性与高效性;通过设置不同的缺陷参数,探讨缺陷水平与局部屈曲对各个构件极限承载力的影响。研究表明,随着缺陷水平的严重,局部屈曲会显著降低极限承载力,提出的纤维梁柱单元模型能够有效地预测加劲钢箱形构件的极限承载力,具有较广泛的应用前景。

关键词：加劲钢箱形构件加劲板局部屈曲受压应力-应变曲线纤维梁柱单元板壳有限元模型