铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能影响效应研究

为研究铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,以港珠澳大桥标准联边跨跨中为背景,选择3类典型正交异性钢桥面板疲劳细节,考虑铺装层与钢桥面顶板的层间结合状态,铺装层的厚度、弹性模量、组成成分,建立该桥正交异性钢桥面板有限元模型,分析铺装层各因素变化下3类疲劳细节的应力幅变化;通过分析铺装层轮载扩散效应的扩散角对各疲劳细节应力幅的影响,提出合理扩散角,以此来考虑铺装层对钢桥面板的作用。研究结果表明,铺装层与钢桥面板间接触状态对正交异性钢桥面疲劳性能的影响较小;铺装层各参数对正交异性钢桥面板的疲劳性能影响较大;当进行钢桥面板抗疲劳设计时,可取轮载扩散角≤30°或采用BS5400所推荐的26.5°,或者偏安全地忽略铺装作用效应,以简化分析过程。     

铺装层对钢桥面板纵肋连接细节疲劳性能的影响

钢桥面板疲劳问题是目前钢桥研究的热点课题之一,其中面板纵肋连接细节是钢桥面板危害较严重的疲劳细节。铺装层与面板共同受力决定面板纵肋连接细节的疲劳应力。为分析铺装层对该细节的影响,以国内某大跨度钢桥为对象,建立了疲劳分析有限元模型。计算结果表明：当钢桥面板厚度为16mm时,考虑铺装层受力后,面板纵肋连接细节最大疲劳应力幅由45.3MPa降低至36.7MPa。不同季节造成的铺装层刚度变化对该细节疲劳性能的影响不能忽略。     

铺装层温度效应对U肋与顶板构造疲劳损伤的影响

为研究50 mm厚EA10环氧沥青混凝土铺装层温度对正交异性钢桥面板U肋与顶板构造疲劳致损效应的影响,开展带沥青混凝土铺装层的正交异性钢桥面板足尺节段模型拟静力循环加载试验。分析不同铺装层温度下正交异性钢桥面板顶板的横向应变、挠度以及U肋与顶板构造的局部热点应力响应,在此基础上,对不同铺装层温度下U肋与顶板外侧焊趾疲劳损伤进行研究。结果表明:常温(25℃)条件下,采用沥青混凝土铺装层可降低钢桥面板顶板35.2%的横向应力和10.3%的局部挠度,以及U肋与顶板双面焊构造外侧顶板焊趾区域的应力幅值和疲劳损伤;随着沥青混凝土铺装层温度升高,顶板横向应力、挠度及U肋与顶板双面焊构造外侧顶板焊趾区域的应力幅值、疲劳损伤显著增大,高温(60℃)条件下该区域疲劳损伤度增幅可达41.5%。     

钢-超高延性混凝土组合桥面结构力学性能分析及疲劳试验

为改善当前大跨径钢桥钢箱梁桥面板普遍存在疲劳开裂的现状,提升钢桥面铺装体系正常服役寿命,提出了一种钢-超高延性混凝土组合桥面方案:组合桥面主要由正交异性钢桥面板、配筋超高延性混凝土层和沥青磨耗层组成,钢桥面板上表面焊接栓钉,并设置防水黏结层,超高延性混凝土层与钢桥面板间通过栓钉相连,超高延性混凝土层上表面采取表面粗糙处理,并设置防水黏结层,确保与其上的沥青磨耗层之间形成可靠连接。以虎门大桥钢箱梁为背景,采用有限元软件Abaqus对所提出的组合桥面铺装体系进行了力学性能分析。分析结果表明:采用组合桥面铺装体系,可明显提升正交异性钢桥面铺装体系的整体刚度,使得正交异性钢桥面板关键受力部位的应力水平降低25%～45%,显著延长钢桥面板疲劳寿命。制作了足尺钢箱梁子结构试验模型并开展了疲劳试验研究,疲劳试验结果表明:在规范规定的疲劳车荷载及高于疲劳车荷载的疲劳荷载作用下,累计经历400万次疲劳试验后,组合桥面铺装结构铺装层和钢桥面板均未出现破坏迹象,采用钢-超高延性混凝土组合桥面,可有效延长钢桥面铺装结构使用寿命。研究成果为既有存在病害的钢桥钢箱梁承载力的恢复甚至提高,乃至新建钢桥的桥面铺装提供了一种有益的选择方案。     

ERS铺装对钢桥面板疲劳应力影响的测试与分析

为研究树脂沥青组合体系(ERS)铺装对钢桥面板疲劳应力的影响,开展钢箱梁桥面板现场试验研究。采用总重200 k N的两轴卡车加载,铺装前后分别进行了390个静力工况测试,获取了铺装前后的钢桥面板典型细节应力响应面与响应线。基于现场测试数据建立钢桥面板有限元模型,研究了气温和铺装厚度变化对典型细节疲劳应力的影响。运营期间对钢桥面板进行长期动应变监测,分别选取不同季节连续24 h内实测应力谱进行应力幅分析与疲劳损伤评估。结果表明:ERS铺装使得钢桥面板疲劳应力水平降低7.1%~46.5%,对纵肋与顶板连接细节影响最大;气温和铺装厚度的变化对不同细节疲劳应力的影响差异显著;相同车流作用下冬季实测峰值应力幅约为夏季的50%,秋季峰值应力幅约为夏季的70%;夏季产生的疲劳损伤是秋季的2.5倍,是冬季的15倍以上,建议钢桥面板疲劳验算或评估时充分考虑桥面铺装温度和厚度的影响。     

重载交通条件下铺装层动态模量对正交异性钢桥面板疲劳的影响

以多温度条件下钢桥面铺装动态模量对比试验为基础,依托武汉军山长江大桥钢桥面铺装维修工程,建立了钢箱梁正交异性板有限元分析模型,研究重载交通条件下、不同温度时,铺装层动态模量变化对正交异性板疲劳性能的影响。结果表明,温度升高将引起铺装层动态模量的衰减,导致正交异性钢桥面板受力大幅增加。SMA铺装体系中,高温(55℃)条件下正交异性板疲劳应力幅较常温(25℃)提高21.6%～71.5%。采用ERE环氧沥青混凝土铺装相比原路面,高温条件下钢板疲劳应力幅降低16.5%～40.8%,常温条件下降低17.6%～66.03%,对延长钢板疲劳寿命有积极作用。同时,提高铺装层动态模量对正交异性钢桥面顶板疲劳性能影响最大,对横隔板影响最小。     

超高性能轻型组合桥面铺装体系基本力学性能研究

为解决大跨径钢桥面疲劳开裂和铺装层早期损坏这两大难题,提出薄层聚合物混凝土(TPO)铺筑于超高韧性混凝土(STC)-钢桥面板的超高性能轻型组合桥面铺装体系。基于马房大桥的有限元模型,分析STC+TPO铺装体系的受力和变形特点。计算结果表明:采用STC+TPO铺装体系,钢桥面板中的拉应变平均降幅达76.4%,铺装层中的拉应变峰值和竖向位移峰值降幅均大于49.0%;此外,车辆荷载、环境温度和铺装层厚度等对STC+TPO铺装体系的受力状况有较大影响,60℃时STC-TPO界面抗剪强度可达2.56 MPa;STC+TPO铺装体系能大幅提高桥面系刚度,降低铺装层和桥面板的应力应变幅值,从而减小桥面板和铺装层疲劳开裂的风险;同时,STC和TPO的抗拉强度及界面抗剪强度均满足重载和高温环境下的使用要求。     

SFRC在日本钢桥面铺装工程中的研究与应用

介绍钢纤维混凝土（SFRC）在日本钢桥面铺装中的研究与应用背景。日本SFRC钢桥面铺装主要基于提高铺装体系整体刚度、防止桥面板焊接缝等部位发生疲劳开裂破坏而提出。在该铺装技术方案中,采用纤维增韧、碳纤维网增强、焊接抗剪连接件的方法来提高铺装层的协同变形性能和耐久性能,为钢桥面铺装体系探索一种新思路。     

正交异性钢桥面新型复合铺装结构研究

针对正交异性钢桥面存在的主要破坏形式,提出其铺装层相应的4个主要设计指标:铺装层表面拉应力、铺装层与钢桥面板层间剪应力、铺装层垂直压应变和铺装层剪应力。利用有限元方法,以铺装层与含加劲肋和纵横隔板的正交异性钢桥面局部梁段作为计算对象,进行有限元分析,分析各个设计指标随铺装过渡层模量和铺装层厚度的变化规律。首次提出以水泥基材料为过渡层、焊钉为剪力连接件和SMA13为表层的新型复合铺装系统,并进行了热相容试验、高温复合车辙试验和复合梁疲劳试验等一系列小型试件试验研究。研究结果表明,增大铺装过渡层模量或适当增加铺装层厚度,有助于降低正交异性钢桥面板的应力和应变,使铺装层总体受力越有利;与传统双层沥青混凝土铺装结构相比,新型复合铺装系统性能更优越。     

随机车辆荷载流下UHPC加固正交异性钢桥面板疲劳性能评估

疲劳开裂是正交异性钢桥面板常遭遇的病害之一,而其与桥面铺装刚度较大使得关键细节应力幅过大密切相关,因此,利用UHPC提升桥面铺装刚度是缓解疲劳应力的重要手段.为研究实际车流作用下的关键细节的疲劳性能,以跨沿洛河某公路斜拉桥为例,开展了钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板构造细节的应力影响面分析,并利用监测记录的实际车流...     

正交异性钢桥面板典型疲劳细节变形与裂纹尖端应力分析

为了解车轮荷载作用对正交异性钢桥面板典型疲劳细节的影响,以长门特大桥为背景,采用有限元法建立正交异性钢桥面板节段模型及易开裂部位的子模型,分析在不同横向荷载分布下3处典型疲劳细节受力及面内外变形,得到各细节最不利加载位置。对最不利位置进行加载,分析疲劳裂纹尖端应力强度因子变化规律,研究不同疲劳细节裂纹类型及扩展能力。结果表明:单轮荷载作用下,横隔板弧形缺口位置会发生面内外变形,顶板-U肋焊根处以面外变形为主,横隔板间的顶板-U肋焊缝焊根位置面外变形最大。在裂纹较短时,随着长度的增加,弧形缺口裂纹从张开型裂纹逐渐转向张开型、滑开型混合裂纹,且横隔板处的顶板-U肋焊根裂纹为复合型裂纹,横隔板间的顶板-U肋焊根裂纹为张开型裂纹。横隔板弧形缺口裂纹和顶板-U肋焊缝焊根裂纹的尖端应力强度因子的最大值,分别出现在裂纹长度为20 mm和40 mm附近,该处裂纹较容易继续扩展。     

正交异性板对钢桥面铺装荷载响应的影响分析

通过有限元模拟对正交异性桥面板构造对钢桥面铺装荷载响应的影响进行分析,结果表明：纵腹板部位、顶板变厚度部位对铺装的荷载响应具有显著影响,这些刚度突变部位是钢桥面铺装受力分析的临界荷位;行车状态对荷载响应也有明显的影响。     

钢箱梁U肋嵌补段疲劳开裂机理与养护措施研究

某大型悬索桥为主跨1650 m的两跨连续钢箱梁悬索桥,加劲梁采用扁平流线型分离式双箱。近2年在正交异性板钢箱梁顶板U肋嵌补段发现焊缝开裂状况,为研究及处治该病害,采用大型有限元程序ANAYS进行局部仿真计算,分析焊缝开裂后的应力分布规律、影响范围。结果表明:重车轮压的疲劳荷载、施工焊接质量等是嵌补段焊缝开裂的主要原因;钢箱梁顶板U肋嵌补段焊缝开裂会对邻近结构抗力产生影响,U肋嵌补段开裂使相邻U肋嵌补段焊缝应力增加11.8%,使U肋与顶板之间焊缝主拉应力增加57%,使邻近位置的横隔板弧形缺口主拉应力增加6%。根据分析结果建议尽早处治焊缝开裂问题,短期养护措施推荐在低应力区打止裂孔和设置临时支撑架,长期养护措施建议刨去已开裂焊缝后补焊、嵌补段整体切割后补焊和改用高强度螺栓连接方式。     

带大U肋的轻型组合桥面板基本力学性能

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出了由正交异性钢桥面板与薄层超高韧性混凝土STC组合而成的轻型组合桥面板结构。由于STC层显著提高了桥面板的刚度,因此可对结构进行优化。在带U肋轻型组合桥面板的基础上,提出了带大U肋的轻型组合桥面板方案。将此方案拟应用于某大桥,与原结构相比,用钢量基本不变,而面板-U肋-隔板三者间焊缝总长度减少36%,不仅降低了施工难度,也减少了焊接缺陷,进一步解决了钢桥面板疲劳开裂的问题。采用4种不同的结构体系,建立了钢箱梁节段有限元模型,基于热点应力法,对体系的6个典型疲劳细节进行疲劳验算。结果表明：在大U肋轻型组合桥面板中,6个疲劳细节的应力水平与传统U肋轻型组合桥面板接近,降幅效果基本一致;同时,通过计算说明了大U肋轻型组合桥面板具有良好的横向受力性能,其栓钉也具有足够的抗疲劳性能。为探究此轻型组合桥面板STC层的纵向弯拉性能,开展了负弯矩条带足尺试验,确定大U肋轻型组合桥面板的STC顶层名义开裂应力为24.1 MPa,远超STC层计算最大拉应力10.92 MPa。以上分析初步表明：带大U肋的轻型组合桥面板有较好的疲劳和静力性能。     

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。     

铁路桥梁超高性能混凝土桥面铺装力学性能分析

针对铁路桥梁超高性能混凝土桥面铺装层的受力特点,结合某连续钢桁梁特大桥工程,采用有限元软件建立力学分析模型。通过对桥面铺装层最不利荷载位置进行分析,研究桥面铺装结构的纵、横向应力及疲劳应力,发现超高性能混凝土铺装层能够有效改善正交异性钢桥面板的应力状态,确定了超高性能混凝土铺装层设计的力学控制指标。     

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。     

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。     

钢桥面铺装体系材料选型与设计

结合铺装材料的配合比设计和性能试验，研究分析了典型铺装材料的高温稳定性能、抗疲劳开裂性能和黏结层应用性能。结果表明：环氧沥青混合料EA表现出较好的抗车辙特性，其60℃最终车辙深度为沥青玛蹄脂碎石混合料SMA的30%左右，70℃最终车辙深度仅为SMA的25%左右；对于SMA，在铺装设计时需要考虑一个临界应变水平，并在结构设计时宜控制其实际应变水平低于该临界值；存在最佳黏结材料用量使层间黏结强度达到最大，且拉拔试验和斜剪试验得到的最佳用量一致，2种试验结果具有一致性。