钢-混凝土组合桥面板裂缝的光纤光栅传感检测

采用光纤Bragg光栅(FBG)传感器完成了钢-混凝土组合桥面板模型试验的裂缝检测。试验经历了静载、300万次疲劳和破坏3个阶段。在静载和疲劳阶段并未发生裂缝损伤,测得在300万次疲劳试验后,桥面板混凝土开裂的临界应变值为87!"。试验表明FBG传感器可检测并追踪裂缝的发生发展。与传统电测方式相比,FBG传感器显示了灵敏度高,精度高,测试范围大等优点,这为组合结构的优化设计提供了可靠的信息依据和科学基础。结果表明了FBG裂缝传感器应用于桥梁健康监测的可行性和先进性。     

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。     

钢板-混凝土空心组合桥面板疲劳性能试验

对7块钢板-轻骨料混凝土空心组合桥面板和2块钢板-普通混凝土空心组合桥面板进行了疲劳试验研究,主要考察了疲劳荷载作用下组合板中钢管的布置形式、疲劳荷载幅值、疲劳荷载上下限、疲劳加载次数及混凝土材料特性5个关键因素对空心组合桥面板疲劳破坏形态、疲劳刚度退化、疲劳动力响应及疲劳强度等疲劳性能的影响。结果表明:2种钢管布置形式的空心组合桥面板的疲劳破坏形态都是底部钢板发生疲劳断裂导致整体失效破坏;组合桥面板疲劳循坏加载次数主要由疲劳荷载幅值控制,与疲劳荷载上限关系不明显;钢板-普通混凝土组合桥面板疲劳性能优于钢板-轻骨料混凝土组合桥面板;组合桥面板疲劳破坏主要是由于底部钢板疲劳断裂破坏所致,在组合桥面板中未发现组合桥面板组合作用的明显疲劳破坏现象;组合桥面板疲劳寿命计算主要为底部钢板疲劳强度计算,可以采用基于疲劳荷载幅值方法所建立的钢结构疲劳寿命理论进行计算。     

GFRP-混凝土组合桥面板的疲劳性能试验研究

为研究现浇GFRP-混凝土组合桥面板的疲劳力学性能,探究组合桥面板的工程适用性,利用疲劳机(型号JAW-500K)完成了一片现浇试件的210万次疲劳荷载试验研究。试件采用粘钢胶掺加砂石的方式处理GFRP和混凝土的界面连接问题,加载方式为组合简支板跨中两点对称单调加载(即四点弯曲试验)。试验测量了一定加载次数后试件的跨中挠度、端部滑移和跨中截面沿高度方向的应变等结果,观察记录了裂缝数量和其对应荷载,分析了试件的刚度、应变分布和界面相对滑移等。疲劳试验完成后对组合板进行静载破坏试验,进一步分析了组合板的剩余承载力和界面相对滑移等。研究表明,该组合桥面板疲劳加载过程中刚度缓慢降低至稳定状态,剩余承载力相较于静载试件仅稍有降低, I型粘钢胶和砂石作为界面材料基本可以保证混凝土和GFRP板的整体性,弯剪区表观裂缝数量少。该组合桥面板刚度变化稳定,剩余承载能力折损小,界面抗滑移效果显著,抗裂性好,是一种抗疲劳性能良好的组合板形式,可为同类桥梁设计提供参考。     

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。     

钢-混凝土组合梁疲劳性能试验研究

为研究以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳破坏机理及疲劳损伤过程,制作3根钢-混凝土组合梁试件进行疲劳试验,研究组合梁在疲劳荷载作用下的破坏过程、挠度以及混凝土和栓钉应变的变化规律。结果表明:钢-混凝土组合梁的疲劳寿命对疲劳荷载相当敏感,疲劳荷载幅及荷载峰值都会显著影响组合梁的疲劳寿命;以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳损伤可以分为3个阶段,第1阶段,部分剪力较大的栓钉发生疲劳损伤,但栓钉群的整体抗剪性能无显著变化,组合梁的挠度无显著变化,第2阶段,随着疲劳荷载持续作用,部分栓钉发生严重疲劳损伤甚至断裂,栓钉群的抗剪性能劣化,组合梁的挠度明显增加,第3阶段,大部分栓钉被剪断,钢梁与混凝土板退出协同工作模式。     

预制钢-混组合桥面板组装式连接静力及疲劳性能试验

桥梁建造由装配化向组装化的转换是未来桥梁工程发展的方向,钢-混组合桥梁是一种与工业化、组装化高度契合的结构形式;活性粉末混凝土等超高性能水泥基材料的应用为钢-混组合结构桥梁的轻型化和组装化提供了新的契机与挑战。提出基于高弹模和高韧性混凝土-粗骨料活性粉末混凝土的预制桥面板及板间组装式连接结构（CSL）,从而减轻结构自重、改善预制桥面板间的连接性能,实现桥梁结构的组装化作业,提升桥梁的建造质量和速度。通过四点弯曲试验考察预制粗骨料活性粉末混凝土桥面板及其干式连接结构的结构行为,分析加载全过程挠度的发展特点,探明极限承载能力及疲劳性能。静力试验结果表明：通过CSL连接而成的桥面板具有优异的变形能力和弯曲韧性,破坏均发生在粗骨料活性粉末混凝土板内,CSL的抗弯极限承载力高于粗骨料活性粉末混凝土桥面板;CSL的钢混连接面处弯曲初裂应力值不小于9.0 MPa,接近粗骨料活性粉末混凝土的弯曲初裂应力,并具有良好的裂缝约束能力。疲劳试验结果表明：CSL中的钢结构应力幅较小,经过800万次疲劳加载后,CSL连接桥面板未发生疲劳破坏,桥面板间连接焊缝应力幅仅26.8 MPa,不会出现疲劳破坏;CSL中的预加力对连接结构的静动力性能具有重要影响。     

竖转钢-混凝土组合拱桥PBH剪力件疲劳性能试验

针对钢箱预制、立柱拼装、转体成拱的快速施工竖转钢-混凝土组合拱桥,基于PBL提出了新型PBH剪力件。以PBH剪力件的疲劳力学性能为研究目标,开展了一组11个试件的高周疲劳试验。分析不同箍筋直径、开孔直径PBH剪力件的疲劳破坏模式和损伤演化规律,并与PBL剪力件进行比较。结果表明：PBH疲劳破坏模式为钢板开孔内混凝土在循环荷载作用下的损伤累积,裂缝发展过程中发生裂缝尖端钝化,混凝土榫局部粉末化并向下迁徙导致了钢箱与混凝土界面滑移累积并最终破坏。解剖发现孔内混凝土粉末化,与之对应的PBH静载破坏模式为混凝土榫处主裂缝在荷载增加过程中扩展延伸,混凝土榫劈裂,裂缝反射至表面导致试件破坏,二者区别明显;PBH疲劳损伤演化曲线可分为3个阶段：由黏结力和摩擦力损伤主导的损伤弹塑性阶段、由孔内混凝土裂缝积累破碎主导的损伤累积阶段以及变形累积失控后的损伤破坏阶段,损伤弹塑性阶段约占整个疲劳寿命的10%,损伤累积阶段占全部疲劳寿命的70%以上且滑移量增加缓慢,损伤破坏阶段累积滑移量急剧增加,裂缝发展,剪力件随即发生疲劳破坏,疲劳破坏表现出明显的塑性特征。PBH与PBL损伤演化规律总体相似,但PBH较PBL有更加显著的第2阶段,即疲劳破坏损伤累积过程,表明PBH剪力件在疲劳破坏过程中的塑性破坏性能更佳。     

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。     

正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的压弯性能

针对传统正交异性钢桥面板疲劳开裂及沥青铺装破损桥梁工程两大难题,对有望应用于大跨度桥梁中的正交异性钢-混凝土组合桥面板的力学性能进行了试验及理论研究。为探究适用于组合梁斜拉桥的正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的受力性能,设计并制作了6个带U肋的正交异性钢-混凝土组合桥面板足尺试件,进行了轴向压力和弯矩加载试验,研究了不同轴向压力、不同混凝土等级对该组合桥面板受弯承载力、延性及塑性发展的影响,并提出了考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式。研究结果表明：当轴向压力恒定时,组合桥面板在压弯荷载作用下的最终破坏形态均为跨中区域下部混凝土板的横向开裂及上部混凝土的压溃;轴压力对正交异性钢-混凝土组合桥面板的初始弹性抗弯刚度影响较小;不同轴压力下抗弯承载力降低值随着轴力的增大并未呈现显著递减趋势,这与轴向压力加载出现偏心距有关;轴压力会显著降低正交异性钢-混凝土组合桥面板的延性及塑性发展过程;将混凝土强度等级从C60提高到C80,并没有显著提高组合桥面板的初始弹性刚度、抗弯承载力、延性及延长其塑性发展过程;此外,提出的考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式精度较高,可有效预测正交异性钢-混凝土组合桥面板的压弯承载力,为实际工程应用提供理论参考。     

大跨钢桁拱钢-混组合桥面板极限承载力试验

为评估钢一混组合桥面板结构在公路荷栽作用下的极限承载力,对其进行极限承载力性能试验研究。根据圣维南原理,选取正负双向弯矩受力的立柱区部分桥面板作为实桥的有限元分析模型,并试验制作了2个等尺模型试件A和B,用于考察钢一混组合桥面板正负双向弯矩区的极限承载力性能。试验结果表明：模型A混凝土板被拉坏,工．字钢上下翼缘板、腹板以及纵向钢筋始终未屈服,PBL、钢底板以及横向钢筋均在破坏之前屈服,模型A的破坏荷载为1750kN;模型B混凝土板被压坏,PBL在破坏之前屈服,模型B的破坏荷载为2200kN。研究结果可为钢一混组合桥面板极限承栽能力设计计算提供参考。     

承受正弯矩作用的钢-混凝土组合桥面板受力性能试验

东平大桥桥面板采用钢-混凝土组合结构形式,剪力连接件采用开孔钢板,混凝土中添加钢纤维。对1片处于正弯矩区域的组合桥面板进行试验,结果表明,这种形式桥面板在使用荷载作用下结构变形小,具有较大的刚度;在疲劳荷载下,结构的刚度衰减较小;结构破坏时具有较高的承载能力,安全储备较高。     

体外预应力节段预制拼装混凝土梁疲劳试验研究

为研究体外预应力节段预制拼装混凝土梁的抗疲劳性能,设计制作了1∶3缩尺模型,进行设计荷载下的疲劳模型试验研究。综合对比国内外多种疲劳荷载计算方法,确定试验疲劳等效荷载;在此基础上,进行了体外预应力节段预制拼装混凝土梁的抗疲劳理论分析和200万次疲劳加载试验。理论分析结果表明,节段预制拼装梁包含的混凝土和体外预应力构件抗疲劳能力具有较大余量,不控制结构的耐久性;试验结果表明,模型在200万次疲劳加载后,各部位均未发现疲劳裂纹,模型的力学特性未随循环次数的增加而发生明显改变,验证了结构设计的合理性和安全性。     

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。     

钢筋混凝土桥面板疲劳数值分析方法

为了模拟车辆荷载作用下桥面板的疲劳损伤退化过程,提出了针对公路钢筋混凝土桥面板疲劳失效过程的数值分析方法。首先在各国相关试验与研究的基础上,通过编制合理的荷载谱,将复杂的车辆荷载进行简化等效;然后提出了高周循环荷载下受弯构件中钢筋与混凝土材料的疲劳本构关系,基于ABAQUS软件对一试验板建模分析,验证了疲劳本构关系的正确性;最后,对某实际钢筋混凝土桥面板进行疲劳数值分析与疲劳寿命预测。结果表明：该桥面板的抗疲劳寿命满足要求;所建立的材料疲劳本构关系能够有效模拟钢筋和混凝土在循环加载过程中力学性能的衰减规律。     

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.     

粉煤灰人工砂混凝土预应力空心板梁受力试验研究

进行了跨度为19．5m的原型粉煤灰人工砂混凝土预应力空心板从预应力钢绞线张拉到承载极限破坏的受力全过程试验，研究了其正截面和斜截面在正常使用状态下抗裂度、裂缝宽度和跨中挠度、极限承载能力等受力性能，为在公路桥梁结构中利用粉煤灰人工砂混凝土预应力空心板提供科研依据。研究成果应用于河南省焦作市路网改造道路的桥梁结构，取得了较好的技术经济效益。     

特大桥梁沥青铺装层材料性能试验研究

为保证沥青铺装层具有优良的抗水损害和疲劳寿命,应进行专门的沥青混合料配合比设计。结合京港澳高速公路郑州黄河公路大桥的桥面铺装层设计,在室内首先对AC-13I、AK-16A和AC-16I进行了配合比设计,并对各结构单层进行了APA浸水车辙试验和疲劳试验。为模拟桥面铺装层的整体工作状况,又选取两种双层桥面铺装层结构方案A、方案B,在室内进行了高温状况下复合板车辙及复合梁疲劳试验。试验结果表明,在选定的配合比下条件下,单层中的AC-13I型沥青混合料有更好的抗水损害性能;双层桥面铺装层结构方案B具有优良的抗车辙和疲劳性能。综合比较后,方案B可用于指导黄河特大桥桥面的沥青铺装层施工。     

钢-UHPC组合梁负弯矩区受力性能试验

为解决钢-混组合梁负弯矩区桥面板的开裂问题，以桥面连续钢-混组合梁为研究对象，负弯矩区桥面板采用超高性能混凝土（Ultra-High-Performance Concrete，UHPC）代替传统普通混凝土，对其抗裂性能展开研究，并设计3根不同负弯矩区接口形式的钢-UHPC组合梁，采用一种独特的转角加载方式进行全过程静力加载试验，获得转角、临界开裂荷载、应变等关键试验数据；基于Abaqus的混凝土塑性损伤模型建立试验梁的非线性有限元模型，并对试验过程进行模拟。研究结果表明：钢-混组合梁负弯矩区采用UHPC，能明显提高负弯矩区的开裂性能、有效解决了负弯矩区桥面板的开裂问题；建议了合理的负弯矩区接口形式及负弯矩区UHPC纵向铺设长度取0.1L；采用黏结滑移理论，提出了简易的UHPC裂缝宽度计算公式。     

梯度温度作用下装配式混凝土箱梁温度应力分析

装配式混凝土箱梁在温度作用下产生的结构次内力是造成其开裂的重要因素。为研究装配式混凝土箱梁在梯度温度作用下的温度应力分布,对4种不同国家设计规范梯度温度模式下装配式混凝土箱梁温度场进行分析。通过建立某五跨装配式混凝土箱梁实体单元模型,施加温度荷载,对不同温度场下连续装配式混凝土箱梁的应力与变形进行计算。结果表明,装配式混凝土箱梁在梯度温度作用下产生次内力,各国规范温度模式在混凝土箱梁中产生的温度效应差别较大。纵向应力最大值出现在箱梁顶板下缘梗腋处,不同工况下最大相差71%;横向应力最大值出现在混凝土桥面板内,不同工况下最大相差113.8%;全桥最大主拉应力出现在次边跨,不同工况下最大相差66.7%。故认为在进行设计时应考虑最不利的梯度温度作用对装配式混凝土箱梁的影响,避免拉应力超出限值。