长寿命高性能耐候钢桥研究进展与工程应用

系统归纳与剖析了国内外耐候钢桥的研究新进展及工程应用情况, 总结了稳定耐候锈层的形成机制、选材标准、腐蚀与疲劳损伤机理、耐候构造、耐候螺栓研发以及锈层检测与评价技术等方面的关键科技成果, 梳理并完善了耐候钢桥的适用范围和腐蚀余量设计指标, 提出了耐候钢桥锈层稳定化处理及施工技术要点; 评析了耐候钢桥锈层损伤检测与评价技术、腐蚀损伤养管技术, 结合美、日耐候钢桥工程事故经验教训和中国首批长寿命高性能耐候钢桥建设技术创新成果, 探讨了该领域的技术创新方向。研究结果表明: 耐候锈层由外层的γ-FeOOH、α-FeOOH以及内层的非晶态FeOOH化合物与Fe₃O₄构成, 稳定耐候锈层能否形成与保持, 主要受氯离子、积水和积尘等因素的影响; 建议编制中国高性能耐候钢桥选材区划图谱, 完善稳定耐候锈层构造设计准则; 现代耐候钢桥具有高性能和长寿命的技术特征, 带锈层构造细节的面内应力疲劳、面外变形疲劳试验和数值断裂力学模拟, 以及耐候高强螺栓长期耐损性能研究的推进, 将为建立完善的耐腐蚀、抗疲劳设计准则奠定基础; 人工智能技术的应用将推动长寿命高性能耐候钢桥智能运维技术的重大进步; 应加大研发投入, 建立具有中国自主知识产权的长寿命高性能耐候钢桥设计、建造和运维标准规范体系, 培养高素质的工程技术人才, 推进交通强国建设。      

基于声发射技术的钢桥面板疲劳损伤监测与评估

采用多种监测技术融合手段, 对正交异性钢桥面板开展了疲劳损伤监测与评估, 包括足尺正交异性钢桥面板节段模型疲劳试验与某公路斜拉桥正交异性钢桥面板运营阶段的疲劳损伤监测; 在正交异性钢桥面板疲劳试验中, 综合采用了美国物理声学(PAC)声发射(AE)传感器、智能锆钛酸铅压电漆(PZT)传感器和应变片进行了粘贴钢板冷加固前后的疲劳裂纹监测; 对处于运营阶段的斜拉桥钢桥面板疲劳开裂区域, 采用了粘贴角钢的冷加固方法进行加固, 并对加固前后的桥梁结构开展了AE监测和应变监测以研究疲劳裂纹状态与检验冷加固方法的效果。疲劳试验与监测结果表明: PAC的AE传感器和智能PZT传感器能有效捕捉具有突发峰值与快速衰减特征的疲劳扩展信号, 二者的协同应用实现了疲劳裂纹智能感知, PAC的AE传感器组能实时捕捉纵肋上的疲劳裂纹扩展长度和方向; 粘贴钢板冷加固后, 应力水平稳定在64.8 MPa, 直到继续循环加载至512万次仍无疲劳裂纹扩展, 验证了正交异性钢桥面板粘贴钢板疲劳冷加固措施的良好加固效果; 在疲劳试验过程中, PAC的AE传感器和智能PZT传感器监测疲劳裂纹扩展结果一致性良好, 与应变片相比可实时捕捉更丰富的疲劳裂纹动态信息。对运营阶段正交异性钢桥面板疲劳监测与评估结果表明: 加固前AE监测结果峰值能量是加固后峰值能量的5倍, AE累积信号由加固前的密集分布改变为加固后的稀散分布, 表明加固后的钢桥面板疲劳裂纹处于稳定状态; 随着加载车辆行驶通过, 冷加固后的疲劳裂纹尖端应力峰值降低40%至50%;对比加固前后的24 h疲劳应力连续监测结果, 疲劳细节附近应变片的应变水平从加固前的78 MPa下降至加固后的48 MPa; AE信号峰值能量、AE累积信号和应力水平的监测结果均证明了冷加固技术对正交异性钢桥面板疲劳开裂加固的有效性。      

带混凝土翼板的圆管上翼缘钢-混凝土组合梁抗弯性能

考虑不同加载方式与下翼缘宽度, 对3根带混凝土翼板的圆管翼缘钢-混凝土组合梁进行抗弯性能试验, 分析了试验梁的抗弯承载性能与破坏形态; 基于试验梁的抗弯特征, 推导了组合梁屈服弯矩和极限弯矩简化计算公式。研究结果表明: 试验梁均发生典型的塑性弯曲破坏, 稳定性良好; 达到极限承载力时, 梁端处上翼缘钢管与混凝土翼板相对滑移均小于0.43 mm, 试验梁体现了良好的协同工作性能; 随下翼缘宽度的增加, 试验梁刚度与承载力增大, 对于下翼缘宽度分别为150、260、300 mm的试验梁, 其屈服弯矩的比值为1∶1.44∶1.55, 极限承载力的比值为1∶1.31∶1.40;随着试验梁承受弯矩的增大, 当中性轴上升至混凝土翼板时, 钢管混凝土处于受拉状态, 可不考虑钢管与内填混凝土的套箍效应, 而当塑性中性轴位于上翼缘钢管混凝土内时, 可不计入该套箍作用对极限抗弯承载力的影响, 但其可促进延性的继续发展; 试验梁的位移延性系数均大于3.35, 延性较好; 屈服弯矩、极限弯矩理论计算值与试验值的比值分别为1.02~1.04、0.96~1.03, 吻合良好, 因此, 所出提出的简化理论计算公式简单、可靠。      

组合加固足尺预应力混凝土空心板梁抗弯性能

对3片足尺预应力混凝土空心板梁进行抗弯性能试验, 其中1片足尺梁不进行加固, 2片分别采用钢板-混凝土组合加固和钢板-预应力混凝土组合加固, 分析了试验梁主要部位的应变、滑移、裂缝分布、承载力、刚度和延性; 基于试验梁塑性破坏机理, 并考虑二次受力的影响, 推导了足尺试验梁的抗弯极限承载力计算公式。试验结果表明: 加固后试验梁的破坏形态表现为塑性弯曲破坏, 跨中横截面变形符合平截面假定; 组合加固钢板与新混凝土之间以及加固部分与原结构之间相对滑移小于0.05mm, 因此, 加固后试验梁各部分协同工作性能较好; 与未加固梁相比, 钢板-混凝土组合加固试验梁抗弯极限承载力提高了1.08倍, 钢板-预应力混凝土组合加固试验梁抗弯极限承载力提高了1.43倍, 因此, 组合加固能显著提高试验梁的极限承载力; 与未加固梁相比, 2片加固试验梁的延性系数均提高了21%, 当试验荷载为200kN时, 2片加固试验梁刚度分别提高了1.55、3.07倍, 因此, 组合加固能显著提高试验梁的刚度和延性; 与钢板-混凝土组合加固技术相比, 钢板-预应力混凝土组合加固技术对试验梁在使用阶段的承载性能和刚度的提高更加明显; 2片加固试验梁抗弯极限承载力的计算值与试验值的比值分别为0.94和0.96, 因此, 抗弯极限承载力计算公式计算精度较高, 可用于钢板-混凝土组合加固预应力混凝土空心板梁的抗弯承载性能计算与分析。      

高性能钢桥设计指南

高性能钢的研究及其在桥梁工程中的应用已经成为当前桥梁创新设计的重要方向之一。为了推动高性能钢的工程应用,本《高性能钢桥设计指南》系统地介绍高性能钢的材料性能、设计制造要点及高性能钢桥典型桥例,并提供相关参考信息。     

高性能钢在日本及欧洲的研发与应用

随着对桥梁结构在荷载等级、跨度等方面提出了更高的要求,设计对材料的要求也越来越高,高性能钢的研发可以满足这一工程需求,系统介绍了日本、欧洲在这一领域的最新研究进展。     

混合设计的高性能钢梁抗弯性能试验

采用两点加载的方式,对3片混合设计的高性能HPS 485 W工字钢梁进行抗弯性能试验,分析了截面几何参数对试验梁抗弯承载力、弹塑性变形和破坏形态的影响。结合跨中单点加载的试验结果,对比分析了不同加载方式对试验梁抗弯承载力的影响,建立了能够准确模拟试验梁抗弯过程的有限元模型,在非厚实截面范围内对混合设计的高性能钢模型梁进行了关键参数的数值分析。分析结果表明：对两点加载的试验梁,抗弯破坏形态为纯弯段区出现受压翼缘与受压区腹板的局部屈曲;随着翼缘宽厚比的降低,钢梁的塑性转动能力明显提高;随着腹板高厚比的增加,钢梁的抗弯强度和延性均会降低;对相同几何尺寸的模型梁,加载方式改变时,钢梁的抗弯过程相似,但控制钢梁失效的破坏形态不同;对混合设计的钢梁,建议腹板与翼缘材料强度等级差不大于2个强度等级。     

长寿命UHPFRC组合钢桥面板研究综述

从三方面归纳与剖析了超高性能纤维增强水泥基(UHPFRC)复合材料组合钢桥面板的研究进展,包括强韧性组合层选材、界面传力机制与损伤累积机理、设计方法与工程应用;总结了纤维类型、纤维掺量对UHPFRC轴拉性能和抗弯性能的影响规律,确定了支撑组合钢桥面板结构分析的多种本构模型;对比分析了热连接、冷连接和混合连接组合界面设计方式的技术特点,归纳了胶粘界面、冷连接剪力键界面与混合连接界面的传力机理试验与理论研究成果;总结了基于冷连接设计理念的组合钢桥面板在合理构造、设计方法、规范规程与工程实践等方面的研究成果,并探讨了长寿命组合钢桥面板的创新与发展方向。研究结果表明：单一或混杂纤维的掺入综合提升了UHPFRC的应变强化能力、弯曲变形能力、抗断裂能力、裂缝宽度控制能力和抗疲劳性能,轴拉条件下UHPFRC三线型简化本构模型有力支撑了组合钢桥面板的设计计算,弹塑性损伤本构模型可描述不可逆疲劳损伤累积;验证了冷连接组合界面的增韧效果与可靠性,新型剪力键既可以提高组合效应,也能增韧UHPFRC层,混合连接界面具有降低界面局部应力集中、提高整体界面抗剪刚度、改善界面传力、提升施工效率等综合技术优势,内聚界...     

组合加固足尺预应力混凝土箱梁抗弯性能试验

为解决危旧混凝土梁桥结构性能显著下降的问题, 采用足尺试验研究了应用钢板-混凝土组合加固预应力混凝土小箱梁的抗弯承载性能; 对2片20m跨径钢板-混凝土组合加固足尺梁进行抗弯承载性能试验, 并与1片未加固足尺梁和1片预应力CFRP加固足尺梁的抗弯承载性能试验结果进行对比, 分析了足尺预应力混凝土小箱梁组合加固后的抗弯性能, 研究了加载全过程跨中截面的加固钢板、原梁主筋、顶板混凝土和钢筋与连接构造的应变变化规律; 基于足尺试验结果, 建立了钢板-混凝土组合加固预应力混凝土小箱梁抗弯承载力简化计算公式。研究结果表明: 钢板-混凝土组合加固梁在破坏时表现出明显塑性破坏特征; 与未加固梁相比, 钢板-混凝土组合加固足尺试验梁的极限承载力实测值提高了76%以上, 在正常使用阶段下的刚度提高1倍以上, 因此, 组合加固能显著提高预应力混凝土箱梁的承载性能; 受力过程中试验梁跨中截面应变分布符合平截面假定; 组合加固部分与混凝土箱梁腹板纵向相对滑移小于0.6mm, 因此, 钢板-混凝土组合加固后的试验梁整体工作性能较好; 足尺试验得到的极限承载力与简化公式计算结果的比值分别为1.06和1.01, 因此, 简化公式可靠, 可用于组合加固预应力混凝土箱梁的承载性能计算与分析。      

基于混合设计的高性能钢梁抗弯性能及延性试验

基于混合设计的理念,采用中国产高性能钢HPS 485W和普通结构钢Q235,加工制造了6片混合设计工字形钢梁,在跨中单点加载,研究试验梁的抗弯承载能力、变形特征及最终的破坏形态。试验结果表明：腹板屈曲强度和试验梁侧向支撑刚度对试验梁的极限承载力、延性和失效形式有显著影响;试验梁的抗弯承载力主要由翼缘提供,但抗弯延性主要受腹板控制,承载力下降阶段受腹板屈曲强度影响显著;采用厚实截面设计的高性能钢梁可以达到全截面塑性,在有效的侧向限位下高性能钢梁具有很好的延性。试验结果与理论计算结果的对比表明,塑性弯矩理论计算结果与试验值吻合较好。