整跨火荷载下PC薄壁多室变宽箱梁桥的变形

针对火荷载作用下预应力混凝土薄壁多室箱梁桥的变形状况,基于温变模型和材料的热力参数,利用大型空间有限元程序ANSYS分析了三跨火荷载作用下预应力混凝土薄壁多室变宽箱梁桥的变形,研究了三跨受火、单跨加载和三跨受火、多跨加载模式,并分析了各模式三跨跨中最大挠度在单荷载比下随延火时间的变化规律。研究结果表明:整跨受火、单跨加载或多跨加载模式下,中跨跨中挠度在延火前期均下挠,延火后期有返挠和走平趋势;第一跨和第三跨的跨中挠度在整个延火期内随延火时间呈下挠趋势,均大于第二跨跨中挠度,延火前期第一跨跨中的挠度稍大于第三跨跨中的挠度,延火终期以第三跨的挠度值最为显著。三跨挠度值受箱梁的变宽结构形式、火荷载模式影响较大。     

混凝土箱梁悬臂板计算方法

针对目前混凝土箱梁悬臂板计算的不合理性,以有限元为基础,结合诸多算法,应用子模型技术分析了箱梁畸变、悬臂板长度及坡度、荷载作用位置等参数对混凝土箱梁悬臂板有效分布宽度的影响规律。在此基础上,依据最小二乘法原理,利用Matlab分布拟合得到混凝土箱梁跨中悬臂板有效分布宽度的实用计算公式。结果表明:畸变大,有效分布宽度增大;悬臂板长度和坡度与有效分布宽度变化趋势相同,呈曲线关系;荷载作用点靠近悬臂板根部,有效分布宽度变小。相对于其他算法,有效分布宽度实用计算公式所得结果接近试验数据。     

强度减损下混凝土箱梁预应力高温损失分析

为明确火灾下混凝土桥梁预应力的衰变幅值与高温之间的变化关系,采用热力耦合计算方法,基于强度损失的虚拟层截面等效原理,设定火灾下混凝土箱梁预应力火灾高温分析工况,研究单面火灾和三面火灾模式下混凝土箱梁的截面温度场分布状况,计算不同延火时间混凝土箱梁预应力沿程(沿桥梁跨径)分布状态,揭示强度减损下混凝土箱梁预应力火灾高温沿程损失规律。研究结果表明:箱梁底板受火,温度大致呈水平层状分布;箱梁底板和两侧腹板受火,温度呈U形分布,并且多面受火时的温度峰值大于单面受火时的温度峰值;随着延火时间的增加,高温层逐渐向内扩展并且扩展宽度递增;延火全程中,相对处于腹板上部,处于腹板下部的钢束预应力沿程损失较大,四分点的预应力损失值较其他部位大,大约是其他部位的1.1倍;跨中的预应力损失增长幅度相对较大,增长幅度最大值约为9.4%;锚下预应力损失值最小;整个延火过程中,沿程预应力损失呈倒W形。     

预制复合保温墙体抗火性能试验研究

为了研究由内、外叶钢筋混凝土墙板、不同保温材料板及钢套筒连接件组成的预制复合保温墙体的抗火性能,对4个预制复合保温墙体试件进行了单面受火试验.根据测得的墙体截面温度场分布,分析了不同保温材料及保温层厚度的保温隔热性能,观察了试件的破坏过程,对比了各试件面外挠度随时间变化的关系,并对混凝土墙板进行了钻孔取芯分析.试验结果表明:最大挠度值随受火时间的增加而显著增大,墙体施加轴压比0.2的轴向荷载,其墙面外挠度值有减小趋势,EPS板厚度相差20 mm对挠度几乎没有影响,采用XPS板的挠度值较EPS板的小;沿截面厚度方向温度场呈非线性分布,背火面温度普遍较低,均不超过100℃;钻孔取芯发现迎火面芯块呈褐红色,XPS板及EPS板灾后呈熔化状态.     

混凝土薄壁箱梁高温冲击模式及时变效应研究

针对混凝土薄壁箱梁的耐火性能,综合考虑火灾高温下影响钢筋混凝土结构性能的多种参数,密度、导热系数、比热容以及混凝土的初始湿度,给出含有潜热函数的高温冲击模式,利用数值模拟程序分析了火灾高温下混凝土薄壁箱梁的温度分布,研究了荷载比、保护层厚度对ISO834标准火灾升温过程中混凝土薄壁箱梁变形的时变效应规律.研究表明:保护层厚度、荷载比和火灾时间对混凝土薄壁箱梁挠度影响较大;增加混凝土保护层厚度,可有效提高火灾下混凝土薄壁箱梁抵抗竖向变形的能力,并且保护层厚度与挠度之间保持非线性关系;挠度随荷载比的提高呈非线性增长趋势;火灾时间越长,挠度递增幅度越大.     

火灾作用下预应力连续梁桥的力学性能分析

为研究火灾对预应力连续梁桥力学性能的影响,以福建某受火连续箱梁桥为背景,参考桥梁火灾的现场资料,确定模型的边界条件,选取适当的混凝土、预应力筋本构模型,考虑混凝土及钢筋热工参数随温度的变化,通过对火灾时桥梁的瞬态温度场分析,得出温度随时间和空间的变化,并分别比较在自重作用下以及车道荷载作用下火灾前和火灾时桥梁的力学性能变化,研究火灾对桥梁中混凝土、预应力筋等材料的影响.结果表明,对大跨度桥梁结构来说,火灾后,结构的传热速度相对较慢,热量从受火面向非受火面逐渐扩散,温度呈平流状分布;火灾发生后,混凝土材料强度的损失要远远高于预应力筋强度的损失.     

钢-混组合梁的火灾试验及剩余承载力

完成了3根试验梁的火灾试验,测试了钢-混组合梁受火时的温度场、挠度变形和裂缝分布情况,并对受火后的3根试验梁分别展开静载试验,实测了其剩余承载力和破坏形态.基于高温后混凝土强度表达式和温度场分布函数,推导出高温后的混凝土受压区高度计算公式.结果表明,恒载作用下,3根试验梁的竖向挠度随受火时间的增长而明显增加.简支T梁和箱梁的顶板混凝土未见明显裂缝,连续箱梁负弯矩区的顶板混凝土出现数条横向贯通裂缝,裂缝宽度随构件受火时间的增长而增大.箱梁的混凝土顶板温度上升较慢,其耐火性能优于T梁.所提的剩余承载力计算方法具有良好的精度.     

火灾后预应力混凝土连续板力学性能试验与分析

完成了7块火灾后两跨无黏结预应力混凝土单向连续板受力性能试验.基于试验结果,拟合出火灾后预应力混凝土连续板中无黏结筋剩余应力、极限应力的计算公式,提出了火灾后预应力混凝土连续板正截面承载力计算公式.根据火灾下温度场分布沿板厚方向将截面分条带,引入火灾后钢筋、混凝土本构关系,基于截面轴力、弯矩平衡,获得了火灾下预应力混凝土板任意截面的弯矩-曲率关系全曲线.基于支座变形协调方程,可用割线刚度法对支座反力进行迭代求解,计算板在外荷载(曲率荷载)与支座反力共同作用下的弯矩、挠度和支座位移,进而对截面曲率积分可求得连续板的变形.试验结果表明:初始有效应力越高、受火时间越长,火灾后连续板预应力钢丝应力损失越严重;保护层厚度越小、受火时间越长、荷载水平越大,火灾后板跨中截面承载力降低幅度越大;受火时间越长、荷载水平越大,板中支座截面承载力降低幅度越大.     

火灾下钢筋混凝土梁桥高温场形变分析

利用数值模拟程序分析了火灾高温下钢筋混凝土矩形截面简支梁任意时刻的温度场分布,研究了保护层厚度、荷载等级对火灾下的钢筋混凝土简支梁高温场时程形变的影响规律,建立了钢筋和混凝土的内力积分模型,以等比数列推导了非线性加速迭代方程.研究表明:截面温度分布与测点至梁体表面距离相关;保护层厚度对钢筋混凝土简支梁跨中挠度影响较大;火灾场钢筋混凝土简支梁跨中挠度时程曲线随荷载等级的增加呈非线性增长趋势,挠度时程曲线增大的程度随保护层厚度增加而减小;增加混凝土保护层厚度,可有效提高火灾场钢筋混凝土梁桥的耐火极限,控制其变形.     

双层均布荷载作用下混凝土悬臂箱梁抗弯性能试验研究

对大比例混凝土悬臂箱梁在弹性范围内的抗弯性能进行试验研究与分析,重点研究该混凝土悬臂箱梁的悬臂部分在双层均布荷载或单层均布荷载作用下,其荷载-挠度曲线、顶板纵向应变的横向分布情况以及顶板剪力滞系数的横向分布情况.研究结果表明：双层均布荷载或单层均布荷载作用下,支座截面处存在正剪力滞现象,离支座1/2悬臂长度截面处存在负剪力滞现象;荷载量级的增加对剪力滞系数没有影响;该混凝土悬臂箱梁在顶板均布加载作用下产生的剪力滞效应相对于其在顶板、底板同时均布加载作用下产生的剪力滞效应较为明显.     

钢板组合连续桥梁的耐火极限

针对油罐车火灾对钢结构桥梁造成的严重威胁,选取四跨双肋钢板组合连续梁(4×35 m)作为研究对象。根据油罐车火灾燃烧特点选取最为贴近的碳氢(HC)火灾升温曲线,以实际受火特征还原了4种受火模式,采用热-力耦合计算方法,建立有限元模型,并对模型有效性进行了验证。首先分析了油罐车火灾作用下钢板组合梁的温度场,然后推导了火灾下双肋钢板组合梁塑性抗弯承载力计算方法,基于温度场分析结果计算了油罐车火灾下钢板组合梁正弯矩区域的抗弯承载能力衰退曲线,分析4种火灾作用下钢板组合梁的挠度变化过程,采用抗弯承载力和挠度破坏准则得出组合梁的耐火极限;最后对4种火灾场景下钢板组合梁的破坏形态进行了分析。研究结果表明:油罐车火灾下,钢材整体升温幅度远大于混凝土,组合梁截面沿梁高方向出现明显的温度梯度,其最大值为1 020℃,这种温度梯度导致的热拱是钢板组合梁在延火初期下挠的主要原因;截面抗弯承载力在延火初期降低缓慢,在进入高温阶段后截面抗弯承载力急剧降低,最终在30 min左右降低至荷载效应以下,组合梁破坏;在火灾作用下组合梁挠度总体呈三阶段发展,边跨受火长度对组合梁挠度变化影响较大,边跨受火长度越大,挠度增长越快;采用挠度准则判断组合梁的破坏相较于抗力准则偏于不安全,并基于抗力破坏准则对挠度准则进行了修正;边跨在火灾作用下表现为整体垮塌破坏,中跨受火表现为混凝土板的挠曲破坏和钢梁的鼓胀破坏。     

油罐车火灾下考虑混凝土高温爆裂的PC箱梁承载能力

针对油罐车火灾对预应力混凝土桥梁的破坏过程,选取桥梁工程建设中应用较为广泛的预应力混凝土(PC)箱梁为研究对象,建立油罐车火灾下预应力混凝土箱梁桥混凝土高温爆裂的"三级指标",并设定了相应油罐车火灾下混凝土的爆裂场景,采用单元生死技术模拟混凝土高温爆裂特征,分析考虑混凝土高温爆裂的预应力混凝土箱梁截面温度场的完整分布形态,计算混凝土不同高温爆裂指标下的预应力混凝土箱梁极限承载能力,拟合并建立计算公式。研究结果表明:截面关键点的温度曲线呈三阶段上升趋势;爆裂导致混凝土截面的温度在传导过程中产生突变,温度分布以爆裂后截面形态分层递进;混凝土的高温爆裂使钢束、钢筋的强度显著下降;混凝土的爆裂深度越大,正截面抗弯承载能力下降越快;混凝土发生重度爆裂,延火时间180min时,箱梁跨中截面的抗弯承载能力从未爆裂时的60.73%降至14.87%,箱梁L/4截面(L为跨径)的抗弯承载能力从未爆裂时的64.37%降至19.37%;混凝土高温爆裂不同深度下预应力混凝土箱梁桥抗弯承载能力衰变呈现多阶段特征。混凝土爆裂对预应力混凝土箱梁的截面温度分布和抗弯承载能力影响显著,提出的考虑爆裂的承载能力计算公式简单实用。     

基于修正翘曲位移函数的薄壁箱梁剪力滞效应分析

为完善薄壁箱梁剪力滞效应研究,构造余弦函数作为剪力滞效应下纵向翘曲位移分布形态的描述,考虑弯曲剪力流分布对薄壁箱梁弯曲曲率和顶底板纵向翘曲位移的影响,引入顶板悬臂板纵向翘曲位移差函数修正系数及内力平衡因子,基于能量变分法,推导了薄壁箱梁剪力滞效应作用下应力与挠度计算微分方程.针对单箱单室简支箱梁和连续箱梁算例,将理论分析方法得到的应力和挠度计算值与有限元结果和实测值进行对比分析.结果表明,按理论分析方法得到的薄壁箱梁纵向应力值不仅与有限元结果、实测值吻合良好,而且能真实地反映顶板悬臂板应力分布形态.集中荷载和均布荷载作用下,考虑剪力滞效应影响的方法使得薄壁简支箱梁跨中挠度分别增加了25. 34%和19. 22%,与有限元结果的误差分别为1. 31%和1. 83%,精度较高.该理论分析方法可以准确预测薄壁箱梁在任意荷载作用下的截面应力与挠度分布.     

火灾下混凝土空心板的温度场

为了研究火灾下混凝土空心板温度场分布,基于流固耦合传热理论,采用流体动力学软件FLUENT,建立空心板混凝土和封闭空洞内空气耦合模型并进行计算.通过典型算例,对相同外形尺寸下混凝土实心板和空心板温度场的分布进行了比较;对空洞内空气的自然对流和内壁面间辐射换热进行了分析;同时考虑了内壁面取绝热边界条件的可行性.分析结果表明:延火1 h内,空心板与实心板温度场分布相近,随后差异明显;空洞通过内部空气自然对流与壁面间辐射换热对空心板温度场分布产生影响,并随延火时间增长而愈加明显;内壁面取绝热边界条件会高估空心板空洞附近的温度.空气一混凝土耦合传热系统模型可以解决常规单独计算混凝土空心板传热无法确定其空洞内边界条件的问题.     

UHPC加固箱梁顶板受弯性能试验研究

提出密配筋UHPC(超高性能混凝土)加固钢筋混凝土箱梁顶板方法,以消除混凝土箱梁顶板因开裂导致结构承载能力和耐久性普遍降低两类病害.为探究该加固方法在集中荷载下的箱梁顶板横向受弯性能,对3块足尺箱梁顶板局部模型进行试验研究.试验结果表明:负弯矩作用下,受拉的UHPC层显著提高了加固板的抗裂性能和刚度;加固试验板的开裂强度取决于UHPC的弹性抗拉性能;裂缝宽度为0.2mm时的持荷水平相对于未加固试验板提高了255.8%;当裂缝宽度小于0.27mm时,荷载与最大裂缝宽度关系近似线性.正弯矩作用下,UHPC层受压,加固试验板的开裂强度取决于封闭裂缝所用黏胶的抗拉强度;因为普通混凝土区域裂缝出现较早,正弯矩加固板在前期表现出略微偏大的挠度,但后期挠度和裂缝宽度的增长速度均明显小于未加固板,致密的UHPC层为箱梁顶板提供良好的防水性能,加固层对正弯矩试验板刚度的提高和裂缝发展的控制效果较为明显;破坏形态符合预期,破坏荷载与理论计算结果吻合良好.     

火灾后四边简支钢筋混凝土板刚度与挠度试验研究及分析

为研究钢筋混凝土双向板在遭受火灾作用后的承载能力及挠度发展规律,对配筋率及受火时间不同的火灾后钢筋混凝土双向板承载能力进行研究。研究结果表明：火灾作用后,双向板在荷载作用下无混凝土开裂前的弹性阶段,而是直接进入带裂缝工作阶段,且只存在钢筋屈服前的带裂缝工作阶段和钢筋屈服后的破坏阶段;配筋率高的双向板挠度发展较为缓慢,具有更好的抵抗变形的能力,提高配筋率可使得双向板的抗弯刚度增加;随着受火时间的延长,双向板挠度发展加快,挠度曲线更为饱满,表明火灾使得双向板的抗弯刚度削减,挠曲变形也随之增大;以已有的受弯构件刚度的计算方法为基础,结合材料的高温后性能与火灾对双向板承载性能的影响,采用分层划分的方法,推导给出了火灾后钢筋混凝土双向板刚度及挠度计算公式,并与试验对比进行验证。     

油罐车火灾致简支钢-混组合箱梁抗弯承载力衰变机理

针对油罐车火灾导致的简支钢-混组合箱梁的极限破坏问题,选取某简支钢-混组合箱梁为研究对象,给出桥梁火灾与建筑火灾的区别及热-力耦合的火灾全过程数值计算方法和强度分区的等效计算方法,分析碳氢(HC)火灾下简支钢-混组合箱梁的截面温度分布特征,研究各构件强度衰变过程,揭示不同延火时间下正截面抗弯承载力的衰变机理,建立简支体系钢-混组合箱梁抗弯承载力与HC火灾的时程衰变阶段关系,通过截面抗弯承载力与荷载效应的对比得到简支钢-混组合箱梁在HC火灾下的破坏时间。研究结果表明:所提方法能够预测HC火灾下钢-混组合箱梁的温度响应和结构响应;截面测点温度平均值受各构件厚度的影响;有横隔板的断面温度峰值低于无横隔板的断面;HC火灾下简支钢-混组合箱梁跨中截面抗弯承载力随延火时间呈四阶段下降;前8min内跨中截面抗弯承载力保持初始状态,8～16min跨中截面抗弯承载力衰变率增大,16～48min截面中性轴特征逐渐发生改变,48min后结构破坏;简支钢-混组合箱梁在HC火灾下的灭火时间应该控制在8min之内;拟合建立的HC火灾下简支钢-混组合箱梁正截面抗弯承载力时程衰变四阶段计算公式,进一步明确了油罐车火灾下其抗弯承载力的衰变机理,该公式简单实用,可为桥梁抗火设计及智能评估提供依据。     

大跨径预应力混凝土箱梁的剪切变形分析

为分析剪切变形对预应力混凝土箱梁挠度的影响,依据经典Timoshenko梁理论,参照已建大跨预应力混凝土箱梁的截面尺寸,简化选取等截面悬臂箱梁为分析对象建立了空间有限元模型.按不考虑剪切变形和考虑剪切变形两种情况计算了箱梁的挠度,分析了剪切变形的影响随箱梁高跨比的变化,并讨论了传统观点中的考虑剪切变形的高跨比门槛值在大跨径预应力混凝土箱梁挠度计算中的适用性.然后,建立了虎门大桥辅航道桥的施工阶段分析模型,模拟箱梁的实际悬臂施工过程,分析了剪切变形对箱梁挠度的影响规律,计算并探讨了箱梁的长期徐变挠度,进而推算了箱梁的剪切徐变挠度.分析结果表明,剪切徐变是造成箱梁持续下挠的原因之一.     

混凝土薄壁连续箱梁剪力滞效应试验研究

对大比例长悬臂梯形截面混凝土薄壁连续箱梁在弹性范围内的剪力滞效应进行试验研究与分析,并研究在各级荷载作用下,中间支座和跨中截面荷载一挠度曲线以及翼缘混凝土应变分布规律等。考虑翼缘弯曲正应力沿宽度方向和厚度方向的不均匀性,给出翼缘等效宽度计算系数公式;根据试验结果,得到连续箱梁中间支座和跨中截面翼缘等效宽度计算系数,并和现行JTGD62-2004规范中翼缘等效宽度计算系数计算结果进行比较。研究结果表明：混凝土薄壁连续箱梁无论在中间支座处,还是在跨中截面均存在正剪力滞现象：规范连续箱梁翼缘等效计算系数公式偏于安全。     

端部约束部分嵌入式钢-混凝土组合梁抗火性能试验

为研究有约束情况下钢-混凝土组合梁的抗火性能,以荷载比为主要参变量,开展了2个部分嵌入式钢-混凝土组合梁在ISO 834标准升温曲线下的足尺火灾试验。借助大型结构抗火试验平台模拟火灾环境,并通过预埋热电偶测试组合梁上部混凝土板内的温度场分布;利用布设在板面的位移计测量火灾下组合梁的竖向变形;通过专门设计的装置,实现对组合梁的端部约束并测量火灾下组合梁的实时约束力。通过观察试验现象以及测得的耐火时间、挠度变形和端部约束力等,分析部分嵌入式钢-混凝土组合梁在不同荷载水平下(荷载比0.3和0.5)的抗火性能。结果表明:荷载比为0.5的钢-混凝土组合梁在受火71 min时达到耐火极限,即跨中最大挠度值达到组合梁跨度的1/20;荷载比为0.3的钢-混凝土组合梁在受火77 min时因故停火,但根据其即时的变形值(147 mm)仅为破坏准则中变形极限要求的50%,可以推测该组合梁仍有抵抗火灾侵袭的较大潜力;根据组合梁的面内轴力全过程变化曲线,带有端部约束的钢-混凝土组合梁在发生较大变形时均出现了悬链线效应,对提高组合梁的抗火性能发挥了积极作用;荷载比越高,变形发展越大,悬链线机制产生的就越早;停火时,部分嵌入式组合梁均未发生明显的坍塌、钢梁整体失稳和混凝土被压碎等不利于承载的破坏机制,仅在距离支座不远处裸露钢梁的下翼缘(端部的受压区)出现局部屈曲。