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。     

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。     

钢桥面与环氧沥青铺装界面剪切特性

为了给钢桥面铺装设计提供参考,针对钢桥面铺装工程中普遍采用的环氧沥青混凝土铺装结构,考虑了温度、法向应力等影响因素,进行了钢桥面与环氧沥青混凝土铺装界面剪切特性的试验研究。采用钢-混凝土界面剪切试验装置(Steel-Concrete Interface Shear,SCIS),在25℃、60℃两种温度和0,0.2,0.5,0.7 MPa四级法向应力水平下测试了钢桥面与环氧沥青混凝土铺装界面的剪切性能,获得了界面剪切破坏形态、抗剪强度、残余抗剪强度、剪应力-剪切变形曲线等试验结果,分析了温度、法向应力对界面抗剪强度的影响规律以及界面的黏结-滑移机理。基于摩尔-库仑强度理论建立了钢桥面与环氧沥青混凝土铺装界面在25℃和60℃两种温度条件下的抗剪强度包络线。研究结果表明:在仅考虑温度和压、剪应力的条件下,钢桥面与环氧沥青混凝土铺装界面破坏产生于防腐涂装与防水黏结层的界面区;界面抗剪强度随温度降低和法向应力水平增加而增大;残余抗剪强度受温度影响较小,主要随法向应力增加而增大;界面剪应力-剪切变形曲线具有韧性破坏特征且呈四阶段发展规律;钢桥面与铺装界面的抗剪强度包络线可采用摩尔-库仑强度理论进行建立。     

超高性能混凝土钢桥面铺装疲劳性能试验研究

为研究新型超高性能混凝土钢桥面铺装结构的疲劳性能,采用五点加载复合梁疲劳试验对其进行测试.参照常规复合梁试验方法,结合新型铺装结构特点,对试件尺寸、应力水平和破坏准则进行了修正.试验结果表明,该新型铺装结构疲劳性能优良,环氧黏结层首先发生疲劳破坏,试验过程中复合梁刚度没有明显退化,试验结束后试件仍保持较高的剩余承载力.通过试验获得了适用于该种新型铺装结构梁的疲劳S-N曲线,可为同类钢桥面铺装设计提供参考.     

钢桥面铺装修复界面Ⅱ型断裂特性的研究

针对钢桥面铺装修复界面发生层间剪切二次破坏的问题,引入修复界面量化评价的概念,采用NCAT剪切试验方法,对钢桥面沥青混凝土铺装的不同修复方案的层间状态进行试验分析,提出了将剪切断裂能作为评价界面黏结材料性能的参数。通过2个试验方案对比,结果表明,剪切断裂能可以有效地区分不同修复方案的剪切性能,能够显著地区别不同修复界面的修复效果。     

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。     

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...     

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。     

基于UHPC预制结构的BRT站台铺装层快速维修技术

为有效延长城市快速公交系统（BRT）站台铺装层的使用寿命并提升正交异性钢桥面板的抗疲劳性能,同时满足不中断交通的需求,提出了“正交异性钢桥面板+短剪力钉+预制超高性能混凝土（UHPC）板+TPO（薄层环氧抗滑铺装材料）”的复合桥面结构及装配化施工工艺。以成都二环线高架桥BRT站台为工程背景,设计了BRT站台铺装层快速维修方案,通过有限元分析确定了最优方案,并开展了BRT站台钢桥面维修改造试验段的实施。有限元分析结果表明：10 mmUHPC灌浆料+50 mm预制UHPC板+10 mmTPO为最佳方案,维修方案的剪力钉受力性能、UHPC抗裂性能均满足结构受力需求,且具有较大的安全储备,改造后正交异性钢桥面板常见疲劳敏感细节的疲劳性能显著提升。结合试验段实施提出了涵盖UHPC板预制、原铺装层处理、预制UHPC板安装和磨耗层与沥青接缝施工4个流程的城市BRT站台铺装层维修施工工艺,为同类型公交站台铺装层维护提供了理论和技术支撑。     

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...     

大跨径钢桥铺装组合结构疲劳性能研究

由于钢桥面的特殊结构,常用疲劳试验装置不能很好地模拟桥面铺装的疲劳破坏模式。为了正确评价桥面铺装沥青混合料的疲劳性能,通过有限元分析,建立钢桥面铺装最不利荷载模型,检验各铺装结构的抗疲劳性能。根据有限元分析模型提出了进行钢桥面铺装组合结构疲劳试验的室内疲劳试验模型。按照模型尺寸加工了试验装置,并对常用的3种桥面铺装组合结构进行了疲劳试验验证,试验结果与3种铺装组合结构在实体工程中的使用寿命基本吻合。     

广东省水泥混凝土桥面单层沥青铺装层使用状况调查与分析

为提高广东省高速公路水泥混凝土桥面铺装的使用性能,降低铺装层结构选用不当所带来的风险,对省内4个典型项目桥面铺装层的结构型式、使用状况及病害原因进行了调查分析,并采用有限元软件对铺装层厚度对铺装层内及层间的应力进行了计算分析。结果表明:单层沥青混凝土桥面铺装主要用在桥梁恒载限制的路段,需采用高粘度改性沥青做防水粘结层+高模量沥青混凝土或SMA的桥面铺装结构,且施工要求高,与单层沥青铺装层相比,采用双层沥青铺装层,铺装层内最大剪应力和沥青层与粘结层间剪应力分别下降18%和37%。     

横向异种类型混合桥面设计方法

在重车道采用疲劳性能较优但重量或造价较高的桥面形式，如超高性能混凝土（UHPC）华夫板、超高性能混凝土（UHPC）钢组合板等，在快车道采用传统正交异性钢桥面，组成混合桥面系统，可提升桥面结构疲劳寿命的同时降低结构的自重或造价，充分利用材料性能。针对横向由不同类型桥面组成的混合桥面，通过梁格模型参数分析得到了桥面板跨度、桥面板构造参数等对其各部分承担荷载比例和横向有效宽度的影响规律，并拟合分析数据得到了计算公式。基于此，提出了混合桥面的设计方法。     

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。     

环氧沥青混凝土材料在钢桥面铺装中的应用

大跨径钢桥桥面铺装层的使用条件和受力状态十分恶劣,对铺装层材料要求非常高.环氧沥青混凝土具有很高的强度、优良的耐疲劳和耐腐蚀性能,优良的高温稳定性和水稳定性,并且在低温条件下的收缩系数与钢板相近,导致其温度应力大幅度的降低.因此,环氧沥青混凝土适合用作大跨度钢桥桥面铺装材料.