正交异性钢板-薄层RPC组合桥面基本性能研究

为了解决正交异性钢桥面铺装层破损及钢桥面结构疲劳开裂2类病害问题,提出了一种新型正交异性钢板-薄层超高性能活性粉末混凝土（RPC）组合桥面结构体系。基于某大桥建立有限元模型,并对比计算了纯钢梁和组合桥面结构中桥梁主缆索力和桥面系应力状态;同时,开展了足尺条带模型静载试验。研究结果表明：采用新型钢-RPC组合桥面结构后,钢面板及纵肋中应力明显降低且最大降幅超过70%,而主缆索力几乎不增加;RPC层开裂前的拉应力可达42.7MPa,远高于其在实桥荷载作用下10.08MPa的拉应力;该新型钢-RPC组合桥面结构可提高桥面系的刚度,降低钢桥面结构中的应力,从而能够基本消除钢桥面疲劳开裂的风险。     

某正交异性板钢箱梁斜拉桥UHPC组合桥面改造方案研究

某跨江大桥为主跨460m的斜拉桥,运营多年后正交异性板钢箱梁出现大量裂纹,提出采用超高性能混凝土(UHPC)组合桥面(由配钢筋网的UHPC层与钢桥面板通过短栓钉组合而成)进行改造。为选择合适的改造方案,采用有限元法建立原钢箱梁和UHPC组合桥面钢箱梁(UHPC层厚4.5,5.5,6.0cm)模型,分析各疲劳细节应力及UHPC层应力;开展UHPC层配置钢板条的组合结构模型试验,验证其疲劳性能。结果表明:UHPC组合桥面降低了钢箱梁各疲劳细节最大应力幅,降幅为11%~88%,顶板疲劳细节处裂纹尖端最大应力幅降幅达92%;疲劳荷载作用下,UHPC层顶面应力较低,钢桥面板开裂后UHPC层底面应力较大;采用钢板条对5.5cm厚UHPC层的组合结构加强后,UHPC层名义开裂应力达43.2MPa,200万次疲劳寿命达22.1MPa,疲劳性能满足要求,选择该方案进行改造。     

超高性能混凝土-钢正交异性板组合桥面受力性能研究

针对柔性铺装正交异性钢桥面板存在的钢板疲劳开裂和铺装层极易损坏的问题,提出超高性能混凝土(UHPC)-钢正交异性板组合桥面体系。以武汉军山长江大桥为背景,通过ANSYS有限元仿真计算分析该组合桥面体系正交异性板相对于柔性铺装正交异性板受力性能的改善情况,并通过单U肋2跨连续梁足尺模型试验对UHPC层的受力性能进行研究。研究结果表明:采用组合桥面后正交异性板各构造细节的应力大幅下降,其中面板应力降幅最大,加劲肋次之,横隔板最小;采用UHPC-钢正交异性板组合桥面体系后正交异性板主要构造细节最不利热点应力幅降至常幅疲劳极限以下,理论上具有无限疲劳寿命;模型试验显示在实桥最不利应力作用下,UHPC层未发现可见裂纹,当名义应力达到18.79 MPa时在模型中支撑板顶部UHPC上发现0.05mm宽的裂纹。     

大跨度斜拉桥轻型组合桥面方案设计与仿真分析

正交异性钢桥面板疲劳开裂和沥青铺装频繁破损已成为钢桥养护领域的难题,其主要与钢桥面局部刚度不足有关。文中以某大跨度正交异性板钢箱梁斜拉桥为背景,针对大桥出现的上述病害问题,提出钢-超高韧性混凝土(STC)轻型组合桥面结构方案,以对该桥钢桥面进行加固维修,并对轻型组合桥面方案建立了全桥整体模型。计算表明,采用钢-STC轻型组合桥面结构方案后,大桥的整体受力变化不大,不会影响其整体安全性。同时对标准梁段建立了局部有限元模型,结果表明,钢桥面典型疲劳细节的应力降幅达24.8%~84.6%,将基本消除钢桥面的疲劳开裂风险。     

装配式纤维混凝土组合桥面体系试验

针对正交异性钢桥面疲劳开裂,传统沥青混凝土铺装层破损以及纤维混凝土铺装层采用整体现浇施工时需要大面积现场养护等技术难题,提出了一种新型装配式组合桥面体系,即:装配式活性粉末混凝土(RPC)层本体为现浇RPC层,其中嵌合有周围布设企口接头的预制RPC桥面板,并通过剪力钉与正交异性钢桥面板联合成整体,形成组合桥面。为验证该企口接缝的强度,进行了装配式纤维混凝土组合桥面结构模型试验及理论分析。研究结果表明:采用新型钢-RPC组合桥面结构后,钢桥面结构中的拉应力降幅可达49%;当企口接缝处出现肉眼可见的细微裂缝时,与接缝位置对应的同断面现浇RPC强度为12.5 MPa,表明此种接头形式将接缝承受的拉应力部分转化为剪应力,从而有效降低了装配式纤维混凝土组合桥面开裂的风险。     

钢桥面铺装层开裂对铺装体系受力影响的数值分析

由于正交异性结构受力特点,钢桥面铺装层开裂普遍存在,为了解铺装层开裂对界面粘结和铺装层受力的影响,从而对钢桥面的养护进行指导,以广东省马房北江大桥为背景,采用有限元分析软件ANSYS建立钢桥面铺装层开裂的力学模型,对铺装层开裂和铺装体系的受力关系进行分析.分析结果表明,铺装层的纵向、横向开裂均使铺装层自身受力状况恶化,并引起界面受力严重恶化,导致界面分离.因此钢桥面铺装层的养护应及时对受力不利位置进行开裂检查,并进行预防性裂纹病害处理以及层间界面状态经常性检查等.     

礐石大桥轻型组合桥面结构应用概述

目前,钢桥面体系中存在着正交异性钢桥面结构疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损这两大难题。超高韧性混凝土(STC)的成功研发为解决这两大难题打开了新的思路,以超高韧性混凝土为基体形成的钢-STC轻型组合桥面结构可大大增加钢桥面板的局部刚度,降低了正交异性钢桥面板各构造细节处的活载应力,大幅提高了钢桥面的抗疲劳寿命,同时改善了沥青面层的工作条件,大幅降低了铺装层出现病害的风险。本文以汕头礐石大桥桥面铺装维修工程为背景,介绍了轻型组合桥面结构首次在大跨径斜拉桥上应用的设计、施工及检验验收等情况。     

钢-RPC轻型组合桥面结构湿接头弯曲试验

为了提升正交异性钢板-RPC(Reactive Powder Concrete,活性粉末混凝土)轻型组合桥面结构湿接头的力学性能和抗裂性能,针对分次浇筑的RPC层接缝处钢纤维不连续,接缝处RPC的抗拉强度远低于连续浇筑部位等问题,进行了RPC湿接头弯曲试验研究。设计制作了2片试验梁,其中包括5种加密钢筋湿接头和3种异形钢板湿接头以及1种焊接钢筋网湿接头形式。比较了每片试验梁的荷载-变形曲线和RPC名义拉应力-最大裂缝宽度曲线,分析了加密钢筋配筋率、异形钢板企口角度、钢筋焊接形式等因素影响下不同湿接头形式的抗裂性能。研究结果表明:加密钢筋配筋率越高,湿接头抗裂性能相应越好;异形钢板企口角度为66°时,RPC开裂应力最高;与加密钢筋湿接头和常规湿接头相比,异形钢板湿接头和焊接钢筋网湿接头具有更好的力学性能和抗裂性能;加密钢筋焊接在钢板上的湿接头抗裂性能显著优于不焊接在钢板上的湿接头抗裂性能;异形钢板湿接头和焊接钢筋网湿接头考虑耐久性的RPC允许开裂应力根据测试结果分别为26.5,25.1MPa,能够满足RPC桥面板在车辆荷载作用下的抗裂强度要求。     

超高性能混凝土在大跨度铁路桥梁钢桥面铺装中的应用

铁路桥钢桥面铺装主要作用是保护钢桥面免受道砟的磨损与雨水的侵蚀,为提高铁路钢桥面铺装的使用寿命,减少中期维修,对铁路钢桥面超高性能混凝土(UHPC)组合桥面铺装体系进行研究。以沪通长江大桥主航道桥为背景工程,制作带UHPC铺装层的正交异性钢桥面板单U肋梁模型进行抗水渗性能试验,并结合实桥进行UHPC组合桥面铺装体系设计和施工工艺研究。结果表明:UHPC组合桥面体系在无裂缝时抗渗性能满足使用要求,可有效保护钢板免受雨水侵蚀,带裂缝的组合桥面,运营过程中裂缝会逐渐闭合,阻止雨水进一步渗透,具有较强的抗渗能力储备;为避免新浇混凝土开裂,UHPC应严格按规范流程施工,施工温度宜选择15~25℃,浇筑后应及时覆膜保湿养护。     

开口加劲肋正交异性钢桥面铺装力学行为特性研究

为了研究开口加劲肋正交异性钢桥面铺装的力学行为特性,通过建立钢箱梁和铺装整体三维有限元模型,分析了荷载作用下铺装层最大拉应力、铺装与钢板层间最大剪应力等技术指标的变化及分布规律。得到如下结论:拉应力是导致铺装出现开裂破坏的主要原因,疲劳裂缝应沿桥梁的纵向;当以拉应力作为控制指标时,钢桥面铺装在距离横隔板0.4 m范围内受力最为不利;开口加劲肋正交异性钢桥面铺装应变水平远大于一般沥青路面;铺装对车辆荷载的应力应变响应具有很强的局部效应;铺装与钢板层间剪应力较大,在铺装结构设计时应注意选择具有较强抗剪强度的粘结材料。     

大跨径钢桥面沥青混凝土铺装层裂缝机理分析

裂缝类病害是影响钢桥面铺装使用性能的主要病害之一。根据国内多座大跨径钢桥沥青混凝土铺装病害的调查结果,把铺装裂缝类病害分为两类,即第一类裂缝和第二类裂缝。同时,采用三维有限元方法,对不同类型裂缝产生的机理进行了分析。第一类裂缝一般为Top-Down型裂缝,产生的原因与正交异性钢桥面板的构造密切相关;第二类裂缝一般为Down-Top型裂缝,其出现的原因与层间不完全连续或者防水粘结层失效有关。第一类裂缝一般出现在铺装层使用早期,继而成为第二类裂缝或者其他类型病害的诱因,因此要重视第一类裂缝的预防以及维修。如果桥面铺装出现大面积第二类裂缝,则表明铺装层已经进入使用末期。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

军山长江大桥钢-UHPC组合桥面改造效果研究

武汉军山长江大桥原桥面铺装为双层SMA,随着车流量的增加和超重车辆的影响,运营多年后该桥正交异性钢桥面板出现疲劳裂缝。为处治桥面板隐性裂缝,分别对上游侧进行了钢桥面冷拌环氧树脂桥面铺装及桥面板焊接施工,对下游侧进行钢-UHPC组合桥面铺装改造。为评估钢-UHPC组合桥面的改造效果,基于已建立的运营期安全监测系统及有针对性的增布动应变测点,对随机荷载作用下桥梁上、下游侧桥面板的局部应力进行测试。结果表明:在下游侧的车辆数量和轴重均高于上游侧的情况下,下游侧测点的等效应力幅大多小于对应的上游侧,表明钢-UHPC组合桥面铺装明显改善了该桥正交异性钢桥面板的疲劳应力。     

武汉至大悟高速公路钢箱梁桥面铺装结构方案

目前国内大多数钢箱梁结构的柔性铺装在使用过程中均出现了铺装层开裂、脱粘、车辙、坑槽等病害,且正交异性钢桥面出现了包括纵肋-面板连接处疲劳开裂、纵肋-横隔板连接处疲劳开裂、横隔板弧形切口处疲劳开裂、纵肋拼接焊缝处疲劳开裂等病害.为避免这些病害情况的产生,采用了钢-超高韧性混凝土(STC)轻型组合桥面铺装型式.     

U形肋正交异性组合桥面板构造参数分析

针对U形肋+平钢板+混凝土板形成的正交异性组合桥面板，利用Ansys空间有限元软件，对组合桥面板的U形肋尺寸、U形肋间距、横隔板间距、钢顶板厚度及混凝土板厚度等主要构造参数进行研究，提出U形肋正交异性组合桥面板的合理构造尺寸，为今后设计提供了有益的参考。     

正交异性桥面结构数值模拟优化分析

运用有限元子模型法,分析轮载作用下正交异性钢桥面铺装的受力状态,比较了桥面板厚度、加劲肋厚度等不同结构参数对铺装层受力状态的影响,对正交异性钢桥面结构进行了优化分析,分析结果表明桥面板厚度对桥面铺装的受力状态影响较显著,其影响比加劲肋厚度对铺装的受力状态影响更显著,提出了钢桥面板的优化组合设计模式.     

钢桥面铺装修复界面疲劳特性试验

为研究钢桥面沥青铺装坑槽病害修复界面的疲劳性能,定量评价病害修复界面的修复效果,采用改进的Overlay Tester试验方法进行钢桥面铺装材料疲劳断裂试验。选取完好的Overlay Tester试件、含有初始裂缝的Overlay Tester试件和切割后进行黏接的Overlay Tester试件3种状态,分别采用传统的评价标准（荷载降低93%）、特定周期数和荷载降低75%三个评价标准进行分析,试验过程中采用高清视频记录裂缝扩展过程。建立基于荷载-周期曲线的疲劳方程,分析了疲劳破坏特征及裂缝扩展过程,提出了裂缝扩展速率、疲劳断裂能和裂缝完全贯穿时的周期3个量化评价指标。研究结果表明：不同状态下Overlay Tester试件的荷载-周期均呈幂函数关系;修复界面疲劳断裂过程复杂,微观层面的集料形状对裂缝扩展的路径有显著影响;考虑疲劳过程的疲劳断裂能和裂缝完全贯穿时的周期2个指标修复效果小于表征单次加载断裂的裂缝扩展速率计算的修复效果,更符合实际工程应用效果。     

正交异性板桥面结构的受力特点简析及结构设计优化

通过对正交异性钢箱梁桥面结构作适当简化,用平面刚架结构分析了桥面板的受力,揭示了桥面结构的受力特点,可作为钢箱梁结构设计和结构优化的参考。