矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区受力性能试验研究

矩形钢管混凝土组合桁梁由混凝土板和矩形钢管混凝土桁架组成,在竖向荷载作用下,其正弯矩区可充分发挥混凝土板和桁架的组合作用,但负弯矩区的力学性能较为薄弱且受拉混凝土板容易开裂。针对这一问题,提出了在负弯矩区混凝土板施加预应力以及布置局部释放剪切作用的剪力钉相结合的组合桁梁结构形式。采用跨中施加反向集中荷载模拟连续梁支点反力的方法,对2榀承受负弯矩的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了静力加载试验,对其荷载-位移关系、裂缝发展规律、混凝土板应变分布、桁梁荷载-应变关系、钢与混凝土界面滑移及承载力进行了分析。还根据组合桁梁的简化力学模型对不同加载阶段的结构特征荷载进行了讨论。结果表明：采用局部释放剪切作用的剪力钉和混凝土板施加预应力的组合桁梁结构形式可有效提高其抗裂性能,但对受弯承载力影响较小;在加载过程中混凝土板的开裂和杆件的屈服导致结构塑性变形增大,最终节点处焊缝撕裂,组合桁梁丧失承载力;由简化力学模型计算得到的结构特征内力与实测值吻合较好,可为矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区的设计和计算提供参考。     

钢管混凝土组合桁梁受弯承载力简化计算方法研究

钢管混凝土组合桁梁由钢管混凝土桁架和混凝土板组成,其在承受正弯矩时可充分发挥混凝土板与桁架的组合作用。为对这种结构的受弯受力性能进行研究,提出了基于铰接桁架的分析方法,以不带竖腹杆的warren型钢管混凝土组合桁梁为例,推导了在节点单点荷载以及两点对称荷载作用下简支组合桁梁各个构件的效率系数。通过不同构件之间的效率系数进行对比,得到了组合桁梁的破坏模式判定以及受弯承载力简化计算方法。同时通过引入腹杆抗力折减系数,将节点承载力对组合桁梁受弯承载力的影响也考虑在内。将公式计算结果与既有文献中的钢管混凝土组合桁梁、桁架试件试验结果进行了对比,破坏模式和受弯承载力均吻合良好,所选全部33榀试件的计算值与实测值的相对误差为1.27%,标准差为0.128。结果表明,该简化计算方法建立了节点与组合桁梁承载力之间的相互联系,能够快速、准确地对破坏模式及受弯承载力进行估算,可极大地简化设计流程。设计中应根据组合桁梁各构件的效率系数对其截面尺寸进行优化,确保不同破坏模式下的受弯承载力较为接近,同时避免由于节点或腹杆过早失效导致组合桁梁发生剪切破坏。     

钢-混组合梁荷载-温度效应的统一解析模型

基于欧拉伯努利梁理论,提出非均布荷载、轴向力、梁端弯矩和非线性温度分布共同作用下的有滑移组合梁统一解析模型,推导组合梁挠度、界面剪力、滑移及截面应力的计算公式,开展简支组合梁和连续组合梁算例分析,讨论界面刚度和温度作用对界面滑移和挠度的影响.研究结果表明,组合梁温度作用产生的挠度与界面滑移由等效温度滑移应变和等效温度曲率决定,可以通过将桥面板与钢梁的温度分布各自分解为有效温度、竖向线性温差和残余温度等相互独立的3部分进行计算.简支梁和2跨连续梁算例在温度作用下的界面滑移沿梁长呈现反对称分布,滑移主要集中在距端部小于2 m的范围内,受滑移的影响,组合梁端部桥面板底面的拉应力水平较高,可以超过2 MPa,增加了底面混凝土开裂的风险.提出了温度作用下界面滑移组合梁的挠度影响系数,可以用于组合梁挠度的快速计算,其大小不仅与界面完全连接与界面无连接时组合梁的抗弯刚度比和组合效应系数有关,还受温度作用系数的直接影响.     

矩形钢管和矩形钢管混凝土T形不等宽受拉节点 轴向刚度

为获得T形节点轴向刚度简化计算公式,根据节点受力特点,提出了适用于矩形钢管节点的平面框架模型和适用于矩形钢管混凝土节点的固端梁模型,并推导得到了2类节点的节点轴向刚度理论公式; 运用有限元方法对节点轴向刚度理论公式中的节点域有效长度l_eff进行参数分析,拟合得到l_eff简化计算公式; 将节点轴向刚度理论公式与试验及有限元结果进行了对比,并分析了主管内填混凝土对节点轴向刚度的影响。结果表明:主管高宽比和主管宽厚比对l_eff的影响较小,不予考虑; l_eff与主管宽度和支管高宽比均呈线性关系,且随之增大而增大; l_eff与支主管宽度比β呈非线性关系,且随之增大而减小; 2类节点的轴向刚度理论公式计算结果与试验结果及有限元结果均吻合较好; 主管内填混凝土可以提高节点轴向刚度,提高系数k_c/h随着主管高宽比的增大而增大,随着β的增大呈现先增大后减小的规律,且当β=0.6～0.7时提高最大。     

梁式结构刚度分布推算方法及其应用研究

服役年限较长的公路桥梁往往会出现混凝土开裂、钢筋锈蚀、预应力缺损等病害而导致梁体刚度衰减,针对梁体的实际刚度分布状况识别问题,根据材料力学及数值分析相关理论,以梁式结构为例结合位移互等定理推导梁体各区段的实际刚度分布公式。建立三轴车辆与单位荷载在移动过桥时的跨中挠度曲线之间的转换关系,进而凭借三轴车辆低速行驶过桥时采集的跨中挠度时程曲线即可推导梁体实际刚度分布状况,分析全桥病害分布及损伤程度。根据该算法编制配套计算软件,通过桥梁刚度分布识别的算例验证了文中方法的可行性。结果表明,由于损伤原因及程度各不相同,梁体实际刚度分布沿纵向变化较大,不宜采用全梁整体刚度作为桥梁损伤评判标准;文中算法得到的全梁实际刚度分布与实际受损情况吻合良好,该方法可快速、真实、可靠地反映在役桥梁整体损伤状况、锁定损伤范围并估算损伤程度。     

基于效率系数的组合钢桁梁优化设计方法

组合钢桁梁具有桁架结构的受力特征,同时还受节点性能和板桁组合作用的影响,受力机理复杂。传统有限元优化方法无法兼顾杆件和节点,为对组合钢桁梁设计方案进行快速、准确地优化,提出了一种基于效率系数的优化设计方法。在采用杆系有限元模型进行初步分析基础上,根据结构内力分布相似的假定,以杆件和节点承载力效率系数为优化指标对构件进行优化,再将优化方案代入有限元模型进行验证。以矩形钢管混凝土组合桁梁连续梁桥既有通用图集为依托工程,进行设计方案优化。结果表明:组合钢桁梁空间效应等因素产生的弯曲应力可达组合应力的15%～42%,弯矩产生的影响不可忽略,在计算杆件效率系数时应将弯矩和轴力同时考虑在内; 效率系数可直观反映组合钢桁梁构件应力状态,快速定位优化构件,还可依据杆件截面特征将优化方案细分至板件层面; 所提优化设计方法可对组合钢桁梁的节点和杆件进行统筹优化,避免反复进行有限元试算,显著提高优化计算效率。     

钢管桁架节点效率系数研究

为对桁架节点受力性能及其与桁架整体力学性能的相互关系进行研究,基于已有的桁架节点承载力及刚度计算方法,得到了桁架节点承载力效率系数和刚度效率系数两个无量纲参数。其中节点承载力效率系数定义为腹杆轴力作用下节点承载力与腹杆发生强度破坏承载力的比值,节点刚度效率系数则定义为腹杆轴力作用下节点轴向刚度与腹杆线刚度的比值。在此基础上,给出了考虑节点力学性能影响的钢管桁架抗弯刚度及承载力简化计算方法,对工程常见参数范围内的矩形及圆形钢管桁架节点承载力、刚度效率系数进行参数分析。结果表明：桁架节点刚度及承载力效率系数实质上反映了钢管桁架节点与腹杆力学性能的量化相互关系,其可在桁架层面对不同类型的节点力学性能进行比较,还可以作为节点力学性能评估和方案优化设计的通用评价指标;依据节点承载力、刚度效率系数可对钢管桁架抗弯刚度及承载力进行快速、准确地估算;为避免桁架由于节点失效过早发生破坏,建议将节点承载力效率系数大于0.8且节点刚度效率系数大于5的桁架定义为满足“强节点弱构件”设计理念的桁架。     

严寒地区矩形钢管混凝土截面温度分布试验

为研究严寒地区钢 混凝土组合结构的温度荷载,以西宁市作为严寒地区的代表,在现场进行了水平放置带加劲肋的矩形钢管混凝土构件截面温度场测试试验,对日照作用下钢管混凝土构件截面温度分布进行了研究。同时还将矩形钢管混凝土构件的三维温度场简化为二维温度场,建立了ABAQUS有限元热力学分析模型,在考虑太阳辐射、风速以及环境温度等参数的作用下提出了构件截面温度场有限元计算方法。结果表明:钢管混凝土构件钢管测点及管内混凝土测点温度的实测值均与有限元计算值吻合良好;考虑日照作用的矩形钢管混凝土截面温度场为非均匀温度场,构件截面存在着明显的温度梯度;钢管温度受到环境温度的直接影响,其温度变化略微滞后于环境温度变化,温度极值明显大于环境温度极值;管内混凝土的温度则受到环境温度的间接影响,其温度变化明显滞后于环境温度变化,温度极值则小于钢管温度极值;矩形钢管混凝土截面温度分布还会受到管内纵向加劲肋的影响,该加劲肋增大了其与混凝土的接触面积,减少了管内混凝土温度变化的滞后程度,降低了构件截面的梯度温差。