乌江特大桥H型索塔施工过程力学特性与监控研究

目的研究特大桥H型索塔施工过程的力学特性演化,探索各施工工况H型索塔整体应力水平、结构安全可靠、施工安全保障,为实际工程应用提供合理的设计施工依据.方法依据乌江特大桥H型索塔结构工程特点,合理设置对拉和对撑控制系统,有效控制索塔结构在各施工阶段均处于许可应力范围,使斜拉桥H型索塔下塔柱外倾、中塔柱内倾施工增高的过程中,下塔柱内侧及中塔柱外侧根部混凝土会产生拉应力而影响施工安全,为此建立索塔渐变截面的下、中塔柱内力与施工高度关系的力学计算公式开展分析,基于索塔实际施工阶段划分进行施工过程力学建模、数值计算与监控量测分析.结果下、中塔柱施工中的最大拉应力大于塔柱材料的抗拉强度极限值;索塔塔柱施工过程顺桥向平均偏位绝对值8.2 mm、横桥向为3.5 mm、最大拉应力为0.96 MPa,满足现行规范要求.结论乌江特大桥索塔采用撑拉系统辅助施工方案,可有效控制柔性索塔施工过程中的偏位及最大拉应力,保证了结构的施工受力安全,研究结果对特大桥H型索塔的设计和施工具有指导意义.     

混合梁斜拉桥索塔与下横梁异步施工控制分析

某特大桥索塔采用钻石型混凝土索塔,索塔总高度为177.91 m,在下塔柱与中塔柱相交位置设置一道下横梁。施工中塔柱与下横梁采用异步施工,即先将中塔柱施工到第二节段再进行下横梁施工。期间,索塔会出现悬臂状态,故索塔的薄弱截面易出现拉应力,这在桥梁施工中是要避免的,为此,先通过模拟分析异步施工过程对索塔的影响,给出相应的施工控制措施。     

分丝管索塔锚固区劈裂极限行为分析与试验

针对分丝管索塔锚固区受力状态问题,以南盘江特大桥(108m+180m+108m三跨矮塔斜拉桥)为背景,进行锚固区混凝土劈裂行为与受力机理研究。首先,综合考虑拉索对索鞍的压力和摩擦力作用,推导拉索沿纵桥向的压力分布公式;然后,建立ABAQUS实体模型并按压力分布公式加载,分析其空间应力分布规律。最后,开展锚固区节段足尺模型试验,采用自平衡反力梁法,分四级张拉斜拉索,最大张拉力为1.09倍设计张拉力,观测并验证锚下混凝土的受力特征。研究结果表明:作用在鞍下混凝土上的压力受摩擦力影响较小,沿纵桥向基本服从均匀分布;锚固区混凝土压应力及拉应力均低于规范限值要求,处于安全工作状态;设计荷载作用下,最大劈裂应力出现在两分丝管索鞍之间的混凝土部分,但应力水平较小,此外两索鞍两侧及与索鞍接触的混凝土区域亦出现较小劈裂应力;索鞍底缘附近的混凝土劈裂应力沿竖向衰减迅速,劈裂应力沿竖向的叠加效应不明显。有限元模型显示,当拉索索力达到25 100kN时,锚固区混凝土达到劈裂极限应力而开裂;在横桥向,竖向压应力由核心区域向两侧逐渐减小,近似成二次抛物线分布;有限元模型应力分布计算结果与模型试验实测结果基本一致,具有可靠性。     

后浇带对施工期闸墩混凝土温度和应力的影响

针对闸墩施工期容易开裂的问题,阐明了闸墩的开裂原因.借助混凝土温度和应力有限元计算方法,分析了后浇带的防裂机理和效果.指出后浇带对减小混凝土内部最高温度、内外温差以及早期表面拉应力作用不大,对减小闸墩后期的内部拉应力有明显作用.研究表明,后浇带可以有效防止闸墩后期"由里及表型"裂缝的产生.     

后结合预应力组合梁桥的抗裂性能试验

为研究后结合预应力组合梁桥的预压应力分布和负弯矩区抗裂性能，设计2根连续组合试验梁，其中一根为负弯矩区设计成全预应力混凝土板的后结合组合梁，另一根为无预应力的普通组合梁。测试了试验梁在张拉预应力筋和静力加载过程的受力性能，得到负弯矩区截面的应力状态和裂缝分布。试验表明：因钢梁和混凝土板不连接，预压应力由混凝土板承担且混凝土截面的预压应力沿着横向的分布不均匀。后结合预应力组合梁的初始开裂荷载和群钉孔外的开裂荷载分别是普通组合梁的3.1和5.0倍。后结合预应力组合梁抑制裂缝沿着横向贯穿混凝土板，提高了负弯矩区的抗裂性能。混凝土平均裂缝间距约等于横向钢筋间距。后结合预应力组合梁在开裂后的受力状态与普通组合梁类似。     

对预应力混凝土简支变结构连续梁桥施工工序的探讨

本文通过实例桥梁施工,对实际工程主梁后浇结构层与墩顶梁端湿接头浇筑的先后顺序以及墩顶负弯矩预应力张拉的先后顺序,进行详细分析,对预应力混凝土简支变连续粱桥的结构受力、施工工序进行初步探讨.     

黄土沟谷地区格构式高墩偏位及受力性能分析

黄土沟谷地区格构式高墩在施工以及使用过程中,由于受到不同因素的影响,其墩身可能会产生一定的偏位。为研究其偏位对墩身受力以及损伤性能的影响,本文以河沟大桥4#高墩为研究对象,利用有限元软件Midas Civil和ABAQUS研究分析了高墩在最不利荷载状态下墩顶的最大偏位值以及偏位后的墩身的受力性能和损伤性能。研究结果表明：最不利荷载作用下墩顶最大偏位为35 cm;当墩顶偏位最大时,墩顶水平推力小于混凝土破坏时的水平推力临界值,此时,墩身受压侧混凝土压应力之比与墩体受拉侧钢筋拉应力之比均小于规范允许上限值,墩身混凝土未发生完全破坏;在墩顶最大偏位位移下,墩身受拉损伤因子相比墩身受压损伤因子较大,墩身受拉损伤比较严重。可见黄土沟谷地区格构式高墩施工应控制墩顶偏位,降低对墩体承载力的消弱。     

悬索桥索塔施工过程的模拟分析

宁波庆丰自锚式悬索桥索塔采用弧面结合变截面局部空心结构,且仅在上塔柱处设置一道横梁,构造较复杂,施工难度较大.为更好地进行施工控制本文详细计算了施工过程中塔柱及横梁截面应力及位移的变化,根据固定模板逐段浇筑的施式方案进行了施工过程的模拟,得出施工各工况中塔柱自重应力及位移,并根据分析结果提出施工中应注意的问题.同时为考察成桥后索塔受力性能,本次亦分析了索塔除承受自重外同时承受大缆竖向及水平不平衡荷载工况的情况,从而得出庆丰桥索塔从施工到成桥后的全部工作性能.     

连续钢桁结合梁桥桥面系受力状态及与桥面系刚度的关系

以1座下承式连续钢桁结合梁桥为例,采用有限元法研究其桥面系的受力特性,考察中支座区域桥面系受力状态与混凝土板板厚、纵梁抗拉刚度及抗弯刚度的关系;针对纵横梁及混凝土板在中支座区域受力比其他区域突出的问题,探讨解决方案。研究结果表明：在中支座两侧节间内,随着纵梁抗拉刚度的增加,纵梁轴力增加速度逐渐减小,且低于抗拉刚度的增加速度;随着纵梁抗弯刚度的增加,纵梁竖向弯矩也增加;采用较高的纵梁或增加混凝土板厚对降低中支座区域纵横梁的应力效果并不明显;选择合适的纵梁高度并增加翼缘厚度或采用4根小纵梁的方法均可降低该区域纵横梁的应力水平,在中支座两侧节间内再布置横梁时,纵横梁的应力可进一步降低。     

一种新支点横隔板设置下的斜交连续钢箱梁桥受力特性分析

为简化斜交连续钢箱梁桥在中间墩处结构构造,方便工厂标准化制造,通过将中墩支座支承在独立的横隔板上,提出一种新型支点横隔板设置方式。以某(30+35)m跨线斜交连续钢箱梁为工程背景,建立梁-墩-桩一体化混合有限单元模型和全桥板单元有限元模型,系统分析恒载、竖向活载、温度、基础沉降、地震荷载以及车辆荷载作用下结构受力特性以及支座反力传递规律,并探讨结构的扭转刚度。研究结果表明:所提出的新支点横隔板设置方式满足结构受力要求,可为类似桥梁的设计提供参考;新设计下结构支座反力、弯矩、挠度和桥墩支点位移时程以及扭转刚度等整体受力特性与原设计的基本相同;新设计和原设计中,结构纵梁分担的荷载一致,可作为于支点横隔板的弹性支承;在车辆荷载作用下,结构中支点位置局部等效应力在35 MPa以内,且新设计结构支点横隔板局部应力集中程度比原设计的小。     

软弱地基上的碾压混凝土拱坝应力与位移分析

某工程在软弱基础上修建的碾压混凝土拱坝坝高大于100m,基础软弱,应力和位移大,尤其是坝肩向下游位移大。提出设置推力墩新结构来增强拱座受力,限制其变形。示例对水压荷载作用下坝体的应力和位移进行三维仿真分析,表明仅设置30m长的推力墩能消减50％的坝体下游面(水压荷载)拱向拉应力;位移减小20％;坝肩基岩几乎处于微压状态,水压应力向推力墩转移,加大坝基底面减小坝体沉陷。由于推力墩结构减小了拱跨度,增强了拱坝的整体性,分担了主要的坝肩荷载,可使拱坝应力得到改善,位移得到控制。     

下承式密布横梁体系钢-混组合桥受力状态研究

对客运专线上1座96m跨度的下承式密布横梁体系钢桁-混凝土组合桥进行空间、平面有限元计算分析,并设计制作了比例尺为1-6的全桥模型,分3个阶段进行模型试验,以考察桥梁的位移和应力状态,分析混凝土板不同结合方式对结构受力的影响。研究结果表明:空间有限元分析结果与试验结果较吻合;下弦杆受到轴向拉力和较大的面内弯矩作用,各节间最大应力出现在节间中点附近;节点横梁最大应力发生在横梁2的下翼缘,节间横梁最大应力发生在位于端节间中部的小横梁上;混凝土板顺桥向整体受拉,并在竖向集中荷载作用下产生弯曲变形;全结合模型大部分节间内的桥面板参与主桁共同作用的程度为55%左右,半结合模型桥面板的参与程度为42%~43%;桥面板与下弦杆结合能够增加桥面板的参与程度,减轻下弦杆荷载,减少节点横梁尤其是靠近桥头横梁的面外弯曲;对桥梁进行初步设计时,主桁杆件的位移与内力可按照1个等效的平面刚架计算,下弦杆的等效刚度由原下弦杆截面和混凝土桥面板截面组合而成,桥面荷载可转化为均布荷载施加。     

钢-混凝土组合简支桥面连续结构横向应力分析

针对钢-混组合简支梁桥的桥面连续结构开裂等病害,围绕桥面连接板的横桥向应力问题,采用线弹性理论和板的偏微分方程进行分析,得出了桥面连接板挠度和应力的分布函数,建立非线性有限元模型,并进行实桥荷载试验.通过比较理论解、有限元解和实测试验结果,证实了理论解和有限元的有效性.根据得到的分布函数,发现横桥向和纵桥向上的最大拉应力出现在钢梁端部位置的连接板的上缘.此外,还分析了连接板区域尺寸变化对横桥向应力峰值的影响,包括纵梁端部距支座的长度、纵梁的间距以及连接板区域整体尺寸变化.结果表明：较小的纵梁间距和较长的纵梁端部与支撑之间的距离会导致连接板中的横向拉应力峰值增加,并提高横向拉应力在总应力中的占比,从而导致桥面连接板早于设计荷载开裂.因此对于纵梁间距较小、梁端长度较长的钢-混组合简支梁桥桥面连续结构,仅计算其纵桥向受力性能会导致计算结果偏危险,建议按照本文方法考虑横桥向应力对桥面连接板的影响.     

钢一混凝土组合空腹板架结构负弯矩区力学性能研究

为研究钢—混凝土组合空腹板架结构负弯矩区力学性能,基于有限元分析软件Abaqus建立两跨半连续空腹板有限元模型,考虑了材料和几何非线性,对模型进行了竖向均布荷载作用下的力学性能研究,重点分析了中间支座负弯矩区钢筋、混凝土板、剪力键以及钢肋的受力特点。研究结果表明:负弯矩区混凝土板受拉开裂,板内分布钢筋主要承受拉力作用,且受力均匀;负弯矩区段的剪力键使混凝土板受到较大的冲切作用,且该范围随着负弯矩的降低而逐渐减弱,因此,在对结构负弯矩区进行设计、分析时应合理考虑混凝土板的有效宽度,并采取有效措施降低剪力键对混凝土板的冲切作用。     

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.     

某钢筋混凝土独柱伸臂桥墩开裂的加固设计及分析

针对某桥钢筋混凝土独柱桥墩的开裂和特点,提出采用主动加固法进行加固设计,并基于空间有限元数值方法,通过精细模拟钢筋及混凝土的作用,对加固效果和施工过程进行了空间分析.结果表明,采用主动的对穿预应力束和高强螺杆的方法能够显著减小墩帽梁混凝土纵、横向的拉应力,闭合已经开裂的混凝土裂缝,同时考虑到已有的裂缝主要是由箱梁支反力较大、独柱桥墩的受力较大引起的,在加固施工时一方面要注意施工顺序和对称施工,另一方面在进行主动加固作业时要用千斤顶卸除部分支反力,待部分加固的纵横向预应力钢筋受力时再释放千斤顶的支撑力.     

单索面斜拉桥主梁变宽段模型试验方法

在研究单索面混凝土斜拉桥边跨具有变宽段受力情况的模型试验中,将斜拉索力分解为水平和竖向2个分力,水平分力通过张拉布置在箱梁内的体外预应力钢束来模拟,竖向分力通过设置在主梁底部相应位置的弹性支撑梁提供的竖向反力来模拟;通过桥面分布荷载、边界条件荷载和斜拉索荷载的同步协调加载来保证各工况荷载在结构变宽段内引起的轴力和弯矩均与实桥的相似,从而保证模型截面应力与实桥的等效。分析计算和试验结果表明:在各工况荷载作用下,模型变宽段内的顺桥向弯矩与实桥相应荷载下的弯矩基本相似,各工况加载模式正确反映了实桥的受力状态;试验值的分布规律与理论值的分布规律吻合较好,各工况荷载作用下模型截面应力与实桥截面应力等效;研究成果也为同类桥梁的研究提供了一定的理论和试验基础。     

斜拉桥单向预应力体系索塔锚固区足尺模型试验研究

为研究布置单向预应力的混凝土索塔锚固区的传力机理,明确该类新型索塔锚固区的实际受力状况,以广中江高速公路西江水道桥为工程背景,进行了索塔节段足尺模型试验和有限元数值分析,试验中特制了与实桥一致的平行钢丝索短索,并设计了斜向加载反力梁,以模拟斜拉索的大吨位斜向荷载;试验过程中观测结构的应力、变形以及裂缝发展.研究结果表明:理论分析与试验结果吻合较好,结构在1.2倍设计荷载下仍处在弹性受力状态,主要受力部位未发现裂缝;推算抗裂安全系数为2.04,布置在顺桥向塔壁的单向预应力能够提供足够的压应力储备.     

斜拉桥索塔塔冠区应力分析及优化

以塔冠区为例,研究预应力混凝土索塔锚固区应力优化设计的方法。对塔冠区锚固段进行有限元分析。以反映预应力筋张拉量的张拉系数为设计变量,以预应力筋的强度和结构裂缝宽度为约束条件,以裂缝平均宽度和标准差最小为目标函数,建立锚固段危险区域应力优化数学模型,并在ANSYS软件平台上,利用零阶和一阶优化方法获得设计变量的最优解。分析结果表明:齿板凸起处和齿板交接处是锚固区的危险区域,其第一主应力均超过了允许值;通过减小环向预应力张拉量可改善危险区域应力情况。优化结果表明,采用自上而下逐渐减少的环向预应力张拉量,索塔应力的分布状态更加合理。     

预应力混凝土连续弯梁桥墩顶开裂分析

为研究预应力连续弯梁桥墩顶开裂或主梁侧倾的原因,将预应力钢束对混凝土梁的作用简化为等效荷载,用三维梁单元对预应力张拉施工过程进行了有限元模拟.对采用墩梁固结的预应力弯梁桥进行计算的结果表明,张拉时所引起的独柱墩顶弯矩的方向和自重引起的弯矩方向相同,并大一个数量级,此二者共同作用是造成预应力混凝土连续弯梁桥墩顶开裂或主梁侧倾事故的原因.并通过对比计算,提出了预防墩顶开裂的建议.