土基模量对水泥混凝土路面轮载疲劳开裂损伤的影响

基于有限元软件KENSLABS,构建了水泥混凝土路面轮载损伤计算模型,引入地基季节调整系数与零养护疲劳准则,分析了土基模量整体削弱对路面疲劳开裂指数的影响,探讨了当量轴载系数与多轴通过一次的计算次数对土基模量的依赖性,研究了不同土基模量下板厚、水泥混凝土抗弯拉强度、单轴轴重、单轴每日重复作用次数等核心路面设计参数与路面开裂指数的关系。研究结果表明:水泥混凝土路面疲劳开裂指数随着地基季节调整系数的减小而增大,增大速度随地基季节调整系数的减小而加快,当地基季节调整系数从1.0减小为0.8和从0.4减小为0.2时,在单轴、双轴和三轴荷载作用下,路面开裂指数分别增大了2.8、2.9、1.5倍和49.8、269.0、1 351.4倍;当量轴载系数与多轴通过一次的重复计算次数受到板厚与土基模量的影响,在土基模量为60 MPa,板厚为15cm或35cm时,单轴荷载比双轴荷载更易产生损伤,双轴荷载比三轴荷载更易产生损伤,在土基模量为20MPa,板厚为15cm时也是如此,但在土基模量为20MPa,板厚为35cm时,结论则与前相反;水泥混凝土路面疲劳开裂指数随着面板厚度、水泥混凝土抗弯拉强度、单轴轴重、单轴每日重复作用次数而改变的幅度与土基模量直接相关,当土基模量为20、60 MPa时,面板厚度从21cm增加到25cm,疲劳开裂指数分别减小1.18×10、1.18×10~(-2),当混凝土抗弯拉强度从4.0 MPa增大到4.4 MPa,疲劳开裂指数分别减小1.28、2.20×10~(-3),当单轴轴重从80kN增大到160kN时,疲劳开裂指数分别增大5.48、7.36×10~(-3),当单轴荷载每日重复作用次数从50增加到90时,疲劳开裂指数分别增大2.05×10-1、5.07×10~(-4);增设厚度为15cm的水泥稳定基层后,设定工况下的路面疲劳开裂设计寿命增加3.42年;在提高土基模量的同时,宜优先考虑适当增加板厚,严禁超载,设置水泥稳定基层等措施,可以控制水泥混凝土路面受轮载作用的疲劳开裂破坏。     

全无缝桥梁用掺橡胶粉LEM-SHCC路桥连接板拉伸性能及其应用

为了解决全无缝桥梁路桥连接板裂缝宽度与板内力过大等问题,将橡胶粉等体积部分替代细砂掺入应变硬化水泥基复合(SHCC)材料可制备低弹性模量的SHCC材料(LEM-SHCC),用于全无缝桥梁路桥连接板;进行了5种不同体积橡胶粉掺量(0、5%、10%、15%和20%)LEM-SHCC基本材性(密度、抗压强度和弹性模量)及拉伸性能试验,分析了橡胶粉掺量对LEM-SHCC的强度和变形性能的影响,并采用拉、压应变比差评价了橡胶粉掺量对SHCC材料的影响,获得了LEM-SHCC的最优配合比;针对橡胶粉掺量为15%的LEM-SHCC路桥连接板,研究了最不利荷载作用下(温降荷载)其吸纳变形能力、拉伸变形性能及开裂后裂缝分布规律,并与同尺寸SHCC路桥连接板的各项性能进行了比对;进行了LEM-SHCC路桥连接板的敏感参数(橡胶粉掺量、板底摩擦因数和板长等主要影响因素)有限元对比分析。研究结果表明:橡胶粉的掺入降低了SHCC的弹性模量,提升了SHCC的延性,当橡胶粉掺量达15%时,SHCC的弹性模量降低了40%,而延性却提升了近50%,且裂缝宽度有效地控制在60 μm以内;LEM-SHCC路桥连接板吸纳纵向变形达到10 mm时,LEM-SHCC路桥连接板表面微裂缝多(近180条),裂缝间距小(15~80 mm),且开裂后裂缝宽度控制在60 μm以内,此时张拉端板应力为2.1 MPa,锚固端锚固力为150.5 kN,卸载后裂缝闭合,无纤维被拉出或拉断;吸纳同样的纵向变形10 mm时,LEM-SHCC板的内力比同尺寸的SHCC板小;LEM-SHCC板的内力受橡胶粉掺量的影响较大,当其掺量为15%时,LEM-SHCC板性能最优,LEM-SHCC板的内力受板底摩擦因数的影响不大,板长的增加能有效地改善LEM-SHCC板的受力性能,推荐LEM-SHCC路桥连接板的设计长度为8.5 m。      

土工袋竖向承载及循环压缩特性试验研究

土工袋技术近年来已被成功应用于房屋地基加固,具有较好的隔震效果,但其在动荷载条件下的变形特性尚未深入研究.为了进一步分析土工袋竖向承载能力及变形特性,开展一系列室内土工袋组合体无侧限极限抗压强度试验以及循环压缩试验,并通过控制循环次数、上部静荷载及循环荷载比值的大小研究其对土工袋组合体竖向应力、应变和动压缩模量的影响.试验结果表明：随着层数的增加,土工袋组合体极限抗压强度逐渐减小并趋于稳定值0.7 MPa,压缩模量峰值也随之减小并稳定于6.73 MPa;循环压缩试验初期土工袋组合体塑性变形显著,每一循环周期产生的竖向残余应变随着循环次数的增加逐渐减小并趋于0;动压缩模量在试验过程中基本保持稳定,不受循环次数的影响;随着上部静荷载的增大,土工袋组合体动压缩模量逐渐增大,上部静荷载为50 kN的土工袋组合体经过200次循环荷载作用后动压缩模量达到53.87 MPa;反之,循环荷载比值越大,动压缩模量越小,循环荷载比值为0.4条件下土工袋组合体在200次循环荷载作用后仍能达到49.39 MPa;在竖向动荷载作用下,土工袋能够满足其作为隔震材料的承载能力及稳定性要求.     

道基不均匀分布下通用机型轮载对机场道面力学性能影响研究

为研究道基水平方向不均匀分布对机场道面板力学性能的影响,建立飞机荷载-道面结构-不均匀道基三维模型,采用数值模拟方法分析多板协同受力模式下基顶反应模量变化对道面板弯拉应力影响,探讨通用机型(空客A320和波音B737-800)轮载作用时基顶反应模量变化和道面板厚度对道面板力学性能以及接缝传荷系数的影响,同时基于缩尺试验对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：对于A320机型,当道基水平不均匀分布时混凝土板弯拉应力增大,基顶反应模量变化率由0%增加至65.46%时,轮载作用于传力杆接缝板边时道面板弯拉应力由4.06 MPa增加至5.73 MPa,超过极限弯拉应力;增加板厚能够有效地提升刚性道面板受力安全时基顶反应模量变化率的取值范围;道面板接缝传荷系数随着基顶反应模量变化率的增加而增大,基顶反应模量变化率从6.84%增加至56.30%时,道面板传荷系数增加2.44%;室内缩尺试验验证了道基不均匀分布对传荷系数的影响规律。在道面板设计时,应充分考虑道基水平方向不均匀分布对道面板力学性能的影响,避免在服役期间过早出现结构破坏。     

结合面底部带门式钢筋的铰接空心板破坏模式分析

以在空心板与铰缝构造结合面底部布设门式钢筋的深铰缝构造为研究对象,参照2007年交通运输部颁布的装配式空心板桥标准图,设计了一跨8m足尺模型,通过试验和非线性有限元法分析了车辆荷载作用下铰接空心板破坏类型、破坏位置与开裂荷载等破坏模式。分析结果表明:试验验证了铰接空心板非线性有限元模型能较好地模拟铰接空心板在车辆荷载作用下的受力性能;在空心板与铰缝结合面的三个方向的黏结滑移关系中,应以竖向相对滑移量作为结合面黏结破坏失效的指标;在车辆荷载作用下,空心板与铰缝结合面是最薄弱的受力部位,当荷载达到69kN(0.99倍车辆荷载)时,空心板与铰缝结合面底部开裂,但当荷载达到85kN(1.21倍车辆荷载)时,空心板跨中截面底部才出现横向裂缝;与在结合面底部不设门式钢筋的空心板相比,在结合面底部设置门式钢筋后虽不能明显提高铰缝构造的开裂荷载,但可以将铰缝通缝荷载从140kN(2.00倍车辆荷载)提高至199kN(2.84倍车辆荷载),且不出现贯通的纵桥向裂缝。     

双层预应力碳纤维板加固大比例T型梁试验研究

为适应桥梁加固对大吨位预应力加固的需要,研制了能一次夹持双层碳纤维板的波形锚BXM502D,通过锚固组装件的静力破断试验,验证了该型号波形锚的锚固能力能达到600 kN以上。将波形锚BXM502D用于大比例T型梁进行双层预应力碳纤维板的加固试验,双层碳纤维板的预拉力达到300 kN;试验结果表明双层预应力碳纤维板能与被加固的混凝土梁共同工作,非常显著地提高了原结构的开裂、屈服荷载,也大幅提高了原结构的极限承载力。     

承重型3D板墙体抗震性能数值模拟

为研究承重型3D板墙体的抗震性能,同时考虑单纯采用拟静力等抗震性能试验存在试验周期较长、成本较高等问题,采用有限元分析方法对承重型3D板墙体的抗震性能进行模拟计算,并将计算结果与试验结果进行对比,在验证数值模型准确合理的基础上,进一步分析高宽比、混凝土层厚度及强度对其抗震性能的影响,以此节约试验时间和成本. 研究结果表明:随着高宽比的增大,构件趋于弯曲破坏,有利于增加构件的延性及耗能能力. 增加混凝土层厚度对墙体极限承载力具有一定的提高作用,当单侧混凝土层厚度由30 mm增加至40、50 mm时,墙体极限承载能力由208 kN增加至253、279 kN;墙体的极限承载能力随着混凝土层强度的提高略有提升,当混凝土层强度由C25增加至C30、C35时,构件的极限承载力由236 kN增加至253、260 kN.      

铺设拼装式铝合金道面板的道面结构加载性能

对拼装式铝道面板试样进行了四点弯曲试验以检测其强度。修建了2条不同强度的土质试验段,分别铺设了4种不同厚度与强度的蜂窝铝夹芯道面板,构建了不同类型的简易机场拼装式铝道面板道面结构,采用加载车模拟轻型与重型飞机荷载,以最大车辙达到30mm与20%的道面板出现损坏作为控制标准,测试了拼装式道面板道面结构在不同轮载作用次数下的变形与表面车辙。试验结果表明:道面板1~4的有效综合模量分别为1 616、1 862、2 064、2 328 MPa;当道面板1~4分别铺设在单层稳定土基层上时,采用75kN荷载作用,400次通行后各道面结构的竖向变形分别为35、19、10、12mm,500次通行后各道面结构最大相对车辙分别为50、28、16、10mm;当道面板铺设在双层稳定土基层上时,采用150kN通行荷载作用,1 000次通行后铺设道面板4的道面结构的竖向变形仅为16mm,铺设道面板3、4的道面结构的最大相对车辙分别为36、24mm,道面板横向连接处易凹陷。可见,在相同基层条件与通行荷载作用下,采用3003型铝合金材料构造的道面板1相对采用6A02型铝合金材料构造的道面板2~4更易损坏,相应的道面结构也更易失效;道面板2~4铺设在单层稳定土基层上能满足轻型飞机低架次通行要求,道面板4铺设在双层稳定土基层上能够满足重型飞机的使用要求。     

基于裂缝宽度的部分预应力混凝土梁设计方法

为了简化部分预应力混凝土梁的设计过程, 减少设计试算的次数, 缩小预应力筋用量的取值范围, 提出了基于裂缝宽度的部分预应力混凝土梁设计方法; 从正常使用状态的裂缝宽度出发, 根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2004) (简称《公路规范》) 中对裂缝宽度的规定, 通过最大裂缝宽度求解受拉区普通钢筋的应力, 并建立关于开裂截面中性轴高度的一元三次方程; 根据预应力筋的有效应变要求, 结合《公路规范》中最小配筋率的规定, 得到了预应力筋用量的上、下限; 给出了设计方法的主要步骤和具体验算过程, 并设计了1根T形截面试验梁, 以验证设计方法的合理性。研究结果表明: 验算梁的抗弯承载力及预应力筋用量的上、下限满足规范要求; 试验梁的荷载与挠度基本呈现三折线关系, 在外荷载为50.0kN时, 试验梁跨中出现裂缝, 外荷载为128.5kN时, 试验梁受拉普通钢筋屈服, 外荷载为157.8kN时, 试验梁跨中混凝土压碎破坏, 试验梁总体呈延性破坏特征, 满足承载性能要求; 在受拉普通钢筋屈服前, 试验梁实测最大裂缝宽度为0.18mm, 未超过预估的最大裂缝宽度0.20mm, 满足正常使用要求。可见, 提出的设计方法合理、可行, 能够简化部分预应力混凝土梁的设计过程。      

沥青混合料动态模量试验标准研究

以国外研究成果和经验为基础,采用无侧限抗压测试方法测定沥青混合料的动态模量,对静压成型试件的空隙分布不均匀性进行了验证,对试件制作方法进行了改进,得到了静压成型切割试件,并对2种试件的空隙率进行对比分析。根据Vander Poel公式,确定了荷载频率。采用有间隙的加载模式,以试样达到稳态振动为基本原则确定了荷载循环作用次数,并以最后5次的平均应变峰值计算动态模量。确定了荷载级位与应变测量方式,并选取处于稳定期的试验数据作为最终的试验结果。测试了静压成型切割试件的动态模量,计算了动态模量均值、均方差与变异系数。分析结果表明:静压成型切割试件的空隙率平均为4.2%,远小于静压成型试件的空隙率平均值6.5%,而且离散性较小,试件空隙分布均匀,较静压成型试件更接近马歇尔试件的空隙率,且在荷载作用下更容易达到稳定状态;Haversine荷载波形、10 Hz荷载频率、0.9s荷载作用间隙时间和0.7 MPa荷载级位较接近行车荷载的作用;采用顶面法测量试件变形;当荷载作用次数为200次时,认为试件已达到稳态振动,所以荷载循环作用次数取200次;对于单个试件,选取第3~5次的试验数据计算其动态模量,如第5次与第3次试验动态模量差值大于等于200 MPa,应将试件废弃;3种沥青混合料动态模量为1 650~2 970 MPa,试验结果离散性较小,均方差为100~230MPa,变异系数为5%~9%,可见,试验方法可行。