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基于正交试验的钢桁-混凝土组合梁优化设计

长安大学学报（自然科学版） 2023年第6期43卷 49-59页

作者：王世超李毅张岗朱军生庞兴发长安大学公路学院陕西西安710064 广东省公路建设有限公司湾区特大桥养护技术中心广东广州510000

为加快绿色交通建设,降低钢桁架结构桥梁建造中的碳排放,实现钢桁-混凝土组合梁结构快速经济合理的设计,提出同时考虑结构位移、构件应力和建材用量的整体结构多目标优化设计方法。以经济效益和结构整体性能提升为目标函数,以钢桁-混凝... 详细信息

为加快绿色交通建设,降低钢桁架结构桥梁建造中的碳排放,实现钢桁-混凝土组合梁结构快速经济合理的设计,提出同时考虑结构位移、构件应力和建材用量的整体结构多目标优化设计方法。以经济效益和结构整体性能提升为目标函数,以钢桁-混凝土组合梁中各构件设计参数为设计变量,结合钢桁-混凝土组合梁挠度和材料强度等约束条件,构建钢桁-混凝土组合梁多目标优化设计数学模型。选取钢桁架竖向高度、纵向节间长度、弦杆截面宽度和高度、斜腹杆截面宽度和高度以及桥面板厚度关键设计参数,分析整体结构主要截面挠度和关键构件最大应力对关键设计参数变化的敏感性。以敏感性分析结果为基础,选取关键设计参数作为正交试验因素,设计32组正交试验。提出钢桁-混凝土组合梁层次分析优化评定系数计算方法,并对32组正交试验结果进行评定,确定设计参数对优化评定系数影响的主次顺序,明确钢桁-混凝土组合梁设计中结构性能与经济效益之间的关联规律,获得其最优设计参数组合。研究结果表明:优化后结构钢材质量为976.03 t,与优化前相比节省用钢质量约5.1%,结构竖向挠度降幅约11.38%,杆件应力最大降幅为14.09%。基于正交试验的结构优化设计方法适用于钢桁-混凝土组合梁结构多目标优化设计,可助力国家“双碳”战略目标的实现。

关键词：桥梁工程钢桁-混凝土组合梁正交试验结构性能敏感性分析优化设计方法

基于全息挠曲线的钢桁-混凝土组合梁损伤识别

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铁道建筑 2020年第9期60卷 31-35页

作者：张鑫周志祥冯麟邵帅邓国军重庆交通大学土木工程学院重庆400074 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室重庆400074

开展钢桁-混凝土组合梁无损及多种有损工况下的试验研究,对桥梁损伤进行有效识别与判断。首先利用视觉测量装置获取沿跨度范围内不同荷载作用下组合梁的全息挠曲线;然后通过数据重构得到各截面的挠度影响线,构造Hankel矩阵并进行奇异值... 详细信息

开展钢桁-混凝土组合梁无损及多种有损工况下的试验研究,对桥梁损伤进行有效识别与判断。首先利用视觉测量装置获取沿跨度范围内不同荷载作用下组合梁的全息挠曲线;然后通过数据重构得到各截面的挠度影响线,构造Hankel矩阵并进行奇异值分解;最后利用奇异值斜率峰值与斜率变化率突变点识别指标进行多种损伤工况的识别判断。结果表明:基于全息挠曲线的损伤识别方法对不同损伤工况的识别结果与试验加载前人为设计的损伤情况大致相同,该方法能有效识别结构的损伤位置与程度。

关键词：钢桁-混凝土组合梁视觉测量全息挠曲线 Hankel矩阵奇异值分解损伤识别

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装配式钢桁—混凝土组合梁受弯性能试验研究

装配式钢桁—混凝土组合梁受弯性能试验研究

作者：李元明重庆交通大学

学位级别：硕士

随着结构工程的不断发展,钢-混凝土组合结构已经发展为一种热门的新型结构形式,组合结构在大跨径桥梁工程中具有广泛的应用前景。导师重庆交通大学周志祥教授提出了特大跨装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥的构想,课题组承担了交通运输... 详细信息

随着结构工程的不断发展,钢-混凝土组合结构已经发展为一种热门的新型结构形式,组合结构在大跨径桥梁工程中具有广泛的应用前景。导师重庆交通大学周志祥教授提出了特大跨装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥的构想,课题组承担了交通运输部应用基础研究项目“特大跨钢桁-砼组合连续刚构桥建设基础理论研究”(2013 319 814 040),此种组合桥梁采用自主研发的PCSS剪力键,具有预制全装配、施工周期短、跨越能力强等特点和显著的社会经济效益。据此,本文完成了装配式钢桁-混凝土(STC)组合梁负弯矩区段受弯性能试验研究,并结合有限元方法和理论分析,探索了组合梁的受力性能。具体包括以下内容:①对装配式钢桁-混凝土组合梁完成了静力加载试验,研究了组合梁的荷载-滑移、荷载-挠度、抗弯性能以及破坏形态;通过试验结果分析得出:组合梁的整体受力性能好,采用PCSS剪力键的联结方式是合理可行的,组合梁从加载至破坏呈现出良好的三阶段受力特点,最终发生延性破坏。②运用有限元软件ABAQUS,建立了钢桁-混凝土组合梁的三维模型,模拟了组合梁的施工阶段,对其裂缝发展、变形、承载力等力学性能进行了分析,与试验结果吻合较好。在此基础上,对影响结构刚度和受力性能的因素进行分析,结果表明:混凝土强度和上弦杆件对组合梁整体刚度的影响不明显;结构挠度随着下弦杆截面的增大减小较快,下弦杆是影响结构受力性能的重要因素;在一定范围内,随着PCSS剪力键刚度的减小,钢桁的整体刚度逐渐减小,滑移量逐渐增加。③在已有钢桁-混凝土组合梁研究基础上,结合刚度折减法,针对本文的新型组合梁,推导了负弯矩区段考虑滑移的抗裂弯矩计算公式;根据塑性理论,推导了组合梁负弯矩区段的极限抗弯承载力计算公式。分析表明:滑移对组合梁抗裂弯矩的影响可忽略不计,试验梁极限抗弯承载力实测值与理论公式计算值相差4.7%,两者吻合较好。④运用本文提出的抗弯承载力计算公式,对试点工程青歧涌大桥进行工程实例分析,分析结果表明:青歧涌大桥在正常使用阶段处于不开裂的线弹性工作状态;并满足承载能力极限状态的抗力要求。

关键词：装配式钢桁-混凝土组合梁试验研究有限元抗弯承载力

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基于变形轮廓线跟踪的结构整体变形监测方法

公路交通科技 2019年第6期36卷 48-57页

作者：姜腾蛟楚玺唐见唐亮周志祥重庆交通大学土木工程学院重庆400074 自贡市交通运输局四川自贡643000

传统的结构变形监测通常依据数个"独立点"的变形观测数据,尚未全面把握结构整体及各个部分的变形分布,特别对于大型结构物,测量点众多,难以获得能够表征结构整体及局部安全状况的变形信息。针对该问题,提出一种基于图像透视变换和图像... 详细信息

传统的结构变形监测通常依据数个"独立点"的变形观测数据,尚未全面把握结构整体及各个部分的变形分布,特别对于大型结构物,测量点众多,难以获得能够表征结构整体及局部安全状况的变形信息。针对该问题,提出一种基于图像透视变换和图像边缘检测处理技术的结构整体变形监测方法。针对桥梁等大型结构物周边地形地貌较为复杂,往往难以获取结构物立面正轴投影的数字图像问题,提出通过图像透视变换来间接获取结构物正视投影,使之较好反映结构物立面轮廓线形;考虑结构物轮廓线由于结构自身或外界原因可能存在局部缺陷的问题,提出基于影像轮廓线叠差算法消除边界局部缺陷影响的处理方法,使之较好地获取结构物整体连续变形;分别采用Sobel,Prewitt,Roberts,Log,Canny这5种边缘检测算子对结构正视投影图像进行边缘检测处理,得出Log边缘检测算子在结构整体变形监测中应用效果较好,边缘检测处理结果较为理想。将该变形监测方法应用到钢桁-混凝土组合梁的加载试验中,对各级加载工况下的试验梁全梁影像进行处理,并分别与传统"点式"测量(百分表)进行对比,结果表明通过该方法可获取试验梁全梁向的整体变形,具有较好的精度和可靠性,相比较于"点式"测量能更好地体现试验梁的整体位移和变形分布。

关键词：桥梁工程结构整体变形监测方法变形轮廓线跟踪钢桁-混凝土组合梁透视变换边缘检测近景摄影测量

基于异常变形的钢—砼组合梁损伤识别试验研究

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基于异常变形的钢—砼组合梁损伤识别试验研究

作者：雷杨崑重庆交通大学

学位级别：硕士

本文依托导师主持的国家自然科学基金面上项目“基于影像轮廓线叠差分析获取桥梁全息变形及结构状态演绎方法探索(51778094)”,针对钢桁-混凝土组合梁在多种损伤工况下静力加载试验,开展了由主梁影像轮廓线叠差获取全息变形曲线与结构... 详细信息

本文依托导师主持的国家自然科学基金面上项目“基于影像轮廓线叠差分析获取桥梁全息变形及结构状态演绎方法探索(51778094)”,针对钢桁-混凝土组合梁在多种损伤工况下静力加载试验,开展了由主梁影像轮廓线叠差获取全息变形曲线与结构损伤识别方法研究。其主要研究内容如下:1、对一根7米长钢桁-混凝土组合试验梁,进行多种损伤状况下的分级加载试验,对每一损伤加载工况均进行定点摄影、车载移动摄影和传统位移计的数据采集,其中车载移动式摄影获取图像信息数据的分析处理是本文的研究重点。2、将车载移动式摄影装置获取的试验梁图像数据进行图像拼接处理,由图像拼接算法的理论和技术方法入手,将基于灰度矩阵的图像拼接与基于改进的SIFT算法的图像拼接相结合,对试验梁的分段局部高分辨率图片拼接整合为全梁图像。3、基于数学形态学以及图像信息学相关理论,深化研究了图像全息边缘轮廓线叠差算法,对各个损伤/荷载工况所获得的试验梁图像进行结构轮廓线叠差分析,得到试验梁全息变形曲线,并与百分表位移实测数据进行了对比分析。4、采用神经网络进行结构的损伤识别探索,基于无损结构与相应损伤工况下的结构全息变形曲线的对比,捕捉异常变形特征作为损伤表征,把反分析问题转化为神经网络映射判定的问题。5、通过无损试验梁受载变形曲线样本和不同损伤试验梁受载变形曲线样本的训练学习,运用神经网络自身的泛化能力,得到较为可靠的映射判别网络,将试验中非训练样本的全息变形曲线输入神经网络,基于网络输出层结果可识别损伤位置和损伤程度。

关键词：钢桁-混凝土组合梁加载试验图像拼接全息变形曲线损伤识别

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装配式钢桁—砼组合梁的变形全过程分析

装配式钢桁—砼组合梁的变形全过程分析

作者：王铭重庆交通大学

学位级别：硕士

本文依托交通运输部应用基础研究项目“特大跨钢桁-砼组合连续刚构桥建设基础理论研究”(2013 319 814 040),以广佛肇高速公路青歧涌大桥(主跨41m+70m+41m)为工程背景,对装配式钢桁-混凝土(STC)组合梁的全过程变形行为进行了试验和理论... 详细信息

本文依托交通运输部应用基础研究项目“特大跨钢桁-砼组合连续刚构桥建设基础理论研究”(2013 319 814 040),以广佛肇高速公路青歧涌大桥(主跨41m+70m+41m)为工程背景,对装配式钢桁-混凝土(STC)组合梁的全过程变形行为进行了试验和理论研究,主要研究内容和结论如下:(1)开展了装配式钢桁-混凝土组合梁变形性能实验研究,对试验梁在各个加载阶段的挠度变化规律及界面滑移规律进行了全面的研究。从加载至破坏钢桁-混凝土组合梁的挠度变化表现为三个阶段:全截面工作(K1阶段)、混凝土桥道板带裂缝工作(K2阶段)及桥道板板间裂缝发展至破坏(K3阶段)。(2)针对试验梁,应用有限元数值拟合的方法,建立了考虑钢桁梁剪切变形影响的空腹式钢桁梁换算为实腹式等截面梁的简化计算公式;在此基础上,结合试验梁裂缝发展,对其挠度变形进行了分析,其分析结果与实验结果吻合良好。(3)结合有限元对PCSS剪力连接件各向刚度值进行分析和简化处理;运用精细化有限元建立组合结构区段实体有限元模型,计算各向刚度值,对试验梁进行分析,其分析结果与实验结果吻合良好;结合实际工程,以栓钉直径d及栓钉布置间距s为变量对刚度进行参数化分析,建立了刚度参数化公式;对青歧涌大桥进行有限元分析,给出了结构变形的预估值。

关键词：钢桁-混凝土组合梁试验研究有限元刚度参数化

装配式钢桁-混凝土组合连续刚构桥受载性能试验研究

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交通世界 2024年第19期 109-111页

作者：李可湖北省交通规划设计院股份有限公司湖北武汉430051

为探析剪力连接布置形式对装配式钢桁-混凝土组合梁的性能影响,制作剪力栓钉水平布置(PSTC-H)与竖向布置(PSTC-V)两种不同形式的钢桁-混凝土组合(PSTC)梁试件,通过两点加载负弯矩试验,观察组合梁的荷载开裂、弹性恢复、关键点位移,分析... 详细信息

为探析剪力连接布置形式对装配式钢桁-混凝土组合梁的性能影响,制作剪力栓钉水平布置(PSTC-H)与竖向布置(PSTC-V)两种不同形式的钢桁-混凝土组合(PSTC)梁试件,通过两点加载负弯矩试验,观察组合梁的荷载开裂、弹性恢复、关键点位移,分析其力学规律。研究结果表明:各组试验梁的初始裂缝均位于加载点附近的桥道板顶面侧边;PSTC组合梁开裂后,板内裂缝发展较慢,组合梁能够在较长的荷载范围内继续工作;整个加载过程中PSTC-H与PSTC-V梁的剪力连接件工作状态均较好,钢桁架与道板预埋钢板间未见破损及开裂;同级荷载水平下,PSTC-H的破坏最大挠度值、滑移值、裂缝宽度均明显小于PSTC-V。综合来看,栓钉水平布置的PSTC-H剪力连接方式性能更优。

关键词：装配式钢桁-混凝土组合梁连续刚构受载试验

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高速公路钢桁梁顶推及监测施工技术

四川水泥 2021年第2期 190-191页

作者：姜海东中国铁建投资集团有限公司广东珠海519000

结合合阳至铜川高速公路水苏沟大桥施工,简要介绍了上承式钢桁-混凝土组合梁桥钢桁梁顶推施工技术,重点对钢桁梁顶推方案比选、顶推系统布设、顶推施工步骤等内容进行了阐述,施工过程中采取监控量测措施,对主梁预拱度、主梁及导梁挠度... 详细信息

结合合阳至铜川高速公路水苏沟大桥施工,简要介绍了上承式钢桁-混凝土组合梁桥钢桁梁顶推施工技术,重点对钢桁梁顶推方案比选、顶推系统布设、顶推施工步骤等内容进行了阐述,施工过程中采取监控量测措施,对主梁预拱度、主梁及导梁挠度、墩柱水平位移等方面进行监测,保证了施工安全,成桥后各项技术指标符合要求。

关键词：上承式钢桁-混凝土组合梁顶推施工监控量测

钢桁-混凝土组合连续梁桥面板负弯矩区抗裂技术研究

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交通科技 2024年第2期 65-68,73页

作者：刘旺宗甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司兰州730030

为解决大跨度连续组合桁架桥面板负弯矩区开裂问题,分别以主跨80,120 m的钢桁-混凝土连续组合梁为研究对象,采用midas Civil 2021软件建立空间杆系模型,并分别按优化施工顺序法、预加荷载法、施加预应力法、抗拔不抗剪剪力钉连接技术,... 详细信息

为解决大跨度连续组合桁架桥面板负弯矩区开裂问题,分别以主跨80,120 m的钢桁-混凝土连续组合梁为研究对象,采用midas Civil 2021软件建立空间杆系模型,并分别按优化施工顺序法、预加荷载法、施加预应力法、抗拔不抗剪剪力钉连接技术,以及综合抗裂技术等方法进行抗裂性能对比分析。结果表明,采用优化施工顺序使桥面板负弯矩区拉应力降低明显,但由于钢桁梁节点处的剪力集中效应,全桥桥面板拉应力仍较高;预加荷载法在预加力超过一定限值后,对负弯矩区抗裂能力再无贡献;施加预应力法可直接解决负弯矩区开裂问题,但预应力产生的次内力对主桁受力影响较大;抗拔不抗剪连接件可有效释放负弯矩区拉应力,但难以降低桥面板整体拉应力水平;综合抗裂技术在采用抗拔不抗剪连接件的同时,优化施工顺序,分期张拉钢束并改变桥面板的叠合时机,具有良好的的抗裂性能。

关键词：钢桁-混凝土组合梁负弯矩区开裂抗拔不抗剪剪力钉有限元分析