箱梁与缆索承重桥梁理论2020年度研究进展

在以大跨、轻质、高强为标志的现代桥梁结构中,箱梁与缆索承重桥梁结构是两大重要的分支。笔者曾系统综述其相关理论的2019年研究进展,具体包括波形钢腹板箱梁理论、传统箱梁空间分析理论、多塔悬索桥缆鞍相互作用、缆索承重桥梁极限承载力及UHPC技术在缆索承重桥梁中的应用5个方面,为了及时掌握相关的研究动态,对2020年关于以上内容的研究进行梳理与总结,并增加了缆索承重桥梁体系的最新发展。研究结果表明,结构体系的持续创新为精细化箱梁与缆索承重桥梁理论的不断深化提供了契机。     

大空间结构钢屋盖火灾下温度场计算方法研究

为了研究大空间结构屋面钢构件火灾下温度场的简化计算方法,把国内外现有用于“室内火灾”温度场的简化计算公式和方法,应用于典型尺寸的大空间结构模型,并与数值模拟结果进行比较。给出了对各种方法的计算准确性的分析结果,并从理论和原理的角度对各种方法的优劣进行了综合评价,提出了进一步修正的方向。     

基于钢束优化配置的PC梁桥长期变形控制

针对大跨度预应力混凝土箱梁桥普遍出现的长期变形过大的问题,通过对预应力钢束配置进行优化,降低最大悬臂施工阶段的初始位移,进而减小过大的长期变形,达到挠度控制的目的.构建单位预应力的挠度矩阵,以挠度为控制目标,利用ANSYS进行钢束优化求解得到钢束最优配置.结果表明,优化设计后的挠度较恒载零弯矩法减小40%.利用ANSYS进行钢束优化设计的方法对预应力混凝土箱梁桥的长期变形控制具有良好的效果.     

预防大跨PC连续刚构桥开裂和下挠技术

针对大跨预应力混凝土（PC）连续刚构桥普遍存在梁体开裂和跨中下挠的问题,从PC连续刚构桥的病害根本成因出发,分析了预应力损失和跨中下挠对结构性能的影响.有针对性地提出预防梁开裂和跨中过度下挠的设计与施工技术,包括临时斜拉索辅助合拢、合拢顶推、施工张拉临时体外束、负弯矩区底板增设劲性钢骨架、超长纵向预应力筋优化以及斜向布置竖向预应力筋.有限元分析结果表明,上述技术能够使大跨PC连续刚构桥跨中下挠减少30%以上,纵向预应力损失减少39.6%,腹板主拉应力大幅降低,改善结构开裂和下挠的效果十分明显.     

对预应力混凝土结构的几点认识与建议

论述了顺应力筋两阶段工作原理,认为可以将预应力的工作成分两个阶段,将预应力混凝土结构分成了侧限和无侧限两大类,提出了侧限影响系数的概念,基于预应力筋两阶段工作原理,建立了无侧限及有侧限预应力的混凝土结构的承载能力计算公式,提出了既能为工程界所接受,又能满足耐久性要求的预应力混凝土结构裂缝控制及验算建议,建立了通过裂缝控制计算确定预应力筋用量,通过承载力方程和构造要求计算确定非预应力筋用量的两类极限状态的直接设计方法。     

钢主缆与CFRP主缆悬索桥力学性能及极限跨径研究

运用解析法研究了在现有材料强度的基础上,钢主缆和CFRP主缆悬索桥的极限跨径。结果表明,跨径超过4 500 m后,钢主缆悬索桥的主缆直径将急剧增大,恒载所占比重超过全桥总荷载的95%,不宜采用;而CFRP主缆悬索桥在跨径超过5 000 m后,主缆面积仍能保持平稳增长,且远小于相同跨径下钢主缆所需面积,可行性高。此外,分别对主跨为1 500、2 000、3 000、4 000和5000m的钢主缆和CFRP主缆单跨悬索桥进行试设计,并对主缆、锚锭及桥塔受力、活载作用下的加劲梁挠度等力学性能进行了对比分析。得出:2 000 m以下的悬索桥钢主缆具有优势,而3 000 m以上的悬索桥采用CFRP主缆是可取的。     

大跨度斜拉桥钢和碳纤维拉索设计安全系数

为了确定合理的大跨度斜拉桥拉索设计安全系数和探索碳纤维拉索在斜拉桥中的适用性，利用考虑非线性影响的计算方法分析了跨度为1 400 m的斜拉桥设计方案的抗风性、结构刚度和强度，以及拉索设计安全系数变化对主梁结构设计的影响，从结构系统安全性要求出发讨论了拉索安全系数的合理范围.以应用碳纤维拉索的桥梁为对象，比较了使用碳纤维拉索的斜拉桥主梁在抗风性、使用性以及结构强度方面与钢索斜拉桥的差异.结果表明，在使用荷载作用下，1.7～2.5的钢索设计安全系数不会影响主梁的设计；当设计安全系数大于2.5时碳纤维索斜拉桥可以达到钢索斜拉桥的结构性能以及安全性能，而碳纤维索的自重仅为钢索的1/10左右     

单层多跨预应力混凝土框架侧限影响计算方法

针对采用连续通长布置、分段搭接布置及局部重叠布置三种预应力筋布置方式对预应力混凝土框架考虑侧限影响的计算模型差异，建立了连续通长布置预应力筋的单层多跨框架侧限影响系数计算公式，提出了分段搭接布置预应力筋及局部重叠布置预应力筋时侧限影响的分析方法，为应用预应力混凝土结构设计的经典方法和统一方法解决复杂结构的侧限影响问题提供了参考．     

预应力网格结构的研究

为了便于选择最优的建筑结构,阐述了预应力网格结构的概念、种类、布索方式、力学特征;详细论述了预应力网格结构的计算理论和优化设计的现状,并对今后的预应力网格结构理论研究和优化设计以及应用前景 进行了展望．     

高温下具有弹性支座钢构件的动力稳定荷载

根据弹性稳定理论原理研究了弹性支座钢构件在高温环境下的动力特性问题,导出了高温下杆件的动力稳定临界荷载计算式,并讨论了保护层厚度、长细比、阻尼、材料特性等因素对杆件动力稳定临界荷载的影响,探讨了在实际工程中如何减小结构失稳的问题,可为钢结构抗火设计提供参考.     

济南战役纪念馆体内布索预应力网架设计

以工程设计实例为背景 ,探讨了预应力索在网架结构中的作用并介绍了一种新型的布索方案———体内布索。体内布索可以提高结构的承载力和刚度 ,能更好地满足建筑功能、室内效果及索的防火、防腐等要求 ,还可以通过求解最佳预应力值和优化杆件截面设计使结构更加经济合理。     

FRP索与钢索的求解计算和极限跨度

随着跨度的增大,自重对单索的影响就越明显,FRP（纤维增强复合材料）索的自重小,在大跨度结构中应用具有优势。单索的理论计算是索结构进行设计的基础。单索在自重作用下的求解,按照不同的假设,有弹性的悬链线解答、悬链线解答和抛物线解答。针对工程应用,以索端张拉轴力为已知量,推导了3种解答方法的求解方程,得到了关于张拉轴力的一元方程,方便了工程应用。另外,分别对斜拉索和水平索的悬链线解和抛物线解的精度进行了分析和比较,建议了2种近似求解方法的使用范围。根据求解结果,对FRP索和钢索的极限跨度进行了分析;结果表明FRP索有利于实现更大的跨度。FRP索的极限跨度可达钢索的4．4倍。     

应力约束下预应力钢桁架离散变量优化设计

对影响预应力钢桁架优化设计的2类变量,包括连续的索力值和离散的截面尺寸进行研究.建立了以应力和结构质量为约束条件、以最小化结构应变能为目标函数的数学优化模型.以杆件在预应力和外荷载共同作用下储存应变能最小确定施加在索上的预拉力.计算构件由于尺寸改变引起结构质量变化和应变能变化之比的相对差商,以此确定搜索方向.应用渐进结构优化法逐步调整构件截面尺寸,循环迭代,直至索力值和截面尺寸达到最优.算例与预应力钢结构理论结果相吻合,可为预应力钢结构工程设计提供最优的索力值和型钢的选择.     

箱梁与缆索承重桥梁理论2019年度研究进展

以经典力学理论及有限单元法为主要研究手段,建立各类桥梁结构在各种工况下的解析（近似）解或数值解,探求各类桥梁结构的力学性能,是桥梁结构分析理论的研究范畴。近年来,随着如波形钢腹板箱梁桥、多塔斜拉桥、多塔悬索桥等新的结构形式的出现,桥梁结构分析理论中箱梁的空间分析理论及缆索承重桥梁分析理论两个传统课题取得了长足的进步。为了能够更好地适应当前桥梁建设形势,服务工程实践,回顾了相关研究,对文献内容进行分类分块报道,主要阐述了波形钢腹板箱梁理论、传统箱梁空间分析理论的拓展、多塔悬索桥中塔效应、缆索承重桥梁的极限承载力及钢-UHPC桥面系的相关研究成果,并引申探讨箱梁及缆索承重桥梁理论精细化分析方法存在的不足之处,总结相关的实际工程应用情况,对后续研究提出建议。     

小湾拱坝放空底孔预应力闸墩三维有限元分析

采用三维有限元方法,应用ANSYS程序对小湾拱坝放空底孔预应力闸墩进行了空间应力与变形计算,并详细探讨了预应力的模拟方法,对3种不同方法的优缺点进行了对比评价.根据计算结果,对比分析了多个设计工况下闸墩结构的变形、应力分布规律,评价了预应力锚索的预压效果.在此基础上,取闸墩结构特征点的第一主应力作为优化变量,对预应力锚索设计吨位和布置方案进行了敏感性分析,得出了预应力锚索布置的优化方案.全部研究成果为小湾拱坝施工设计详图所采用.     

拉索法预应力网架的施工控制

介绍拉索法预应力网架结构施工的布索方案、钢索的张拉控制应力确定、调整方法和张拉力的施加方法.给出当逐次增加单根预应力杆并施加预应力时,杆件施工控制应力的理论计算方法,实践证明方法可行.     

Experimental study on stress-strain-temperature models for structural steel

For the research on steel structure in fire,it is very important to determine the properties of structural steel at elevated temperature.Up to now,the high-temperature properties of material is believed to be related to only temperature state,which is not precise enough to simulate the behavior of steel structures under different combinations of heating,cooling,loading,and unloading.To analyze the influence of the temperature-load history on the steel properties,a series of tests were carried out under different temperature-load paths about steel Q235,which is widely used in steel structures in China.In this paper,the method to set the temperature-load paths was introduced;the variety regulation of steel properties changing with temperature was analyzed under different paths;according to experimental results,the formulas of elastic modulus and yield strength at elevated temperature were fitted,and the stress-strain-temperature 3D relationships of structural steel under different paths were presented.     

混凝土及预应力混凝土结构抗火研究现状与展望

为拓展混凝土及预应力混凝土结构抗火的研究思路与方法,论述了普通钢筋、预应力筋、混凝土等结构材料的抗火性能,凝炼了混凝土及预应力混凝土结构构件的抗火性能,介绍了火灾后混凝土结构加固修复技术,指出了混凝土及预应力混凝土结构抗火研究中存在的一些问题,展望了其发展趋势.分析表明:混凝土高温爆裂临界温度随强度变化而变化,掺钢纤维或聚丙烯纤维可有效防止混凝土火灾下爆裂;合理考虑名义拉应力和混凝土强度影响的爆裂判别方法,可有效降低火灾下预应力结构混凝土爆裂风险;混凝土及预应力混凝土结构应满足火灾时不爆裂、火灾下不坍塌、火灾后可修复的抗火设计目标;火灾下防爆裂混凝土合理纤维掺量、混凝土及预应力结构构件高温爆裂机理及预测模型、活性粉末混凝土(RPC)高温爆裂规律、RPC热-力耦合本构关系及其结构构件抗火性能、温度-荷载路径对结构构件高温性能的影响、高层混凝土结构和地下空间结构抗火性能等方面应予关注.     

钢束的超欠张拉对PC连续梁桥变形的影响分析

预应力钢束作为预应力混凝土结构的核心材料,它的张拉程度不仅会影响结构的内力,还对结构的变形产生一定影响,从而直接影响混凝土连续梁桥成桥的挠度。结合一座三跨连续梁桥的数值模拟,通过调整预应力钢束的张拉控制应力的方式,对三种分析方案下该类桥型钢束的张拉程度对主梁挠度、挠跨比的影响进行分析和探讨。     

预应力钢桁架在高温(火灾)下的力学特性分析

高温(火灾)环境会改变预应力钢桁架力学特性,影响其安全性能。采用结构力学与火灾科学理论,对拉索式预应力钢桁架进行研究,探讨了高温(火灾)环境下不同拉索布置方式和拉索数目及杆件长度变化对预应力钢桁架力学特性的影响。研究表明:温度变化、拉索布置方式和拉索数目对预应力钢桁架力学特性产生较大影响,但杆件长度变化几乎不影响其拉索应力。研究成果对改善高温(火灾)下预应力钢桁架受力特性及对预应力钢桁架预应力体系布置等具有一定的参考价值。