考虑温度和剪切变形的改进型波形钢腹板组合箱梁动力特性研究

为了精确分析温度效应和剪切变形效应对改进型波形钢腹板组合箱梁自振特性的影响,提出一种考虑温度效应和剪切变形效应的改进型波形钢腹板组合箱梁自振特性分析方法。综合考虑温度、剪切变形和波形钢腹板刚度修正的影响,运用应力等效原则推导出改进型波形钢腹板组合箱梁的自振频率解析公式;利用实桥ANSYS有限元分析结果和试验实测结果对自振频率解析公式的正确性进行了验证;分析了温度等效轴向偏心力变化、弹性模量变化、剪切变形效应、不同高跨比和不同宽跨比下温度效应对该桥型自振频率的影响。结果表明：温度效应对改进型波形钢腹板组合箱梁的基频影响较大,计算该桥型的基频时需要考虑温度效应的影响;波形钢腹板的剪切变形效应对该桥型自振频率的影响较为显著,从第4阶自振频率开始剪切变形的影响已超过50%;不同高跨比下温度效应对基频的影响较大,且随着高跨比的增大呈线性急剧增大;不同宽跨比下温度效应对自振频率的影响较小,可以忽略不计。研究成果可为改进型波形钢腹板组合箱梁的自振频率计算和分析提供参考依据。     

基于变分原理的波形钢腹板箱梁挠度计算解析法

该文通过在纵向位移函数中引入翘曲变形函数以及剪切转角来分别考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的影响,基于能量变分原理,提出一种波形钢腹板箱梁挠度计算的解析方法。并分别针对单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,将该文方法与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法及有限元值进行比较分析。结果表明:该文方法具有较高的准确性;剪切变形影响系数随高跨比和宽跨比的增大明显增大,而剪力滞效应影响系数受高跨比的变化影响较小。     

波形钢腹板组合槽型梁剪切挠度计算方法与试验研究

为了提出适用于波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度的计算方法,分析了荷载作用下组合梁的受力特点和截面上的剪应力分布规律,推导了剪应变的几何方程,提出了支反力-荷载分段函数的计算模式,通过对几何方程进行积分,建立了波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度计算公式。该公式能够计算多个集中荷载和均布荷载同时作用下的剪切挠度,并适用于波形钢腹板组合梁的其它截面形式。通过4片波形钢腹板组合槽型梁和1片波形钢腹板组合工形梁的静载试验和有限元分析,验证了剪切挠度计算公式的准确性。试验研究表明:对于5片缩尺试验梁,不考虑剪切变形的影响,挠度值偏小约20%,而采用该文考虑剪切变形影响的挠度公式计算的理论值与实测值吻合良好。     

考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁解析解

通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。     

钢-超高性能混凝土组合箱梁弹性弯曲性能试验研究及解析解

钢-超高性能混凝土(Ultrahigh performance concrete,以下简称UHPC)组合箱型桥面系在大跨径桥梁建设中具有良好的应用前景。以实际桥梁工程为背景,设计两个大比例钢-UHPC组合箱梁模型试验,主要研究弹性状态下的组合箱梁的弯曲受力行为,重点测试试件加载过程中挠度、应变分布等;建立同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的组合箱梁分析模型,并推导得出解析解。研究结果表明:集中荷载作用下钢-UHPC组合箱梁的剪力滞效应显著,UHPC板跨中截面纵向压应变的最大值与最小值之比约为5～7;UHPC板厚越大,钢-UHPC组合箱梁的刚度越大,相同荷载下,UHPC板和钢梁应变越小;该文同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的解析解与试验结果基本吻合,相比于不考虑钢腹板剪切变形的模型结果具有明显改善。     

波形钢腹板组合槽形梁抗扭性能试验研究

为了研究新型结构预应力波形钢腹板组合槽形梁的抗扭性能,基于约束扭转理论,推导了波形钢腹板组合槽形梁的约束扭转翘曲应力表达式和扇形惯性矩;考虑了波形钢腹板的褶皱效应对纵向刚度的影响,计入波形钢腹板的剪切变形对约束扭转刚度的降低,得到了扇形惯性矩修正公式;最终建立了集中扭矩作用下的扭转角计算公式。完成了2片波形钢腹板组合槽形试验梁的偏载试验和3片相同梁的对称加载试验,试验表明:90 kN以内的偏载作用下,试验梁的荷载-位移曲线基本呈线性;试验梁两侧竖向位移的平均值与对称荷载作用下的竖向位移基本相同;试验梁的偏载系数位于1.2~1.3,比波形钢腹板组合箱梁增大10%左右。理论计算、试验测试和有限元分析表明:该文建立的扭转角计算公式采用修正过的扇形惯性矩进行计算,具有良好的精度。     

波形钢腹板导梁局部承压的加强构造与试验

直接使用组合梁中的波形腹板钢梁作为顶推导梁,在局部压力作用下钢梁的承载力较弱,而且钢梁与桥梁支座之间存在间隙,为此提出提高波形腹板钢导梁局部承压的加强构造。为进一步研究波形钢腹板导梁在承受局部压力作用时的受力特性,设计制作3组缩尺模型试验,测试了不同加强构造下导梁在局部压力作用下破坏形态和极限承载力。研究表明:试件破坏形态均为支座范围内波形腹板局部压溃,设置钢靴能够明显提高波形腹板导梁的局部承压性能和结构延性,特别是设置箱形钢靴的效果要优于工字形钢靴,二者分别使导梁极限承载力提高了58%和12%。     

工字梁与H型钢柱腹板连接节点性能分析

利用ANSYS对工字梁与H型钢柱腹板连接节点进行有限元分析,建立梁翼缘连接板剪切变形和梁连接板部分弯曲变形理论分析模型,推导出梁翼缘连接板剪切变形的等效刚度公式,根据楔形梁段假定推导出梁连接板部分的抗弯刚度公式,并通过有限元分析确定刚度系数。根据对梁柱腹板连接节点各部分刚度和强度分析,建立腹板连接节点模型。这个简化模型可以用来分析单向荷载和循环荷载作用下梁柱腹板连接节点的响应。     

多因素对剪力墙最优刚度影响的综合分析

本文在考虑剪力墙弯曲变形基础上，由框架边柱（墙）轴向变形、剪力墙剪切变形和连系梁不同联接等三种因素，分六种组合情况，分析框架－剪力墙结构中剪力墙的最优刚度。提出在工程实践中，可将以仅考虑剪力墙弯曲变形的简单计算模型计算得到最优刚度作为剪力墙布置依据。     

多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥竖向弯曲振动频率的计算

为合理计算多跨(跨度相等)等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥的竖向弯曲振动频率,运用能量变分原理、Hamilton原理及力法方程,建立了该类型箱梁在发生自由弯曲振动时考虑箱梁剪力滞效应、波形钢腹板剪切效应及两者耦合效应的频率方程。求解该频率方程获得了多跨等截面波形钢腹板PC连续箱梁桥竖向弯曲振动频率的求解公式,所得计算公式的正确性得到了室内模型试验实测值、已建实桥实测值和三维有限元值的验证。随后分析了箱梁剪力滞效应、波形钢腹板剪切效应、波形钢腹板剪切模量修正、箱梁宽跨比变化以及不同波形形状对等截面波形钢腹板PC连续箱梁竖向弯曲振动频率的影响。所得结论可为同类型桥梁的竖向弯曲振动频率的计算提供参考。     

基于弹性扭转约束边界的波形钢板整体剪切屈曲分析

波形钢板的整体剪切屈曲对波形钢腹板PC组合箱梁桥的竖向抗剪设计有重要意义。该文在正交各向异性薄板理论的基础上,利用势能驻值原理和瑞利-里兹法,推导了基于弹性扭转约束边界的波形钢板弹性整体剪切屈曲荷载的分析方法,并给出了几种特殊边界条件下的简化计算公式。计算结果表明:对于四边简支板和四边嵌固板,该方法与现有公式计算结果一致;波形钢板强抗弯刚度方向上的约束条件是影响其整体剪切屈曲的决定性因素,随着该方向上约束的增强,屈曲模式将从四边简支情况向四边嵌固情况过渡;弱抗弯刚度方向上约束条件的影响很小,可以忽略。最后给出了将波形钢板在实际梁结构中受到的边界约束等效为弹性扭转弹簧的方法。     

Corrugated steel webs for prestressed concrete girders

In the past two decades, there has been increasing interest in prestressed girders with corrugated steel webs in bridge construction. The objective of a recent study at the University of Calgary is two-fold. The first is to review and refine the theoretical background for the shear strength of corrugated steel webs. The second is to experimentally investigate the shear and flexural behaviour of composite prestressed I-girders made with such webs. The analytical study shows that the geometry of corrugated steel webs can be chosen to provide the highest shear strength for the least volume of steel with negligible sensitivity to small variations in the corrugation angle. Contrary to published data, the existence of an additional post buckling shear strength as high as 82% of the total shear strength was experimentally confirmed. The experimental results confirm that while the shear is supported by the corrugated steel web, flexure is almost entirely supported by the prestressing steel and reinforcing bars in the bottom flange in tension, and the concrete top flange in compression.     

变截面连续箱梁桥剪力滞及剪切变形双重效应分析的传递矩阵法

基于能量原理,考虑箱梁截面底板、顶板、悬臂板剪滞翘曲幅度一般各不相同的影响和轴力自平衡条件,计入腹板剪切变形,导出了箱梁的平衡控制微分方程组、边界条件;给出了该方程组在均布荷载作用下的初参数解,提出一种研究变截面连续箱梁桥剪力滞后效应的传递矩阵法。建立了相应的场矩阵和点矩阵,从而实现了变截面连续箱梁桥内力、应力及位移的一维递推求解。数值算例与模型试验及已有文献结果对比表明:该文方法计算精度好、效率高,为求解连续箱梁、变截面箱梁的剪力滞问题提供了强有力的计算手段。     

PBL剪力连接件粘结滑移性能的静载推出试验研究

PBL 剪力连接件是组合梁桥中波纹钢腹板和混凝土上下翼缘板连接的关键构造,研究PBL 剪力连接件的粘结滑移性能是连接件设计的关键环节。该文简要介绍了PBL剪力连接件的发展和研究现状,结合波形钢腹板PC 组合箱梁桥工程背景,进行了4 个PBL 连接件的静载推出试验,分析了腹板厚度和孔径大小对连接件粘结滑移性能、极限承载能力和破坏机制的影响。实验结果表明,各个试件有相似的滑移趋势并表现出一定的延性,随着腹板厚度和连接件孔径的增大,极限承载能力增强。同时,通过对荷载和水平位移关系的分析,得到连接件的受力机理为:在受力初期,混凝土受到剪力件的力传递发生变形向外膨胀;随着荷载的增大,剪力件发生明显滑移,混凝土发生向外侧的位移。剪力连接件腹板、翼缘和钢腹板上的应变发展趋势符合加载受力的传递机理。最后,对比和分析了连接件极限承载力的理论结果和试验结果,阐述了影响极限承载力的主要因素,并且在考虑安全实用意义的基础上,提出了一个新的估算公式,可以较好地估算本次试验结果。     

大跨波形钢腹板箱梁桥日照温度场及温差效应研究

针对目前我国桥涵设计规范未给出波形钢腹板箱梁日照温度梯度,和其温度梯度研究工作的不足。以港珠澳大桥连接线工程某特大跨波形钢腹板连续箱梁桥为研究对象,对其波形钢腹板箱室断面,进行了3 d的日照温度场观测。研究了其日照温度场分布规律,继而提出波形钢腹板箱梁竖向和横向温度梯度数学计算模型,并对温差参数的取值进行了探讨。结合现场实测数据和有限元软件,对比不同温度梯度模式的温差计算值,分析了其温差效应。研究结果表明:实测波形钢腹板箱梁温度场分布与传统箱梁相差较大;温度梯度模式为指数函数和线性函数组成的分段函数;该模式计算得到的竖向及横向温差值与实测结果十分吻合,其他模式与实测结果相差较大;由于温差效应影响,顶板中轴线下缘产生了较大的横向拉应力,设计中应给予关注。该模式可为不同气候条件地区同类桥梁温度荷载计算提供重要参考。     

Mechanical Behavior of a Partially Encased Composite Girder with Corrugated Steel Web: Interaction of Shear and Bending

The synergistic use of partially encased concrete and composite girders with corrugated steel webs (CGCSWs) has been proposed to avoid the buckling of corrugated steel webs and compression steel flanges under large combined shear force and bending moment in the hogging area. First, model tests were carried out on two specimens with different shear spans to investigate the mechanical behavior, including the load-carrying capacity, failure modes, flexural and shear stress distribution, and development of concrete cracking. Experimental results show that the interaction of shear force and bending moment causes the failure of specimens. The bending-to-shear ratio does not affect the shear stiffness of a composite girder in the elastic stage when concrete cracking does not exist, but significantly influences the shear stiffness after concrete cracking. In addition, composite sections in the elastic stage satisfy the assumption of the plane section under combined shear force and bending moment. However, after concrete cracking in the tension field, the normal stresses of a corrugated web in the tension area become small due to the “accordion effect,” with almost zero stress at the flat panels but recognizable stress at the inclined panels. Second, three-dimensional finite-element (FE) models considering material and geometric nonlinearity were built and validated by experiments, and parametric analyses were conducted on composite girders with different lengths and heights to determine their load-carrying capacity when subjected to combined loads. Finally, an interaction formula with respect to shear and flexural strength is offered on the basis of experimental and numerical results in order to evaluate the load-carrying capacity of such composite structures, thereby providing a reference for the design of partially encased composite girders with corrugated steel webs (PECGCSWs) under combined flexural and shear loads.     

Quasi-static and fatigue performance of a cellular FRP bridge deck adhesively bonded to steel girders

This paper describes the quasi-static and fatigue performance of hybrid bridge girders composed of cellular FRP bridge decks and steel girders. The FRP bridge deck is connected adhesively to the steel girders and acts as the top chord of the hybrid section. Compared to a reference steel girder, the stiffness and quasi-static load-carrying capacity of the hybrid girders were considerably increased due to composite action between the FRP decks and the steel girders. Failure due to quasi-static loading occurred in the FRP decks during yielding of the bottom steel flanges. The adhesive bond between the FRP decks and the steel girders showed no signs of damage due to fatigue loading. The results of the investigation showed that the well-established design method for steel–concrete composite girders with shear stud connections can essentially be used for the design of such FRP-steel girders. The principal modifications necessary for design are proposed.