带板肋的钢-UHPC轻型组合桥面板计算与试验研究

为解决钢混结合段区域U形加劲肋传力不流畅,受力以及施工复杂等问题,提出一种新型的带板肋的超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面板,通过有限元分析将其抗疲劳性能与带U肋超高性能组合桥面板进行对比分析研究,并进一步对该结构在负弯矩作用下的承载能力,UHPC层的开裂应力,破坏模式以及荷载挠度关系进行实桥足尺模型试验研究。结果表明:(1)板肋组合桥面结构在疲劳性能上有更大优势,其在疲劳细节2,3,4上的应力幅均大大低于U肋组合结构;(2)足尺模型试验得到板肋轻型组合桥面结构的开裂应力为20.1 MPa略低于U肋轻型组合结构23.6 MPa;(3)板肋组合结构的破坏模式均为加劲肋屈服导致结构丧失承载能力而发生破坏,而U肋组合结构的破坏模式为横隔板屈曲失稳破坏于工程应用不利;     

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。     

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。     

采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装受力性能研究

为解决现有钢桥面铺装因大面积现浇超高性能混凝土(UHPC)产生收缩开裂,需密集配筋,施工现场需要大量蒸养设备等问题,提出了一种采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装。通过钢-预制UHPC板界面、钢-现浇UHPC板界面和预制-现浇UHPC界面局部模型试验,揭示了采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装各关键界面黏结性能;通过节段足尺模型试验与有限元分析,明确了车辆荷载下采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装的荷载效应。研究结果表明：钢-预制UHPC板界面受拉和受剪破坏均发生于粘胶层与预制UHPC板结合面,法向抗拉和切向抗剪承载力可保守地取5.2 MPa和8.7 MPa;栓钉间距在150~320 mm之间时,栓钉加密对钢-现浇UHPC板界面抗剪承载力影响较小,可根据中国规范进行现浇UHPC板中栓钉承载力的计算,抗剪刚度可保守的取110.0 kN·mm^-1;界面凿毛处理和湿接缝采用蒸汽养护,可使预制-现浇UHPC接缝的抗剪强度分别提升23%和20%,预制-现浇UHPC接缝抗剪强度可保守地取2.4 MPa;在3倍车辆设计荷载作用下,UHPC板以及钢-UHPC板界面的应力均小于容许应力。提出的采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装方案可行。     

钢-超高性能混凝土组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能研究

针对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面系中栓钉连接件疲劳性能研究不足的状况,采用精细数值模型和模型疲劳试验,对岳阳洞庭湖大桥的钢-UHPC组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能进行了研究。在精细数值模型分析中,建立了岳阳洞庭湖大桥的多尺度有限元模型,提取了栓钉剪应力的影响面,基于中国《公路钢结构桥梁设计规范》的标准疲劳车,计算得到了栓钉等效疲劳剪应力幅。在模型疲劳试验中,取桥面系的正弯矩和负弯矩板带,设计了1组2个梁式足尺疲劳试件,其中正、负弯矩试件中的栓钉分别在119.5MPa和72.0MPa名义剪应力下经历了200万次疲劳加载。再考虑了影响面大小、车流量和设计年限等因素对等效疲劳应力幅进行修正,并对栓钉的疲劳寿命进行了评估。结果表明:试件在经历200万次疲劳加载后应变仍保持平截面,未发生明显界面疲劳破坏,可保守取119.5 MPa和72.0 MPa作为正、负弯矩板带试件中栓钉的疲劳强度;洞庭湖大桥组合桥面系中的栓钉连接件具有足够的疲劳承载力安全储备,能够满足120年的设计寿命要求。     

武汉军山长江大桥超高性能混凝土组合桥面改造技术及实施效果分析

针对武汉军山长江大桥桥面铺装层损坏和正交异性钢桥面板疲劳开裂的问题,珠京方向半幅桥面改造为钢-超高性能混凝土轻型组合桥面结构,厚55 mm的超高性能混凝土(UHPC)层采用短栓钉与钢桥面板连接,与上部SMA10沥青混凝土(厚30 mm)采用环氧树脂粘结材料连接。利用ANSYS软件建立局部梁段有限元模型,进行改造前、后的疲劳细节处应力幅对比分析,并基于健康监测系统以及钢箱梁局部应变监测系统,对组合桥面改造后效果进行实时监测。结果表明:UHPC层对面板与U肋连接细节应力影响极为明显,与柔性铺装相比,应力降幅最高为86.4%,可极大降低钢桥面板的开裂风险;桥面改造后,U肋底部、顶板底部、横隔板构造细节处的应力幅值、等效应力均明显降低,可显著提高钢桥面板的疲劳寿命。     

大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板力学性能研究

为明确大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板的力学性能，进行免蒸养UHPC材料力学性能试验、构件静力模型试验与疲劳模型试验，分析其材料基本力学性能、剪力钉抗剪性能、组合桥面板抗弯性能及疲劳性能。结果表明：免蒸养UHPC材料的弹性模量略高于高温蒸养UHPC材料，其他力学性能指标相较于高温蒸养UHPC材料均有不同程度的降低；免蒸养UHPC中剪力钉的破坏模式表现为剪力钉根部剪断并伴有焊环局部UHPC压溃，组合桥面板名义开裂应力为13.7 MPa,满足结构抗裂性要求；组合桥面板的疲劳破坏模式表现为UHPC结构层开裂，继而纵肋与横隔板连接焊缝焊趾处疲劳开裂，组合桥面板的疲劳寿命最终由焊接细节的疲劳强度所控制；纵肋与横隔板连接焊缝的等效疲劳强度为157 MPa,满足现行规范要求。     

大纵肋正交异性组合桥面板疲劳性能研究

在大纵肋正交异性钢桥面板结构中引入混凝土结构层,通过栓钉将钢桥面板与混凝土结构层组成新型大纵肋正交异性组合桥面板,是从结构体系层面提高大纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能的有效途径。基于有限元数值分析,明确了大纵肋正交异性组合桥面体系对于钢桥面板典型疲劳易损细节的应力幅改善效果;采用足尺节段模型试验对结构的关键疲劳易损细节进行了疲劳试验研究,验证了关键疲劳易损细节在设计寿命期内的抗疲劳安全性和混凝土结构层在疲劳荷载作用下的耐久性,在此基础上对关键疲劳易损细节的疲劳损伤演化及结构体系的疲劳破坏模式进行了试验与理论研究。研究结果表明:大纵肋正交异性组合桥面板结构体系能够显著降低U肋与顶板以及U肋与横隔板连接细节的应力幅,横隔板开孔部位是控制钢桥面板疲劳性能的关键构造细节;设计寿命期内钢桥面板疲劳性能与混凝土结构层的疲劳耐久性均满足要求,且具有一定的安全储备;混凝土结构层负弯矩区疲劳开裂对钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能的影响不显著;大纵肋正交异性组合桥面板的疲劳破坏模式表现出典型的两阶段特征,栓钉发生疲劳断裂并导致组合效应局部劣化,进而加速钢桥面板关键疲劳易损细节的疲劳损伤累积速度并最终发生疲劳开裂。     

装配式钢-UHPC组合梁群钉连接件受力性能研究

为研究装配式钢-UHPC组合梁中群钉连接件在不同应力状态下的结构性能,开展了三组群钉连接件的推出试验和两组拉剪试验,考虑栓钉间距、高径比和拉剪比对UHPC中群钉连接件破坏形态、承载能力和延性的影响,提出UHPC中群钉连接件荷载-滑移关系表达式。结果表明：推出试验和拉剪试验的破坏模式均为栓钉被剪断;剪切荷载下,减小栓钉间距会降低群钉连接件的承载力和延性,栓钉高径比对极限承载力和相对滑移的影响较小,短栓钉在UHPC中仍能发挥其抗剪性能,建议群钉连接件中栓钉间距不小于4倍栓钉直径,UHPC板中群钉连接件采用弹性理论进行设计。拉剪荷载下,拉剪比为0.17时拉力作用对群钉连接件受力性能影响可忽略,拉剪比为0.27时拉力作用明显削弱了UHPC板中群钉连接件的承载能力和延性。提出的荷载-相对滑移关系的计算模型能够准确的描述UHPC板中群钉连接件的行为。     

钢-UHPC组合桥面板中焊接栓钉的疲劳性能及设计布置方法

钢-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)组合桥面板中焊接栓钉在实现UHPC层协助正交异性钢桥面板受力进而缓解疲劳开裂方面发挥着重要作用。为探究组合桥面板中栓钉的疲劳性能，开展了钢-UHPC组合桥面板足尺节段梁式疲劳试验，揭示了栓钉的疲劳破坏模态。基于梁式疲劳试验结果，分别采用线性回归法及考虑溜号样本影响的极大似然法建立了栓钉抗剪S-N曲线，并与UHPC层中栓钉推出疲劳试验的S-N曲线进行了对比。探讨了现有设计规范中栓钉抗剪S-N曲线与所建立的S-N曲线的差异。针对混凝土材料性能对栓钉疲劳性能的影响，提出了可量化该影响因素的栓钉抗剪统一的S-N曲线。研究结果表明：疲劳破坏发生在栓钉-钢顶板焊接热影响区附近；破坏模态可分为单一型模态及复合型模态，破坏模态不受混凝土材料性能、试验方法(梁式试验或推出试验)及栓钉几何尺寸的影响。基于极大似然法具有95%存活率的S-N曲线略高于线性回归法，且2种方法200万次疲劳寿命对应的抗剪疲劳强度分别为162、158 MPa,远高于推出疲劳试验值103 MPa。现有设计规范在应用于钢-UHPC组合桥面板...     

钢-UHPC轻型组合桥面板横向受力性能

为研究一种正交异性钢-超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构,在局部车轮荷载作用下的横向受力性能与横向受力组成,进行了足尺模型静载试验和有限元数值模拟。静载试验对同一足尺模型分别进行了横向简支工况和横向悬臂工况的加载试验,通过边界条件的变化来模拟组合桥面板不同的受力状态,并将试验结果与有限元分析结果进行对比,验证有限元模型的正确性,而后利用有限元模型的分析结果,得到组合桥面板在局部车轮荷载下的横向受力组成。研究结果表明:组合桥面板在车轮荷载作用下,其横向受力局部效应明显,横向应力主要局限于荷载作用区域附近的两道U肋范围内;在车轮荷载影响区域内,由横肋弯曲产生的桥面板整体附加弯矩的影响很小,组合桥面受力以第3体系为主,相应截面弯矩达到了总弯矩的75%,而在其他区域,第3体系受力所占比重迅速衰减,组合桥面受力以第2体系为主;加载至300kN时,组合桥面板受力仍处于弹性阶段,UHPC层顶面最大横向应力达到11.9 MPa仍未开裂,满足设计要求。     

大跨度自锚式悬索桥钢-UHPC轻型组合加劲梁构造设计研究

为优选大跨度自锚式悬索桥钢-UHPC轻型组合加劲梁结构方案,该文以益阳市青龙洲大桥为背景,采用有限元模拟、足尺试验对比验证3种钢-超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）组合加劲梁方案,对比静力性能、经济特性等指标。结果表明：UHPC华夫板、UHPC无腹筋纵肋板、长栓钉带钢板条的UHPC纵肋板方案均可满足设计需要,长栓钉带钢板条的UHPC纵肋板有更高的抗弯刚度、抗裂安全储备,可达到需求值的5.4倍;桥面板新型T形接缝通过合理预留钢筋实现桥面板零焊接,并有效减少UHPC板内高拉应力区纤维不连续引起的断缝;钢-UHPC轻型组合梁性能优越、适用性高、经济性好,具有良好的应用前景。     

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。     

超高性能混凝土钢桥面铺装组合结构弯拉疲劳性能研究

为评估树脂连接超高性能混凝土钢桥面铺装结构的抗弯刚度及疲劳耐久性能,通过三点式加载钢板-超高性能混凝土复合梁,并结合电阻应变片测试复合梁受力特征。结果表明,树脂连接超高性能混凝土钢桥面铺装结构的肋板焊缝、层间钢板及铺装表面应力基本随荷载作用增大而呈幂函数增长,且铺装应力随距钢板距离增长呈线性增长;在等效标准轴载140 kN作用下,层间黏结结构可消耗吸收应力约1.6 MPa,经疲劳加载大于1 200万次未发生损伤破坏,表现出良好的抗弯拉疲劳性能。树脂连接超高性能混凝土钢桥面铺装结构避免了焊接剪力钉造成应力损伤影响。     

无切口钢-UHPC组合桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能

为解决正交异性钢桥面纵肋-横隔板接头疲劳开裂问题,根据正交异性钢桥面构造特点,提出了一种疲劳性能良好的新型无切口正交异性钢-UHPC组合桥面,能简化制造工艺,提高经济性能。基于ANSYS数值分析平台建立双尺度有限元模型,采用欧洲规范疲劳荷载模型III开展纵桥向移动加载,获得了纵肋-横隔板接头在3种典型横向位置下的轮载热点应力响应曲线。结合轮载作用下的应力云图和变形图,揭示了构造细节力学机理,评估了疲劳性能,并探讨了构造参数的影响。应力响应曲线表明:纵肋-横隔板接头在轮载作用下的应力响应以受压为主,局部效应显著,纵桥向应力影响线短,因而可根据轮载应力响应曲线识别轴组中的单轴。应力云图和变形图表明:构造细节在轮载作用下出现了显著应力集中,因新型桥面横隔板截面削弱较小,横隔板侧应力梯度小于纵肋侧。纵肋-横隔板接头应力最大点均不在纵肋正底部位置,而是与纵肋中心线成一定角度。由于纵肋-横隔板接头与面板距离较大,UHPC层和面板厚度对其疲劳性能改善并不明显。增加横隔板厚度能减小横隔板侧应力幅,但会增加纵肋侧应力幅,横隔板厚度可取10 mm。增大纵肋腹部厚度可有效减小纵肋侧应力幅,16 mm的纵肋腹部厚度可使得纵肋-横隔板接头实现无限疲劳寿命。     

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。     

钢-UHPC轻型组合桥梁结构华夫桥面板的基本性能

为了克服传统预应力混凝土主梁、钢主梁、钢-混凝土组合主梁由于材料和结构本身缺陷所引起的病害,提出了适用于(特)大跨径桥梁且无横向表面受拉接缝的钢-UHPC(Ultra-high Performance Concrete)轻型组合桥梁结构。为验证轻型组合梁用于斜拉桥的可行性,建立了空间有限元模型进行静力性能分析和疲劳应力幅计算,并制作了9个足尺条带模型试验梁,开展了静载试验研究。研究结果表明:受拉钢筋配筋率、钢筋直径、直线型纤维直径和长度对UHPC的初裂应力影响不大,而纤维带端钩能显著提高初裂应力;端钩型、直线型纤维UHPC试验梁正弯矩初裂应力分别为19.4,10.6 MPa,前者高出后者83%,负弯矩初裂应力分别为13.8,8.4 MPa,前者高出后者64%;正常使用极限状态时,端钩纤维试验梁正负弯矩初裂应力分别为华夫板下缘、上缘频遇组合拉应力的1.45倍、1.66倍;承载能力极限状态时,端钩纤维试验梁正负弯矩名义拉应力试验值分别为华夫板下缘、上缘基本组合名义拉应力的2.1倍、2.4倍;基于S-N曲线预测UHPC华夫桥面板疲劳寿命远大于200万次。     

高性能组合桥面板中短栓钉疲劳性能的研究

为探寻高性能组合桥面板中短栓钉的疲劳性能和损伤演化及其评价方法，引入UHPC及短栓钉材料损伤模型的本构关系，利用ABAQUS软件选用显示求解算法对短栓钉抗剪疲劳推出试验进行有限元模拟，研究短栓钉的疲劳性能，并对其寿命进行评估；基于数值模型探究循环加载应力比和直径对短栓钉疲劳性能的影响。研究发现，基于多轴疲劳评估准则预测的短栓钉疲劳寿命与试验值基本吻合，验证了该准则的有效性及数值模型的正确性；UHPC结构层与短栓钉的损伤具有明显的局部特征及累积效应；应力比对短栓钉疲劳性能影响显著，增大循环加载应力比，可显著提高其疲劳寿命值；增大短栓钉直径对短栓钉疲劳性能的改善程度有限。     

新型大纵肋正交异性组合桥面板力学性能研究

为了解新型大纵肋钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板对传统正交异性钢桥面板的受力性能的改善效果,以港珠澳大桥深水区非通航孔6×110m连续钢箱梁桥为背景,建立全桥有限元模型,对2种桥面方案的静力性能进行对比,建立节段有限元模型,对比2种桥面方案U肋与顶板连接焊缝处的疲劳性能,并分析U肋开口宽度和UHPC结构层厚度对大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板疲劳性能的影响。结果表明:2种桥面方案下钢箱梁控制点的位移和应力相差不大,所提出的大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板在中等跨度连续梁桥中具有较好的适用性;大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板的疲劳性能显著优于传统正交异性钢桥面板;增大U肋开口宽度会导致U肋与顶板连接焊缝应力幅增加,增加UHPC结构层厚度能显著降低U肋与顶板连接焊缝应力幅。