Analysis and design of fiber reinforced plastic composite deck-and-stringer bridges

A comprehensive study on analysis and design of fiber reinforced plastic (FRP) composite deck-and-stringer bridges is presented. The FRP decks considered consist of contiguous thin-walled box sections and are fabricated by bonding side-by-side pultruded thin-walled box beams, which are placed transversely over FRP composite stringers. In this study, we review the modeling and experimental verification of FRP structural beams, including micro/macro-mechanics predictions of ply and laminate properties, beam bending response, shear-lag effect, and local and global buckling behaviors. A simplified design analysis procedure for cellular FRP bridge decks is developed based on a first-order shear deformation macro-flexibility (SDMF) orthotropic plate solution. The present approach can allow the designers to analyze, design and optimize material architectures and shapes of FRP beams, as well as various bridge deck configurations, before their implementation in the field. Experimental studies of cellular FRP bridge decks are conducted to obtain stiffness coefficients, and an example of a cellular FRP deck on optimized winged-box FRP stringers under actual track-loading is presented to illustrate the analytical method. The experimental-analytical approach presented in this study is used to propose simplified engineering design equations for new and replacement highway FRP deck-and-stringer bridges.     

预应力混凝土箱梁桥竖向预应力孔道对腹板截面

以两片安装竖向筋试验简支梁为基础,进行了预应力混凝土箱梁桥竖向预应力孔道对腹板截面削弱的研究,试验表明在不灌浆情况下梁开裂荷载提前,箍筋应力、混凝土表面主拉应增加明显,同时对试验梁进行了有限元分析,试验结果与有限元分析一致。研究表明加强竖向预应力灌浆质量的检测与管理对防止预应力混凝土箱梁桥的开裂有重要意义,同时为分析这类桥的开裂原因提供了理论与试验依据。     

钢箱提篮拱桥整桥模态试验研究

随着大型柔性桥梁建设的迅速发展 ,其长期安全运行的健康监测的评估得到很大关注。通过试验模态分析对验证设计、建立结构的动力学模型以及桥梁安全运行状态的评估具有重要意义。拱桥桥面主梁与拱结构耦合振动 ,其模态试验比斜拉桥更加困难。本文通过我国首座建成的云南小湾钢箱提篮拱桥模态试验和竣工试验 ,提出了一种节省试验成本的基于环境激励下桥梁模态试验方法 ,取得了拱桥整体振动的较为正确的模态频率、阻尼及较理想振型 ,与有限元计算基本吻合。     

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。     

一种考虑剪滞效应的斜支承连续箱梁挠曲扭转分析方法

通过在支承坐标系下考虑约束条件,提出一种适用于斜支承连续箱梁挠曲扭转分析的薄壁箱梁单元。该单元具有10 个自由度,可方便地考虑斜支承连续箱梁的剪滞效应和扭翘变形。选取挠曲剪滞微分方程和约束扭转微分方程的齐次解作为单元位移函数,推导出单元刚度矩阵各元素的具体表达式。从剪滞翘曲应力的轴向平衡条件出发,建立双室箱形断面的剪滞翘曲位移函数,并给出了剪滞翘曲几何特性的一般计算公式。用所编制的电算程序SSCBA 对一个3 跨斜支承双室连续箱梁模型进行计算,计算值与实测值和ANSYS 壳单元结果均吻合较好,证实该箱梁单元是可靠的。计算表明:在跨中偏心荷载作用下,斜支承连续箱梁的剪滞翘曲变形和约束扭转翘曲变形对应力分布具有显著影响。     

聚氨酯-钢板夹层正交异性桥面板试验研究

通过2个不同纵向加劲肋间距的聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的钢箱梁模型试验,结合有限元计算分析方法建立多种加劲肋间距桥面板的钢箱梁计算模型进行计算对比,研究该种桥面板的受力性能,试验模型按实桥同种材料的箱梁缩小1/4制作,按汽车荷载在跨中及支点截面产生最大弯矩时测试截面各关键点的纵向、横向应变和挠度。结果表明:桥面板各点应变试验值与计算值基本吻合;采用聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板可大幅削减局部应力集中峰值,从而可大幅减少加劲肋数量,减少程度主要取决于夹层板厚度;板面有些部位要同时承受两个正交方向的反号应力;相应截面中间加劲肋底部纵向应力最大;夹层桥面板的应力和挠度随着芯层厚度减小,增幅加大。     

Rehabilitation of Composite Steel Bridges Using GFRP Plates

The current study is a part of an extensive research program conducted to assess the use of Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) sheets in enhancing the flexural capacity of steel beams. The properties of a heavy-duty adhesive system that can be used to bond GFRP sheets to the flanges of steel beams were experimentally determined in a previous study. The excellent performance of a W-shaped steel beam strengthened using GFRP sheets has encouraged the authors to assess the applicability of this technique to composite steel bridges.The dimensions and cross section properties of a real composite steel plate girder bridge are considered in a case study analysis. A detailed nonlinear numerical model is developed for the bridge before and after attaching GFRP sheets to the bottom flange of its steel girders. Nonlinear moving load analyses are first conducted to determine the critical truck locations that will lead to maximum GFRP axial stresses, and maximum adhesive shear and peel stresses. Using these configurations, nonlinear analyses are then conducted to assess the increase in the bridge capacity that can be achieved by bonding 38 mm GFRP sheet to the bottom flange of its steel girders.     

矩形钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

某大跨度矩形钢箱梁铁路斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括减小栏杆透风率、增设裙板、导流板以及三角形风嘴。试验结果表明,除三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振外,其他气动措施抑制涡振的作用不明显。在此基础上,提出了带平台的三角形下行风嘴的制振措施。试验结果表明,该措施能够有效抑制涡振,继而通过1∶25大比例尺节段模型风洞试验对该措施的有效性进行了验证。采用计算流体动力学(CFD)的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究。试验结果表明,带平台的三角形下行风嘴能够同时降低主梁上、下表面的旋涡尺寸,并有效减小主梁受到的非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果。该研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考。     

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。     

基于小波分析的混凝土箱梁桥应变监测数据的超载信息识别

为识别混凝土箱型梁桥的超载信息,从该箱梁桥健康监测系统中提取海量应变数据,根据不同异常事件的特点,对监测数据进行预处理,并确定应变监测信号的构成.利用小波变换识别应变异常信号的突变位置和变化值,并与根据有限元分析得到的梁桥初始应变进行比较,识别出超重车产生的突变信号数量.计算超重引起的突变应变信号的捕获概率,进而估算箱...     

子模型法在超大跨悬索桥钢箱梁应力分析中的应用

以国内第一大跨桥梁——润扬长江公路大桥南汊悬索桥为背景,在对大桥整体结构进行非线性有限元分析的基础上,运用子模型法计算了该桥扁平钢箱梁各关键部位的应力。与实测数据的对比表明:子模型法计算结果准确可靠,能够较真实的反映大桥钢箱梁在各种工况下的受力状态,是分析超大跨悬索桥钢箱梁应力水平及其分布的有效方法。最后分析了该桥钢箱梁的受力特点,为同类流线形扁平钢箱梁的应力分析和设计提供参考依据。     

Design of steel box girder for Taizhou Yangtze River Highway Bridge

Taizhou Yangtze River Highway Bridge is the first three-pylon two-span suspension bridge in China. The main girder adopts flat steamline steel closed box girder which has well wind-resistant capability and is technically mature besides beautiful appearance. Straight web plates of the steel box girder in longitudinal direction is proposed in order to ensure the integrity of the steel box girder, and to keep the stress of the steel box girder continuous in the middle pylon, as well as to reduce the gradient of the middle pylon columns . The cross section of the box girder has one box with three cells. Solid-web diaphragm plate with good integrity and high torsional stiffness is adopted. The lifting lugs are utilized in the anchors of suspender cable. In this paper, selection of the cross section of the steel box girder, the general structure design, local structure design and main structure calculation results of Taizhou Yangtze River Bridge are introduced emphatically.     

箱梁断面静风力系数的CFD数值模拟

用计算流体力学(CFD)方法模拟了桥梁跨中断面周围的风场特征,不仅能得到流场的压力、速度和涡旋的分布,还提取了箱梁断面的三分力系数。分别采用不同密度网格划分对主梁断面进行数值模拟,并将数值模拟结果与风洞试验值进行比较,选取最合理的网格划分方法。然后,对某一大跨度桥梁跨中断面的箱梁模拟了从-5°至+5°共11个整数度风攻角工况的三分力系数。并将数值模拟结果与风洞试验进行了对比,给出了不同攻角下的压强和速度分布,验证了采用CFD技术模拟桥梁三分力系数方法的可行性与可靠性。     

武广客运专线32 m箱梁预应力效果监测及徐变上拱的控制措施

采用现场实测的方法对武广客运专线工程32 m预应力混凝土箱梁应力效果进行监测,并采用Midas/Civil结构分析程序进行了弹性上拱的理论分析,提出箱梁徐变上拱的控制措施,为同类工程提供借鉴及经验。     

曲线箱梁桥的车桥相互作用分析

针对公路和城市立交中的曲线箱梁桥,基于剪力柔性梁格法建立了曲线箱梁的梁格模型,进行了车桥相互作用分析。采用三角位移函数,基于平衡法推导了一种新型曲梁单元。利用曲梁的力-位移关系,得到了极坐标下空间曲梁单元的刚度矩阵和一致质量矩阵。根据拉格朗日定理,建立了7自由度空间车辆模型。采用逆傅立叶变换法,由功率谱密度生成了4种等级的桥面不平度。数值仿真了一混凝土单箱双室曲线连续箱梁桥的动力特性和车桥相互作用,并分析车辆横向位置、车速、桥面不平度、曲率半径等因素对桥梁冲击系数的影响。结果表明:该曲梁单元简便、实用,所建立的曲梁梁格模型可以准确地模拟曲线箱梁桥的车桥相互作用。     

典型人字形桥梁模型试验研究与分析

为分析受力复杂的异形薄壁箱梁桥,在初等梁理论的基础上,通过增加自由度的方法,提出每个节点10个自由度的薄壁箱梁分析单元。同时从现有的人字形桥梁中抽象出一种典型的结构作为研究对象,根据相似理论建立有机玻璃模型,设置了多种支座形式及多种荷载工况下的试验测点。另外,分别建立初等空间梁格与板壳有限元模型,同时对模型的理论分析与实测结果进行比较。研究结果显示初等梁理论不能较好地反映人字形薄壁箱梁桥的受力行为,并指出板壳理论在结构整体分析时尚存在不足,验证了该文理论分析方法的正确性和简便性,为求解人字形桥梁复杂受力行为提供了一种有效的途径。     

多跨简支曲线轨道折线梁桥空间振动分析模型

提出了一种多跨简支曲线轨道折线梁桥的空间振动分析模型,采用20自由度的梁段单元,可方便考虑T型梁横向与竖向弯曲、自由扭转、约束扭转等变形,选取正交流动坐标,建立了曲线轨道折线梁桥的动力特性矩阵,特别适用于曲线轨道折线梁桥与列车的空间振动分析。在实例研究中,计算了提速列车通过32m曲线轨道折线梁桥时的空间振动响应,并检算该桥是否具有足够的刚度及良好的运营平稳性,可供有关部门参考。     

铁路桥梁与高速列车的动力试验研究

在我国秦沈客运专线狗河大桥进行了高速列车作用下的动力试验。试验桥梁由跨度24m的多跨预应力混凝土简支箱梁构成,试验荷载为我国自行制造的中华之星和先锋号列车,其最高试验速度分别达到321.5km/h和290km/h。通过现场试验和实验结果分析,得到了桥梁的频率、阻尼等自振特性,梁的动挠度和横向位移、梁体振动加速度、墩顶横向位移等动力响应,以及车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨力、车体振动加速度等动力特性。试验结果表明客运专线24m预应力混凝土箱梁在高速列车作用下的各项动力学指标良好,中华之星和先锋号高速列车具有良好的行车安全性和平稳性。     

斜拉桥跨中竖向位移的温度灵敏度系数研究

环境温度变化下桥梁跨中竖向位移的变化规律是结构健康监测关注的重要问题。前期研究表明，拉索温度和主梁平均温度是引起斜拉桥主跨跨中竖向位移变化的关键温度变量。该文通过平面几何分析和级数展开得到了对称双塔斜拉桥主跨跨中竖向位移关于拉索温度、主梁平均温度的灵敏度系数的实用计算公式。该公式反映温度变形的物理机理，揭示温度灵敏度系数与材料特性（线膨胀系数）和结构尺寸参数（主跨长度L₀、边中跨比γ₀和塔高跨比ζ）之间的关系，为斜拉桥温度变形的研究提供了新思路。     

预应力混凝土桥梁时变效应分析的钢筋约束影响系数法

系统地提出了预应力混凝土桥梁结构中钢筋对徐变和收缩时变效应的约束影响系数的概念,并给出了影响系数的计算公式,籍此提出了时变效应分析的钢筋约束影响系数法,建立了一套理论公式,可计算时变的钢筋和混凝土应力、应变及梁体竖向变形。不仅适用于静定桥梁结构,亦适用于超静定桥梁结构,可计算时变结构内力重分布。计算式物理意义明确,使用方便;理论分析与试验结果比较表明,公式具有较高的计算精度。