双塔单索面大悬臂钢-STC组合桥面斜拉桥受力性能的研究

清远市北江四桥为双塔单索面超宽幅大悬臂钢-STC桥面板钢-混凝土混合斜拉桥,超宽幅钢-STC轻型组合桥面横向悬臂大的结构特点,使该桥在横向偏载情况下,钢-STC层承受较大的拉应力。钢桥面的疲劳问题一直是桥梁设计关注的重点,对该桥应用热点应力法重点分析STC对该桥钢桥面疲劳性能的影响:超宽幅钢-STC轻型组合桥面的局部刚度由于STC层的介入而大幅提高,降低了钢桥面板的活载应力幅,进而延长疲劳寿命,通过疲劳受力分析对STC层及钢箱梁在横隔板、U肋腹板等疲劳细节位置的抗疲劳性能进行研究。     

钢-STC轻型组合结构桥面施工技术研究

为了解决钢-STC轻型组合结构桥面施工中的难题,对钢-STC轻型组合结构桥面施工技术展开研究。重点介绍本项技术的施工关键环节与各项工艺,给定施工工艺流程图。针对各个施工环节所研发的施工技术及技术优势进行分析,最后在多个工程实践中应用,具有很好的施工效果。     

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。     

悬索桥板桁结合加劲梁钢-STC组合桥面支承体系设计优化

杭瑞高速岳阳洞庭湖大桥为(1 480+453.6)m双塔双跨钢桁梁悬索桥,主梁为采用了钢-STC轻型组合桥面的板桁结合型钢桁加劲梁,钢-STC轻型组合桥面支承体系由横向桁架支承及桥面纵、横梁支承组成。采用ANSYS软件建立主梁节段有限元模型,针对组合桥面支承体系,从横向桁架结构形式、桥面纵横梁体系及其结构尺寸等方面进行设计优化。结果表明,带竖腹杆的横向桁架结构形式在桥面刚度、构件应力水平方面均具有较大优势;多横梁体系桥面刚度大,桥面构件应力水平低,适用于钢-STC轻型组合桥面。洞庭湖大桥板桁结合加劲梁钢-STC组合桥面支承体系采用带竖腹杆的横向桁架,纵横梁支承体系采用在横向桁架竖腹杆位置设置边纵梁、次横梁间距2.8m的多横梁体系,能够很好地兼顾结构刚度、应力水平及钢材用量。     

钢-STC轻型组合桥面螺栓连接接头区域设计

为解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出钢-STC轻型组合桥面结构方案。此结构方案应用于含有钢箱梁栓接的旧桥桥面维修时,螺栓连接区域由于存在拼接钢板,导致局部接头区域STC层厚度骤减,刚度下降,受力变形趋于不利,易出现早期开裂现象,需进行局部优化设计。针对这一问题,就接头区域局部提出2项强化构造措施(①局部加密剪力钉、②部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接),并进行足尺条带模型试验。以礐石大桥螺栓连接区域为例,对拟同时采取上述2项措施的情况进行验算。研究结果表明:2项措施均在不同程度上阻滞了STC层顶面接头区域内微裂纹宽度的发展,延缓了开裂,尤其当采取第2项措施或同时采取2项措施时,STC层顶面接头区域晚于一般区域开裂,即接头区域不再是设计计算中需要控制的不利区域;STC层顶面可能出现的最大拉应力为11.5 MPa,小于试验开裂荷载对应的名义开裂应力17.7 MPa,满足设计要求,即钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于礐石大桥桥面维修可行。     

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。     

钢-STC轻型组合桥面螺栓连接接头区域设计（双语出版）

为解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题，提出钢-STC轻型组合桥面结构方案。此结构方案应用于含有钢箱梁栓接的旧桥桥面维修时，螺栓连接区域由于存在拼接钢板，导致局部接头区域STC层厚度骤减，刚度下降，受力变形趋于不利，易出现早期开裂现象，需进行局部优化设计。针对这一问题，就接头区域局部提出2项强化构造措施（①局部加密剪力钉、②部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接），并进行足尺条带模型试验。以礐石大桥螺栓连接区域为例，对拟同时采取上述2项措施的情况进行验算。研究结果表明：2项措施均在不同程度上阻滞了STC层顶面接头区域内微裂纹宽度的发展，延缓了开裂，尤其当采取第2项措施或同时采取2项措施时，STC层顶面接头区域晚于一般区域开裂，即接头区域不再是设计计算中需要控制的不利区域；STC层顶面可能出现的最大拉应力为11.5 MPa，小于试验开裂荷载对应的名义开裂应力17.7 MPa，满足设计要求，即钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于礐石大桥桥面维修可行。     

钢-STC轻型组合结构桥面新技术应用的保证体系

钢-STC轻型组合结构桥面新技术能综合解决正交异性板钢桥面普遍存在的钢面板开裂和桥面铺装层易损坏的技术难题,具有明显的技术优势,可大力推广和应用。该文通过介绍新技术的特点及其应用的保证体系,可了解新技术的内涵,增强行业内对应用该技术的信心;同时,也提出了在新技术推广和应用中应做好的相关工作。     

佛陈大桥(扩建)的轻型组合桥面结构设计

佛陈大桥(扩建)连续钢箱梁的桥面采用各向异性钢桥面铺装,为解决钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的问题,从耐久性出发,转变桥面铺装的设计思路,结合钢箱梁的结构设计,引入了轻型组合桥面结构,在扩建右幅桥试验性地采用超高韧性混凝土(STC)和沥青磨耗层组合铺装结构,提高铺装下层的设计年限和钢桥面的抗疲劳寿命,从而降低铺装层的养护成本和生命周期总成本。通过模型试验,验证该轻型组合桥面结构的抗裂能力,能达到设计要求。     

钢-STC轻型组合结构桥面施工技术及工艺的研发与应用

介绍钢-STC轻型组合结构桥面新技术的特点、施工方法和存在的难题,以及针对施工难题研发的相应施工技术与工艺,并阐述该新技术推广和应用的必要性。     

钢-STC轻型组合桥面结构多参数分析

为综合研究STC层厚度、隔板厚度、栓钉间距对轻型组合桥面结构疲劳性能的影响,分析各参数间的协作性,得到基于该3种参数下轻型组合桥面结构的综合优化设计参数。以某大桥为工程背景,建立ANSYS局部有限元模型,对不同STC厚度、隔板厚度、栓钉间距情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节进行应力幅计算,并采用名义应力法对计算结果进行评估。基于有限元分析结果,得出以下结论:轻型组合桥面结构可以大幅提高钢桥面板的局部刚度,但对于整体刚度的贡献有限。各设计参数下的轻型组合桥面结构,对面板与U肋连接细节应力幅的改善作用均很大,而对其他细节改善作用则相对较小,U肋与隔板交叉处隔板裂纹细节为轻型组合桥面结构的开裂控制细节;STC层厚度由45 mm增加到60 mm可进一步降低钢桥面各疲劳细节应力幅;隔板变厚对U肋与横隔板交叉处隔板裂纹细节、U肋下缘对接焊缝细节应力幅改善较大,降幅为20%~29%;栓钉变密对U肋与横隔板交叉部位、弧形切口处细节改善作用明显,应力幅降低22.01%~27.96%;模拟的12种轻型组合桥面结构方案中,有7种方案的典型疲劳细节均满足疲劳强度设计要求,有一种方案理论上基本不会疲劳开裂。     

基于压电阻抗法的钢-STC组合结构脱粘损伤识别研究

与土木工程中其他组合结构类似,钢-超韧性混凝土STC(Super toughness concret)组合结构交界面通过栓钉与混凝土紧密结合,以保证二者协同受力。在实际应用中,若钢-STC界面发生脱粘损伤,将影响结构使用性能。PZT测试技术是一种简单有效的现场无损检测方法,可用于监测钢-STC界面脱粘等微小缺陷。为解决实际工程中难以准确获得钢-STC结构界面脱粘损伤情况的技术难题,在实验室设计并制作了钢-STC组合梁模型,运用压电阻抗法对试验梁负弯矩加载过程进行监测,通过分析阻抗曲线等特征参数,对加载过程中的局部界面脱粘损伤进行识别。结果表明,压电阻抗法能够较好地识别出钢-STC界面脱粘损伤。该研究成果的推广应用,对实时监测运营阶段结构力学性能的动态情况具有很重要意义。     

湘潭昭华大桥设计及球扁钢纵肋组合钢箱梁的应用研究

湘潭昭华大桥主桥为主跨(168+228) m的独塔自锚式悬索桥。钢加劲梁采用STC轻型组合桥面钢箱梁,梁高3. 5 m,宽39. 5 m。STC层厚度为50 mm,铺装层厚30 mm。本桥创新性应用球扁钢作为轻型组合桥面系的纵肋形式,球扁钢肢厚12 mm,高度26 cm,横向布置间距为45 cm。由于轻型组合桥面结构大大提高了桥面系的刚度,本桥提出桥面板纵肋用开口肋形式替代传统U肋加劲形式。通过研究发现多种开口肋中球扁钢作为组合桥面加劲肋的优势,并研究出适合于球扁钢纵肋构造的施工方法,本桥的研究成果首次被应用到公路桥梁的设计和施工过程中。     

公路钢桥梁桥面加固技术应用实例及分析

钢桥面铺装养护是钢结构桥梁养护的重点内容之一,桥面铺装易损和钢桥面板局部下挠问题突出。该文以焦山门大桥为例,采用树脂沥青组合体系(ERS)钢桥面铺装和STC轻型组合钢桥面铺装两类典型桥面铺装技术进行加固修复,并对加固修复方案使用效果进行了对比分析。     

桥面结构中螺栓连接带的弯拉受力性能研究

对含有螺栓连接带的钢U肋条带和钢-STC(Super Toughness Concrete)轻型组合条带先后进行负弯矩试验,结果表明:(1)由于螺栓连接带区域截面抗弯刚度较低,导致通过螺栓连接的拼接结构整体刚度远小于完整的通长结构,螺栓连接带对于结构整体刚度的不利影响不容忽视;(2)钢—STC轻型组合条带整体刚度虽较钢U肋条带得到了有效提升,但受螺栓连接带的不利影响更大。为在设计计算中充分考虑上述螺栓连接带的不利影响,提出了一种简化计算方法,即螺栓连接带区域不考虑钢U肋部分参与实际受力,并近似认为此时简化后的截面受弯变形符合平截面假定,将螺栓连接的原拼接结构转化为完整的通长变截面结构按一般材料力学公式进行计算。经试验验证,上述简化算法准确性较高,可大大降低设计计算难度。同时,亦提出了一种优化设计方案,即将STC层中的部分纵向受拉钢筋与拼接钢板在螺栓连接带两侧接头区域局部焊接。经试验验证,当此优化方案被采用时,不仅开裂荷载得到提升,还可有效规避螺栓连接带区域STC层最先开裂的风险,使得设计计算中无需再考虑螺栓连接带的不利影响,大大方便设计计算。上述优化方案现已被广东礐石大桥桥面维修工程所采用,效果良好。     

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。     

大跨度自锚式悬索桥钢-STC组合桥面箱形加劲梁抗风性能试验研究

以株洲枫溪大桥为工程背景,采用有限元计算和节段模型试验相结合的方法,研究大跨度自锚式悬索桥STC组合桥面钢箱加劲梁的抗风性能。研究结果表明:钢-STC组合桥面箱形加劲梁结构在-3°、0°及+3°的3种风攻角下,颤振临界风速均远高于桥位处检验风速,设计方案满足颤振稳定性要求,且有较大富余度。成桥状态下的原型断面在+3°攻角下出现了11.1~16.7 m/s与22.7~33.4 m/s两个竖弯涡振区,其中在第二个竖弯涡振区,其峰值振幅0.188 m超过规范允许值。通过对截面进行局部优化后,涡振均在规范允许值以内。节段模型测力风洞试验基于风攻角为-12°至12°范围内变化,研究了加劲梁断面的静力三分力系数的变化规律。大跨度自锚式悬索桥的钢-STC组合桥面宽幅箱形加劲梁的抗风性能试验研究为类似桥梁的设计提供依据和参考。     

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.     

基于实桥试验的轻型组合桥面动力性能研究

为了研究薄层超高性能混凝土(UHPC)-钢轻型组合桥面结构的车桥动力性能,依托广东佛陈新桥工程(一幅桥采用轻型组合桥面,另一幅桥采用传统沥青铺装钢桥面)。在钢桥易出现疲劳的位置布置动态应变传感器,进行了大量的跑车动力试验,记录标定车驶过桥面时各测点的时程应变,采用雨流法统计各疲劳细节处的应变幅,汇总试验结果并结合有限元模型,分析了两种钢桥面体系在车辆动力作用下的受力特性。结果表明:轻型组合桥面各测点时程应变的变化规律与传统沥青铺装钢桥面相同;相比于传统钢桥面,轻型组合桥面的车桥动态受力水平较低,其中弧形切口的应变幅降幅最大,达到了23.8%。总体表明:轻型组合桥面未改变传统沥青铺装钢桥面车桥动力受力形式,但能够有效地降低钢桥面的车桥动力响应。     

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。