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钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节疲劳应力特征

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南京工业大学学报（自然科学版） 2021年第3期43卷 381-389页

作者：刘青茹吉伯海姚悦傅中秋河海大学土木与交通学院江苏南京210098

为研究钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节的疲劳应力特征,通过建立四跨连续钢板梁桥整体有限元模型以及无横梁处、小横梁处主梁两种节段有限元模型,提取疲劳荷载移动下的两主梁竖向位移差,对比分析无横梁与小横梁两种情况主梁相对... 详细信息

为研究钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节的疲劳应力特征,通过建立四跨连续钢板梁桥整体有限元模型以及无横梁处、小横梁处主梁两种节段有限元模型,提取疲劳荷载移动下的两主梁竖向位移差,对比分析无横梁与小横梁两种情况主梁相对竖向位移的差异及原因,进一步提取主梁与竖向加劲肋连接细节应力,讨论无横梁与小横梁两种情况主梁与竖向加劲肋连接细节疲劳应力的差异,得到钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节的疲劳易损部位。结果表明:车辆荷载对主梁构造应力顺桥向影响范围为荷载所在跨范围内,横桥向对无横梁处主梁的竖向位移差影响效果更大;无横梁处主梁在主梁腹板与下翼缘连接焊缝的焊趾处有较大拉应力,而小横梁处主梁在竖向加劲肋与主梁腹板围焊端部的焊趾处产生更大的拉应力。

关键词：钢板组合梁桥疲劳应力应力特征车辆荷载竖向位移

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钢板组合梁桥动力响应分析

钢板组合梁桥动力响应分析

作者：严瑾合肥工业大学

学位级别：硕士

本文以老屋村钢板组合梁桥为研究对象,利用大型有限元软件ANSYS进行实桥建模分析。研究了考虑桩土相互作用情况下钢板组合梁的动力响应特性;采用频域分析与时域分析相结合的方法研究钢板组合梁在地震荷载作用下的动力响应;并从钢板组合... 详细信息

本文以老屋村钢板组合梁桥为研究对象,利用大型有限元软件ANSYS进行实桥建模分析。研究了考虑桩土相互作用情况下钢板组合梁的动力响应特性;采用频域分析与时域分析相结合的方法研究钢板组合梁在地震荷载作用下的动力响应;并从钢板组合梁内力、位移、速度及加速度响应出发研究了竖向地震及桩土相互作用等对钢板组合梁地震响应的影响;考虑到桥梁建成后主要承受车辆动荷载作用,分析了不同车重,不同车速作用下钢板组合梁的内力,主梁挠度,速度,加速度的变化特征。本文的主要研究工作如下:(1)首先对组合梁桥地震响应静力分析方法,频域分析方法,时域分析方法的基本理论做了整理回顾,同时对钢板组合梁模型的建立做了详细介绍。对桥梁移动荷载动态响应匀速力,匀速质量,匀速简谐力,以及单轴、多轴分析理论方法做了整理回顾,同时对车桥耦合模拟做简要介绍。(2)对钢板组合梁桥建立精细化实体模型,对比分析了考虑与不考虑桩土相互作用下结构的动力特性,研究表明,桩-土相互作用对钢板组合梁位移,速度,加速度及内力均有较大影响,在地震反应研究中不可忽略;为了研究竖向地震对桥梁结构的影响,采用考虑桩-土相互作用的集中质量模型并从频域和时域分析出发对钢板组合梁桥进行多工况地震反应分析。研究表明,在竖向地震作用下,组合梁结构内力均有一定程度增加,其中,竖向地震对结构轴力的影响较大,对结构弯矩及剪力的影响较小;此外,竖向地震也会使得结构的位移增大约10%左右;(3)将车辆荷载简化为匀速常力,并采用此方法对25m简支梁桥做车桥耦合模拟,并将所得结果与解析解做对比分析,研究表明,采用匀速常力模拟车辆荷载所得结果与解析解结果拟合较好,证明模拟方法的可行性与模拟结果的准确性;采用匀速常力模拟车辆作用模拟不同车速作用下钢板组合梁的动力响应,结果表明,当车速较小时,车速对钢板组合梁的影响较小,当车速达到220km/h时,随着车速的增加,钢板组合梁各点挠度、速度等呈线性增加趋势;采用匀速常力模拟车辆作用模拟不同车重作用下桥梁的动力响应并做对比分析。研究表明,车速对钢板组合梁各点挠度的影响呈线性增加的趋势,当车重小于40t时,车重对桥梁结构各点的速度、加速度影响较小,当车重大于40t时,结构各点速度、加速度值增加巨大;此外,车重对钢板组合梁对上缘应力几乎没有影响,但下缘应力影响较大,基本呈线性增加趋势。

关键词：钢板组合梁桥有限元地震响应移动荷载动力响应

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钢板组合梁桥温度-风荷载耦合作用效应研究

钢板组合梁桥温度-风荷载耦合作用效应研究

作者：姚龙龙新疆大学

学位级别：硕士

钢板组合梁桥由于成桥速度快,构造简单,自重轻等优点,在桥梁建设中得到了广泛的应用,温度效应和风荷载为控制钢板组合桥梁设计的主要因素。一方面由于钢板组合梁桥截面面积较小,刚度低,在风荷载以及温度作用下桥梁线形变化较大,尤其在... 详细信息

钢板组合梁桥由于成桥速度快,构造简单,自重轻等优点,在桥梁建设中得到了广泛的应用,温度效应和风荷载为控制钢板组合桥梁设计的主要因素。一方面由于钢板组合梁桥截面面积较小,刚度低,在风荷载以及温度作用下桥梁线形变化较大,尤其在钢板组合梁桥施工阶段。且随着钢板组合梁桥的普及,高墩钢板组合梁桥也愈发常见,对于高墩钢板组合梁桥而言,由于施工期的加长,施工期间遇到极端气候条件的情况几率再次增加;另一方面,桥梁抗风规范按照全风向考虑,但桥梁作为一种纵横向尺寸差距较大的结构,对于风荷载的研究不区分风向显然是不合理的。本文以盆克特2号大桥的3×50m钢板组合梁桥主桥为主要研究对象,针对桥梁施工过程中桥梁可能遇到的不利气候环境,由此展开对钢板组合梁桥温度-风荷载耦合作用效应的研究,主要研究内容与成果如下:（1）通过对木垒地区在不同风速与风向下观测得到的资料进行整理,按照风速风向联合分布理论的计算公式,使用最小二乘法进行参数估计,得到不同风向的风速概率函数,计算出不同风向与全风向10年重现期与100年重现期的基本风速,通过使用全风向计算得到的基本风速与规范中给出的基本风速对比,验证了风速概率函数的正确性,分析表明同一地区不同风向下的基本风速差别较大,在不考虑风向时计算得出的基本风速趋于保守。（2）考虑地形与高度对风速的影响,依据计算所得的基本风速得出设计基准风速;采用Fluent软件建立有限元模型,计算得到不同风向下钢板组合梁桥所受风荷载以及不同风攻角下钢板组合梁桥的静力三分力系数;最后同时考虑风向与风速两个影响因素,得到盆克特2号大桥主桥最不利风向为WNW风向,最不利风攻角为10°风攻角。（3）建立Midas有限元模型,通过有限元模型分析了钢板组合梁桥的温度、风荷载各单一作用下桥梁在不同施工阶段的线形变化,对桥梁线形变化规律进行对比分析;考虑了风速对温度的影响,分析了温度-风荷载耦合作用下,不同施工阶段主梁的线形变化;最后,对比了不同工况下桥梁竖向位移最大位移值,得到桥梁在单片梁架设阶段升温温度梯度-风荷载耦合作用下为最不利工况。

关键词：钢板组合梁桥风速风向联合分布静风荷载温度-静风荷载耦合效应有限元分析

钢板组合梁桥设计参数适应性与技术经济性分析

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钢板组合梁桥设计参数适应性与技术经济性分析

作者：程观奇长安大学

学位级别：硕士

目前我国正处于推进公路钢结构桥梁建设、实施绿色交通发展的历程中,钢板组合梁桥由于可采用轻型化钢混组合结构、工厂化生产预制、标准化组装施工,在工程中应用逐渐增多,研究也逐步深入。本文依托陕西省交通运输厅科研项目—钢板-混凝... 详细信息

目前我国正处于推进公路钢结构桥梁建设、实施绿色交通发展的历程中,钢板组合梁桥由于可采用轻型化钢混组合结构、工厂化生产预制、标准化组装施工,在工程中应用逐渐增多,研究也逐步深入。本文依托陕西省交通运输厅科研项目—钢板-混凝土组合梁桥建造关键技术研究与工程示范,对这种双主梁结构、跨内只布置小横梁、腹板只设竖向加劲肋的钢板组合梁桥,研究了跨径组成为3×35m连续梁桥的受力性能和技术经济性,通过有限元计算分析主要设计参数的影响,得到合理范围并给出相应设计建议。所做主要工作和成果有:(1)对钢板组合梁桥的研究现状和发展历程进行了介绍,分析我国发展钢板组合梁桥的推广意义,并梳理总结了一般构造组成和规范计算方法。(2)针对采用逐孔架设施工方法的三跨钢板组合连续梁桥建立有限元模型,在计算各施工阶段受力特性的基础上,对双主梁钢板组合梁桥应力、挠度和主梁用钢量进行技术特点研究。基于此,从主梁数量、钢梁高度、桥面宽度、下翼缘板尺寸、曲率半径等方面提出合理范围和设计建议。然后采用有限元梁格模型对关键设计参数包括主梁数量、钢梁高度、混凝土桥面板厚度、小横梁数量、曲率半径进行研究,得到各设计参数对钢板组合梁桥横向分布的影响规律和设计建议。(3)提出了以混凝土、普通钢筋、钢材三材的每平方米用量和每平方米桥的造价作为钢板组合梁桥技术经济指标的观点,通过计算国内18座钢板组合梁桥材料用量现状,拟合得到三材用量和自重与跨径的数学表达式,并通过与混凝土梁桥进行技术经济性对比,得到钢板组合梁桥的技术经济优势。(4)通过理论研究,分别从满足截面抗弯惯性矩和钢梁应力要求两方面推导得到钢板组合梁桥经济梁高表达式。并研究钢板组合梁桥的全寿命周期成本组成,通过划分为规划建造成本、运营管理成本和拆除回收成本三部分,分别建立计算模型并评价技术经济性。

关键词：钢板组合梁桥设计参数受力性能技术经济性

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钢板组合梁桥动力冲击系数研究

钢板组合梁桥动力冲击系数研究

作者：颜锐重庆大学

学位级别：硕士

钢板组合梁桥因具有构造简单、自重较轻且经济跨径范围大的特点,在我国中小跨径桥梁中有着广阔的应用前景。目前对钢板组合梁桥静力性能的研究已经较为完善,动力性能方面的研究却较少。由于钢板组合梁抗扭性能相对较差,在偏载作用下可... 详细信息

钢板组合梁桥因具有构造简单、自重较轻且经济跨径范围大的特点,在我国中小跨径桥梁中有着广阔的应用前景。目前对钢板组合梁桥静力性能的研究已经较为完善,动力性能方面的研究却较少。由于钢板组合梁抗扭性能相对较差,在偏载作用下可能造成更大的动力响应。本文受国家重点研发计划资助项目(2016YFC0701202)的资助,对钢板组合梁桥动力冲击系数进行了分析,主要研究内容及结论如下:(1)推导钢板组合梁动力平衡方程及Newmark-β法迭代求解的表达式,采用ANSYS有限元软件建立双轴7自由度汽车模型和四轴27自由度列车模型,给出单元参数设置;采用MATLAB实现路面及轨道不平顺的模拟;基于路面接触法给出车桥耦合振动的模拟仿真全流程。(2)根据SMDI通用图标准设计了4座跨度在20～50m的公路简支工字型钢板组合梁桥,研究结构基频、路面不平度、行车速度和行车位置对其动力冲击系数的影响。结果表明:冲击系数随结构基频增加而增大,但增长率随基频增加呈现减小趋势;在基频、速度和行车位置一定的情况下,路面等级越差,桥梁冲击系数越大;冲击系数随车速变化趋势是由车辆和桥梁结构属性共同决定,本文在20km/h和100km/h条件下有较大冲击系数;20m跨径、5.87Hz基频下钢板组合梁桥抗扭转性能较差,汽车偏载条件会造成冲击系数的显著增大;而跨径较大、基频较小时行车位置不是影响冲击系数的主要因素。(3)根据拟建的川藏冻土地区铁路桥梁设计图,设计3座跨度在32～48m的无砟轨道钢板组合梁桥,研究结构基频、轨道不平顺、列车速度和列车编组对其动力冲击系数的影响。结果表明:冲击系数随基频增大而增大;轨道不平顺是车桥耦合振动重要激励源,高干扰谱相对于低干扰谱能产生更大的冲击系数;车速与桥梁结构基频满足一定关系会产生共振,大幅增加结构的冲击系数,同时由于共振具有区间性,在共振速度附近冲击系数也会明显偏大;单车编组过桥不会产生共振效应,但其冲击系数大于同等条件下非共振速度区间内多车编组所产生的冲击系数;多车编组过桥,满足3.61)(9/4)时会产生共振效应,当多车编组列车总长度超过桥梁结构跨度时,产生的冲击系数趋同。(4)将拟合得到的公路和铁路钢板组合梁桥冲击系数公式与规范进行对比。结果表明:本文拟合公式均高于中国公路和铁路桥梁规范中冲击系数的取值。一是由于中国规范主要针对箱梁桥进行实测数据的拟合,并不能代表钢板组合梁桥的动力冲击系数;二是由于钢板组合梁桥横向连接刚度及抗扭转性能不及箱梁桥,在偏载条件下会造成动载效应进一步放大。因此建议在中小跨径钢板组合梁桥设计中,适当调高冲击系数取值。

关键词：桥梁工程钢板组合梁桥车桥耦合振动动力冲击系数数值模拟

钢板组合梁桥日照非均匀温度场及温度效应研究

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钢板组合梁桥日照非均匀温度场及温度效应研究

作者：张宸瑜长安大学

学位级别：硕士

日照温度场和温度效应对钢板组合梁桥的安全性和耐久性具有重要影响。本文对钢板组合梁桥的日照非均匀温度场和温度效应进行研究,重点开展了模型试验、数值模型开发、温度作用参数敏感性分析、施工阶段温度梯度分析和温度效应评估等工... 详细信息

日照温度场和温度效应对钢板组合梁桥的安全性和耐久性具有重要影响。本文对钢板组合梁桥的日照非均匀温度场和温度效应进行研究,重点开展了模型试验、数值模型开发、温度作用参数敏感性分析、施工阶段温度梯度分析和温度效应评估等工作。本文的主要研究内容和成果如下:(1)开展了钢板组合梁节段温度场试验,分析了钢板组合梁温度分布随时间和空间的变化规律,为桥梁日照温度场数值模型的验证和参数标定提供了试验基础。(2)建立了桥梁日照温度场的环境作用模型,提出了梁桥实时阴影识别方法,基于通用有限元软件ABAQUS用户定义子程序DFLUX开发了考虑实时阴影的组合梁桥日照温度场数值模型,实现了组合梁桥日照温度场的长期精细模拟。利用15个月的温度场试验测试数据,验证了方法和模型的准确性和高效性。(3)在平截面假定基础上,对任意二维钢板组合梁桥日照温度场进行分解,推导得到了与温度效应对应且相互独立的温度作用指标,利用温度作用指标对桥梁日照温度场数值模型开展了进一步验证。探明了钢板组合梁桥温度作用的时间分布规律,揭示了各温度作用指标的最不利时刻。(4)应用Python参数化建模和脚本后处理,分析了季节、地理、热工和截面参数等11个因素对钢板组合梁桥温度作用的影响规律,确定了钢板组合梁桥各项温度作用的最不利参数组合。(5)基于钢板组合梁桥的最不利等效线性温差,分析并提出了与钢板组合梁桥施工阶段最大温度变形对应的竖向、横向温度梯度模式和取值。采用温度场-应力场顺序耦合方法,建立了考虑桥梁日照非均匀温度场的热-力耦合数值计算模型,以高原高寒地区为例,应用该模型分析了钢板组合梁在日照非均匀温度场下的温度应力和温度变形等热-力耦合响应。基于温度作用指标,提出了钢板组合梁桥温度变形的简便计算方法。

关键词：钢板组合梁桥非均匀温度场温度效应数值模拟施工阶段

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钢板组合梁桥关键受力性能分析与试验研究

钢板组合梁桥关键受力性能分析与试验研究

作者：程子涵湖南大学

学位级别：硕士

钢板组合梁是由混凝土顶板和通过横向联结系连接的平行工字钢主梁系构成的开口截面组合结构,是组合梁桥常用的结构形式之一。因其构造简单,受力明确,便于预制施工与维修养护,耐久性优势突出,在中小跨径桥梁的结构比选中有很强的竞争力,... 详细信息

钢板组合梁是由混凝土顶板和通过横向联结系连接的平行工字钢主梁系构成的开口截面组合结构,是组合梁桥常用的结构形式之一。因其构造简单,受力明确,便于预制施工与维修养护,耐久性优势突出,在中小跨径桥梁的结构比选中有很强的竞争力,具有实现“标准化设计”、“预制装配”、“快速施工”现代桥梁建设的潜力。钢板组合梁结构在国外的发展与应用中已较为成熟,而在我国由于研究起步较晚,目前在中小跨径桥梁中的应用并不常见,存有许多问题亟待解决。本文以一座中等跨径钢板组合梁桥为背景,分别从荷载横向分布、整体稳定性及负弯矩区受力性能三方面,对钢板组合梁桥的关键受力问题进行研究与探索。主要工作内容和研究成果如下:（1）基于采用“两片组合梁成榀预制、整体吊装”施工的钢板组合梁桥,针对榀内、榀间横向联结系布置数量不等的情况,探究其荷载横向分布规律。采用数值仿真的方法建立有限元模型进行分析,并将结果与理论方法计算值对比,结果表明:理论方法计算的荷载横向分布系数较大,偏于安全。接着,通过数值仿真重点分析了横向联结数量及尺寸、主梁数量、桥面板厚度几方面参数对荷载横向分布规律的影响,分析结果可为钢板梁桥的设计施工提供理论参考。（2）基于“先架设钢梁后铺设桥面板”的无支架施工钢板组合梁桥,以横向联结的数量和刚度为变量进行有限元分析,研究横向联结对平行钢梁系的整体稳定性的影响。结果表明:增加横向联结数量可大幅提高体系的整体稳定承载力,横向联结增加由2道至5道后,临界屈曲荷载系数增大了4倍以上;横向联结的数量比尺寸对平行梁系整体稳定的影响程度更大。（3）为探究UHPC在结构连续组合梁负弯矩区的抗裂与抗弯性能,完成一根钢-UHPC组合梁的负弯矩静力加载试验,获得了试验梁从加载到破坏全过程的主要试验结果,并分析了试验梁的裂缝发展、抗裂性能及极限承载力。结果表明:裂缝宽度小于0.13mm时,荷载-最大裂缝宽度曲线近似直线;弹性分析方法计算得到的UHPC翼板开裂强度为48.7MPa,远大于实桥荷载作用下桥面板的最大拉应力;采用考虑UHPC抗拉强度的简化塑性理论分析方法计算试验梁的抗弯极限承载力,与试验值吻合良好;建立依托工程的有限元杆系模型分析得到组合梁桥桥面板拉应力的分布,建议UHPC在负弯矩区合理的铺设长度为0.15L～0.2L。

关键词：钢板组合梁桥荷载横向分布整体稳定性负弯矩区 UHPC

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在役钢板组合梁桥的时变体系冗余性

哈尔滨工业大学学报 2023年第11期55卷 47-59页

作者：王晓明邹杰祁泽中陶沛王欢李兆辉长安大学公路学院西安710064 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司成都610041

为研究多梁式钢板组合梁桥应对非对称极端作用的体系非线性冗余性能,沿着结构的传力路径和体系的再平衡过程,辨识了体系承载的3种弯曲失效模式,推导了体系弹性分配和塑性再分配能力的定量评价新指标,建立了考虑承载机制经时变异性的时... 详细信息

为研究多梁式钢板组合梁桥应对非对称极端作用的体系非线性冗余性能,沿着结构的传力路径和体系的再平衡过程,辨识了体系承载的3种弯曲失效模式,推导了体系弹性分配和塑性再分配能力的定量评价新指标,建立了考虑承载机制经时变异性的时变体系冗余性评估方法。基于MATLAB/OpenSEES编制了单元纤维的时变演化参数组管理程序,研究了材料劣化对体系再平衡和内力重分配性能的影响规律;采用数值增量算法,开展了结构在非对称荷载下的弹塑性全过程分析,并通过与构件-体系层次的破坏性试验对比验证了数值模型的准确性,进而建立了基于纤维宏单元的时变体系非线性冗余数值模拟方法。研究结果表明:材料劣化会导致体系从多梁协同承载机制向单梁承载机制转换,并引起构件延性、体系冗余性和可靠性发生不同程度的退化;更适应现场快速装配需求的少主梁或少横联形式容易在服役年限出现构件安全性和体系冗余性不足的情况。主梁、中部横联和端部横联的失效对体系承载性能影响较大,为钢板组合梁桥的关键构件,其他横联的敏感性较低,为非关键构件。

关键词：体系非线性冗余钢板组合梁桥纤维宏单元安全性构件敏感性分析

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基于Kriging模型与FORM的钢板组合梁桥结构优化设计

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重庆交通大学学报（自然科学版） 2024年第8期43卷 1-9页

作者：王佐才张德林辛宇合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 安徽省道路与桥梁检测工程研究中心安徽合肥230009

考虑材料参数的不确定性以及设计变量多重约束条件的影响,提出了基于可靠性分析的钢板组合梁桥结构优化设计方法。首先,利用拉丁超立方试验设计(Latin hypercube design,LHD)构建试验组合方案,并通过有限元分析获取试验设计组合下的最... 详细信息

考虑材料参数的不确定性以及设计变量多重约束条件的影响,提出了基于可靠性分析的钢板组合梁桥结构优化设计方法。首先,利用拉丁超立方试验设计(Latin hypercube design,LHD)构建试验组合方案,并通过有限元分析获取试验设计组合下的最大挠度响应值。基于获取的训练样本,构建能够表征结构最大挠度值与随机输入之间映射关系的Kriging代理模型。基于建立的代理模型,以钢结构截面积最小化为目标函数,建立符合规范要求与可靠度约束的优化数学模型,并采用一阶可靠性方法(first order reliability method,FORM),实现设计变量优化。通过比较具有相同设计变量上限,但下限分别为初始值的80%和70%两种优化设计方案,评估了两者在相同阈值以及不同阈值下设计变量的优化结果。最后对方案二在阈值为17 mm下的优化结果进行极限状态验算。结果表明:两个优化设计方案在阈值为17 mm下的优化结果更具合理性,并且方案二在同一阈值下具有更高的优化程度。随着阈值增加,优化程度增加,且腹板高度在较大阈值下对结果影响更大,而翼缘宽度在较小阈值下影响更大。

关键词：桥梁工程基于可靠性的优化设计 Kriging模型一阶可靠性方法钢板组合梁桥极限状态验算

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