界面增强GFRP-砼组合板刚度分析与计算

提出了一种使用砂粒和两种环氧粘结剂处理玻璃纤维增强聚合物材料(GFRP)-砼组合板界面的方法,通过静力破坏试验研究了其受力状态,分析了砼强度和厚度对组合板截面抗弯刚度的影响,进而提出了GFRP-砼组合板抗弯刚度模型,并通过试验进行了验证。结果表明,经过含砂粘结法处理界面后,组合板砼与GFRP处于完全共同作用的状态,组合板的刚度得到明显提高;在静载作用下,GFRP-砼组合板的变形基本保持线弹性变化,达到极限承载力后发生脆性破坏;提高砼强度对组合板截面抗弯刚度的影响较小,增大砼厚度能增强组合板截面抗弯刚度。     

Deformation and Stress of Old Cement Concrete Pavement under Stamping Load

为准确分析冲压荷载作用下旧水泥混凝土路面的变形和应力分布状况,通过建立合适的有限元模型来对其分析计算,并以第一强度理论来判断旧路面板的破裂情况,总结了路面板在冲击压实情况下的破坏机理.通过该模型得出旧水泥路面板竖直方向和水平方向的变形和受力特点,即:路面板在冲压荷载作用下发生纵、横双向弯曲变形,并以全断面的纵向弯曲变形为主,最大变形值位于路面板的两冲压轮之间的位置,路面板断面上竖向各点的沉降变形有微小变化,变形性态说明路面板将以弯曲形式发生破坏;路面板在轮压荷载作用下,上面层受压应力,下面层受拉应力,拉压应力的分界点在路面板中心偏下的位置,上面层绝大部分区域3个方向均处于受压状态,纵向压应力几乎为横向压应力的2倍.     

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。     

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。     

开孔钢板剪力连接件静力性能试验

为了给组合桥梁的设计提供参考,针对组合桥梁中开孔钢板剪力连接件(PBL连接件),考虑端部承压方式、混凝土强度、孔洞数量以及贯穿钢筋直径4个因素的影响,进行了9个PBL连接件的单调加载推出试验。试验结果表明:端承型试件的抗剪承载力和抗剪刚度高于非端承型试件,而且2种试件的破坏形态有所区别,前者是混凝土板的劈裂破坏,后者是孔内混凝土榫的剪切破坏。采用回归分析法在已有承载力计算方法基础上,改进提出了考虑所有横向钢筋对混凝土约束作用的抗剪承载力表达式。在纵向抗剪刚度计算中,依据弹性地基梁理论,结合国内外68个试验模型的回归分析,提出了适用于单排多孔且考虑端部混凝土承压作用的PBL连接件抗剪刚度计算方法,并给出了PBL连接件在静载下的荷载-滑移曲线模型。与试验结果对比发现,所建立的极限承载力、正常使用阶段抗剪刚度计算公式和荷载-滑移曲线模型都与试验值吻合较好,该研究结果对PBL连接件的静力性能研究具有良好的参考价值。     

CFRP增强钢纤维混凝土钢桥面铺装力学性能试验与数值模拟

由于我国日益增加的交通量,很多正交异性钢桥面铺装和正交异性钢板在服役期内都出现了很多病害。碳纤维(CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等优越性,钢纤维混凝土具有沥青混凝土没有的刚度和普通混凝土没有的抗裂性能。对于将这两种材料用于钢桥面铺装中形成的组合桥面板,取涡河大桥主桥钢箱梁的一段正交异性钢板,分别对"无铺装","沥青混凝土铺装","钢纤维混凝土铺装"3种模型进行有限元模拟,比较正交异性钢板的应力、挠度、铺装层的纵向拉应力和横向拉应力,找出最不利荷载工况及变化规律。通过计算比较"沥青混凝土铺装"、"钢纤维混凝土铺装"和"CFRP-钢纤维混凝土铺装"3种铺装层的纵向和横向拉应力,得出CFRP网格筋对铺装层表面拉应力的控制作用。结果表明低弹模铺装时横向拉应力为控制应力,而高弹模铺装时纵向拉应力为控制应力,正交异性钢板应力最大部位发生在横隔板开孔附近,碳纤维网格筋可以有效地降低铺装面层的横向和纵向拉应力。     

钢桥面沥青铺装层裂缝破坏趋势研究

充分利用钢箱桥面系统的结构规则性，运用有限条法离散桥面板系，同时用柔度法模拟模隔板对桥面钢板的支撑作用，计算分析了不同荷载位置下沥青铺装层顶面拉应变的变化规律，找出铺装层极限受力位置，得出横向拉应变远远大于纵向拉应变，横向拉应变是裂缝破坏的控制指标等结论，据此总结钢桥面沥青铺装层裂缝破坏趋势以供参考。     

槽型截面连续刚构桥受力特性分析

通过数值计算研究了槽型梁在竖向及横向力作用下的受力特点。研究表明,在竖向左右对称荷载作用下,主梁产生竖向和横向位移,弯扭耦合效应明显。槽型梁截面下部面积大,中性轴靠下,主梁下缘应力通常比主梁上缘小,道床板宽度大时横向拉应力有时可能大于纵向拉应力。增加主梁肋板数量能提高主梁侧向抗弯刚度,增加肋板数量对主梁整体抗扭刚度的提升效果有限。     

双Ⅰ型GFRP-混凝土组合梁的动力学行为分析

为了精确计算双Ⅰ型GFRP-混凝土组合梁的动力特性,首先推导出与其动力特性相关的抗弯刚度、剪切刚度、质量惯性矩、扭转刚度和截面翘曲刚度的等效计算公式;根据达朗贝尔原理,分别按照Euler梁理论、Timoshenko梁理论和薄壁杆件约束扭转理论推导出双Ⅰ型GFRP-混凝土组合梁的弯曲振动频率和扭转振动频率计算公式。选择双Ⅰ型GFRP–混凝土组合模型试验梁,运用等效计算公式所得该类型梁的截面特性值与CUFSM软件计算值吻合良好,验证了等效计算公式的可靠性;采用ANSYS12.0软件建立了试验梁的有限元实体模型,并对ANSYS计算的有限元值、模型试验值及推导公式计算结果进行了对比分析。结果表明,Timoshenko梁理论计算的弯曲自由振动频率与实测值及有限元值吻合良好,扭转频率计算公式所得频率值与实测值吻合良好,所得结论可为GFRP-混凝土组合梁的动力特性计算提供参考。     

大跨径斜拉桥设纵隔板对钢桥面铺装力学特性的影响

利用通用有限元ANSYS软件,计算分析大跨径斜拉桥设纵隔板对钢桥面铺装力学特性的影响,并分析纵隔板两侧加劲肋刚度对钢桥面铺装受力的敏感性.结果表明,铺装层表面最大横向拉应力/应变最不利荷位是荷载对称施加于一加劲肋正上方且紧靠纵隔板一侧,该荷位作用下计算加劲肋的挠跨比控制在要求的1/800～1/1 700范围内;铺装层表面最大纵向拉应力/应变和最大竖向位移最不利荷位均是荷载施加于相邻两加劲肋中心之间的正上方且跨过纵隔板.同时指出纵隔板上方铺装层表面出现更明显的应力集中,它可以通过改变纵隔板两侧加劲肋刚度得以降低,而且纵隔板上方铺装层表面最大横向拉应力/应变与纵隔板两侧加劲肋刚度有很好的相关关系.     

玄武岩纤维/铝合金层合板低速冲击性能及应用研究

制备一种玄武岩纤维/铝合金层合板复合结构,通过试验和仿真,探讨该复合结构的拉伸、压缩、剪切、弯曲和抗冲击特性。采用连续壳单元模拟纤维层,建立低速冲击仿真模型,从能量吸收、接触力和层合板损伤程度3个方面,研究铺层结构和冲击载荷角度对纤维金属层合板抗冲击性能的影响。最后,将纤维金属层合板应用于发动机罩外板,进行发动机罩静态刚度和行人头部碰撞仿真分析。结果表明,与原发动机罩相比,纤维金属层合板发动机罩的弯曲刚度和扭转刚度均有不同程度提高,行人头部保护性能得到改善。     

隧道波纹钢板套衬接头抗弯性能有限元分析

为进一步探讨隧道波纹钢套衬结构纵向连接接头的安全性和适用性问题，对不同型号拼装式波纹钢板纵向接头抗弯力学性能进行研究，选取200 mm×55 mm、300 mm×110 mm和400 mm×150 mm 3种型号波纹钢板试件进行接头抗弯数值模拟。共设计12种工况，对比不同规格螺栓的应力分布规律、变形破坏形式及不同螺栓预紧力条件下的法兰板极限承载力及变形破坏特征，就螺栓应力、跨中挠度、极限承载力、法兰板接缝张开量及塑性破坏等方面进行深入分析。研究结果表明： 1）螺栓主要受拉弯变形，内侧螺栓较外侧螺栓受力更大，率先达到屈服状态； 2）接头薄弱点主要在于法兰板，其更容易发生变形破坏； 3）螺栓预紧力对波纹钢板的极限承载力、跨中挠度及接缝张开量均有一定的影响； 4）大波形波纹钢板极限抗弯承载能力约为深波形和中波形的1.36倍和1.67倍。     

GFRP-混凝土组合桥面简支板试验研究

介绍一种新型GFRP-混凝土组合桥面板的设计思路、设计过程以及进行的单跨简支板的抗弯试验研究情况。首先以GFRP-混凝土组合单跨简支板为研究对象,通过抗弯试验得到了一系列荷载-跨中挠度、荷载-跨中混凝土应变、荷载-纤维应变关系曲线。其次通过两种材料界面的滑移以及相应的对比分析,研究了GFRP-混凝土组合桥面板在改变混凝土强度等级和混凝土板厚等参数情况下,试验构件的受力性能变化情况。试验研究表明:GFRP-混凝土组合桥面板在正常使用阶段,能够充分发挥两种材料各自的优势,组合效果良好;相对于传统的钢筋混凝土桥面板和全GFRP桥面板,GFRP-混凝土组合桥面板在承载力、刚度和延性方面,都表现出其优越和独特的受力特点。     

超大直径盾构隧道纵向弯曲变形性能分析模型研究

基于某大型海底盾构隧道工程,建立了考虑螺栓非线性本构特征的超大直径盾构隧道纵向不连续实体模型,采用简易的荷载模式,对其纵向弯曲变形性能进行分析。结果表明:①对于超大直径盾构隧道而言,平截面假定不再适用;②随着弯矩值的增加,盾构隧道的纵向变形呈现出明显的弹塑性特征,其中性轴的位置几乎不发生变化;③螺栓的规格对盾构隧道的纵向变形影响显著,同等量值弯矩作用下,螺栓直径越大,隧道的变形越小。     

箱拱桥荷载横向分布计算的比拟板法研究

采用三维20节点等参体元分析板拱桥拱圈横向受力行为,采用实际箱拱圈与比拟板圈的纵向抗弯、抗压刚度、横向抗弯、抗扭性能相当的原则,提出箱拱桥荷载横向分布比拟计算方法。研究表明:拱圈截面内力、挠度与荷载分布无对应关系,不能通过挠度横向分布来确定荷载横向分布;按等效原则进行箱板拱荷载横向分布计算是可行的;拱圈弯矩、轴力荷载横向分布需分别计算,一般情况下比按均匀分布确定的系数大2~3倍。     

沥青混凝土铺装层对桥面结构力学性能影响的有限元分析

采用有限元法,分析了沥青混凝土铺装层对桥面结构力学性能影响,结果表明,铺装层最大横向拉应变和拉应力均比最大纵向应变及拉应力大很多,且在沥青混凝土上表面出现;纵向最大拉应力要比横向最大拉应力明显小;铺装下层拉应力要比铺装上层拉应力小,横桥向最大拉应力比纵桥向最大拉应力要明显大;在行车荷载作用下,荷位对铺装各层剪应力影响较小。层间最大横向剪应力要比层内的最大剪应力、层间纵向最大剪应力大很多,横隔板支撑作用随着荷位不断向横隔板靠近越来越明显,这为桥面铺装设计规范化的发展积累提供了参考。     

钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接静力学性能研究

对钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接进行静力学性能研究。先对相同试件宽度及连接端距下的2种不同料厚组合的钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接试件进行静力学试验,而后对同一料厚组合不同试件宽度W及连接端距E下的盲端拉铆连接组合进行静力学试验,以研究钢板与碳纤复合材料盲端拉铆连接的静力学性能、失效模式以及试件宽度、连接端距对其静力学性能的影响。研究表明：采用盲端拉铆钉连接钢板与碳纤板可获得较好的力学性能;碳纤板与钢板盲端拉铆连接组合的失效模式及连接最大破坏载荷与三维编织碳纤板切割方向相关;试件宽度及连接端距对连接的失效模式及最大破坏载荷均有影响。     

带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板受力性能试验研究

为研究不同剪力键条件下GFRP-混凝土空心箱型组合板的受力性能,进行了4个带剪力键组合板试件的静力弯曲试验,分析了开孔间距、截面形式等参数对试件破坏机制、极限承载力的影响,并得到了不同参数影响下试件的裂缝分布规律、荷载-应变曲线、荷载-滑移曲线、跨中沿截面高度应变分布的演化规律等内容。试验结果表明:试件破坏形态为跨中截面受压区混凝土被压碎;由于界面出现滑移导致剪力键破坏,但其整体工作性能良好,表明此新型组合结构具有良好的受力性能及协同变形能力;影响组合板受弯极限承载力的关键参数在于开孔间距大小,对比不同开孔间距试件,减小开孔间距能提高试件承载力,降低界面滑移;截面形式对于试件的极限承载力没有明显的影响,T形肋与矩形肋相比可以有效降低组合结构交界面的滑移量。基于试验结果并参考现行设计规范,提出了一种带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板抗弯承载力计算方法。计算值与试验值比较表明:所提方法可以有效预测GFRP-混凝土空心箱型组合板的抗弯承载力,且具有一定的安全储备,可供工程设计参考。     

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。     

装配式空心板钢横隔板抗弯数值模拟与破坏机理研究

针对公路空心板混凝土铰缝易损坏现象,提出了开孔钢板连接构造,在空心板间形成钢横隔板结构传递板间荷载。为了掌握新型空心板连接结构的抗弯受力性能,试设计新型空心板桥,在其跨中顺桥向选取单位长度形成横桥向的梁式结构,建立其纯弯加载的有限元模型。为验证开孔钢板在铰缝处弯曲性能模拟的正确性,另外建立了设置开孔钢板的组合梁负弯矩试验模型,利用已有试验结果验证开孔钢板在弯曲受力下数值模拟方法的正确性。研究结果表明,在装配式空心板钢横隔板连接构造受力性能数值模拟中,钢板与混凝土界面法线方向的接触模拟采用硬接触,贯穿钢筋与混凝土的接触关系采用嵌入的模拟方式可以得到较好的效果;空心板钢横隔板结构在荷载作用下的受力机理为:首先由铰缝接触面受力,当接触面达到承载力部分破坏后,由未破坏的铰缝接触面和开孔钢板与贯穿钢筋组成的榫结构受力,直至破坏。