钢-UHPC组合桥面板性能分析及应用

超高性能混凝土(UHPC)是一种高性能混凝土材料,在大跨结构中有着比一般混凝土更加宽广的前景。针对传统正交异性钢桥面板普遍存在的桥面板疲劳与桥面铺装易损坏等问题,提出钢-UHPC组合桥面板结构由薄UHPC桥面板以及钢梁组成,有着耐久性强、徐变收缩小、不易开裂、比强度大等优势,在大跨结构应用时,可以解决传统的钢桥面板铺装易损和桥面疲劳开裂等问题。     

轻型组合桥面板受力性能影响因素分析

采用UHPC作为铺装层是解决正交异性钢桥面疲劳开裂的一种有效措施,可缓解铺装层病害的产生,在增强结构受力性能的同时延长了服役时间。以某采用UHPC铺装层的轻型组合桥面板为研究对象,采用数值仿真分析了三种设计因素对桥面结构受力的影响,包括栓钉间距、UHPC厚度和钢筋网间距。研究结果表明：UHPC厚度的差异导致栓钉间距对UHPC上表面拉应力极值的影响不同;UHPC厚度确定后,弧形缺口主应力与剪力钉间距之间、UHPC上表面拉应力与钢筋网间距之间均表现为正相关变化关系;当栓钉间距确定后,UHPC上表面拉应力与自身厚度间表现为正相关变化关系。     

正交异性钢桥面结构对铺装受力的影响及其优化

采用有限元方法建立一座正交异性钢桥面连续梁桥的全桥空间有限元模型;在桥面施加不利车辆荷载,分析桥面板厚度和U型加劲肋厚度等因素对桥面铺装层应力的影响。分析结果表明:横向最大拉应力对铺装层受拉开裂起控制作用;随着桥面板厚度和U肋厚度的增加,桥面铺装层所受的横向最大拉应力有所减小;顶板厚度从12 mm增加至20 mm,铺装层横向最大拉应力从0.62 MPa减小至0.52 MPa,降低16%;U肋厚度从6 mm增加至12 mm,铺装层横向最大拉应力从0.63 MPa减小至0.51 MPa,降低19%。顶板厚度变化和U肋厚度变化与铺装层受力变化均为非线性关系。     

开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究

为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析.基于应力等效方法,对桥面板、横隔板与纵肋三向交叉部位,进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值2 000万次作用疲劳试验,在此基础上,分析了3种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响.研究结果表明:横隔板厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大;与钥匙形和圆形相比,苹果形开孔结构的主拉应力最小,为13.7 MPa,疲劳性能最优.建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于16 mm,并采用苹果形开孔方式.     

新型正交异性钢板-STC组合桥面结构研究与应用

为综合解决钢桥面体系中正交异性钢桥面结构疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损两种病害问题,本文提出了新型正交异性钢板—超高韧性混凝土(STC)组合桥面结构,基于广东省肇庆市马房大桥,开展了新型正交异性钢板—STC组合桥面结构足尺模型试验。试验结果表明,STC具有良好的抗拉性能,其最大拉应变达到955με而未出现开裂,因而能够适应马房大桥上的受力状态。2011年,新型正交异性钢板—STC组合桥面结构成功应用于马房大桥第11跨,各道施工工序均方便可行,且现浇的STC层经高温蒸汽养护后,未出现任何收缩裂缝。同时,实桥检测表明,增设STC层后,桥面系的局部刚度显著提高,车载引起桥面系构件中的局部应力降低了80%—92%,将有助于提高桥面系的抗疲劳寿命。     

开口加劲肋正交异性钢桥面铺装力学分析

以开口加劲肋正交异性钢桥面铺装体系作为研究对象,建立了包括桥面板和铺装的整体三维有限元分析模型,研究了荷载作用下铺装层的力学特性.分析表明,横向拉应力是开口加劲肋正交异性钢桥面铺装设计的一个重要控制指标;开口加劲肋正交异性钢桥面铺装层间剪应力较大,在铺装结构设计时应注意选择具有较强抗剪强度的粘结材料;开口加劲肋正交异性钢桥面铺装对车辆荷载的应力应变响应具有很强的局部效应.     

正交异性钢桥面铺装层疲劳开裂试验的改进研究

为克服现有疲劳开裂试验无法真实模拟正交异性钢桥面铺装层实际工作状态的缺陷,作者以法国LCPC试验为基础,提出了新型铺装层疲劳开裂试验的基本构型。利用有限元方法建立该基本构型的三维有限元模型,分析了在室内试验条件下荷载加载位置、荷载作用面积、复合梁钢板厚度、铺装层试件厚度等参数对铺装层试件力学响应的影响。在力学分析结果上进行验证性试验,最终确定试验构型的各项参数,建立新型铺装层疲劳开裂试验方法。该试验方法能够真实模拟出钢桥面铺装层的实际力学响应,提升了设备加载效率,并能够充分利用现有UTM-25设备进行试验,对于钢桥面铺装层的设计、评价、选择,以及开裂机理的深入研究工作,提供科学有效的试验手段。     

基于扩展有限元的钢-STC组合桥面开裂性能研究

采用H型钢-超高韧性混凝土(STC)板的组合结构形式可有效改善传统正交异性钢桥面-超高韧性混凝土组合桥面结构中存在的结构疲劳开裂问题。为了研究不同结构参数对H型钢-STC组合桥面结构开裂性能的影响规律,基于ABAQUS以及扩展有限元方法(XFEM)建立了考虑裂纹扩展的组合梁有限元模型,对不同桥面板厚度、配筋率条件下开裂性能以及延性的变化规律开展了有限元模拟研究。研究结果表明,与采用普通混凝土(C50)相比,不同混凝土板厚度条件下,采用STC对开裂强度与延性的提升效果最大分别为175.0%与446.3%,而不同配筋率条件下的提升效果最大可达205.1%与1 330.3%。为H型钢-STC组合桥面结构在实际桥梁工程中的应用提供相应的技术支撑与建议。     

千米级钢-UHPC组合桥面板开口断面组合梁斜拉桥力学性能研究

为克服传统钢-混凝土组合梁斜拉桥自重大、跨越能力不足等缺点,解决钢主梁斜拉桥正交异性钢桥面板抗疲劳性差、铺装易损等问题,提出了主跨1 000 m钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板开口断面组合梁斜拉桥试设计方案;分析了组合梁斜拉桥静力性能及抗风性能;探索了主梁高度H、主梁宽度B、桥面钢顶板厚度t_steel、UHPC面板标准厚度t_UHPC、UHPC弹性模量E_UHPC、钢梁下翼缘板厚度t_f等对组合梁斜拉桥静力性能的影响规律及设计主要控制因素。结果表明：UHPC材料大幅提升了组合桥面板的抗压强度和抗裂强度,试设计方案满足结构静力强度要求,且采用较薄的UHPC面板能有效减轻主梁自重;钢梁压应力为主梁静力设计主要控制因素,增加主梁高度或钢梁下翼缘板厚度可有效降低钢梁压应力;采用钢-UHPC组合桥面构造的千米级开口断面组合梁斜拉桥可满足国内部分区域对桥梁颤振稳定性的要求。     

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

正交异性钢桥面板焊接接头疲劳评估方法

传统正交异性钢桥面板疲劳性能评价方法评估精度不足,为准确评估其焊接接头的疲劳性能,基于线性累积损伤理论,探讨了结构应力法、切口应力法用于正交异性钢桥面板焊缝疲劳性能评估的可行性和准确性.以典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用足尺模型试验和仿真分析,并结合已有试验数据对上述评估方法进行验证.研究结果表明:与结构应力法相比,采用切口应力法或传统名义应力法评价正交异性钢桥面板的疲劳性能时,评价结果的离散性大;采用结构应力法(离散度为3倍标准差的主S-N曲线时)更准确,适用于正交异性钢桥面板焊接接头疲劳性能评估.      

江阴大桥钢桥面防水粘结层受力分析

江阴长江公路大桥采用正交异性钢箱梁结构,桥面铺装层在国内首次采用沥青玛蹄脂混凝土材料。将正交异性钢桥面板、铺装层、防水粘结层作为受力整体,建立有限元分析模型,研究荷栽作用位置、荷载类型、防水粘结层材料参数等因素对铺装防水粘结层受力的影响,为桥面铺装防水粘结层材料的设计与选择提供理论依据。     

江阴大桥钢桥面防水粘结层受力分析

江阴长江公路大桥采用正交异性钢箱梁结构,桥面铺装层采用首次在国内使用的沥青玛蹄脂混凝土材料。本文将正交异性钢桥面板、铺装层、防水粘结层作为受力整体．建立有限元分析模型,研究荷载作用位置、荷载类型、防水粘结层材料参数等因素对铺装防水粘结层受力的影响,为桥面铺装防水粘结层材料的设计与选择提供理论依据。     

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。      

正交各向异性钢桥面板铺装的疲劳承载力试验研究

针对广东北江大桥钢桥面结构及铺装层设计情况，计算钢桥面板局部应力，实测获取桥梁载谱资料，并采用模拟桥面应力方法进行铺装与钢板结合件的疲劳试验，得出了铺装抗裂疲劳承载能力，北江桥采用改性沥青铺装是成功的，其抗裂疲劳使用寿命可达五年以上。     

正交异性板桥面铺装受力影响因素分析

采用有限元方法,分析了正交异性板桥面铺装在结构和荷载因素变化时受力状态的变化规律;比较了有无纵隔板、桥面板厚度、加劲肋板厚度对受力的影响;分析了竖向、水平荷载对铺装层受力的影响。结果表明:有纵隔板时的横向拉应力为全桥面的铺装拉应力控制指标;增大桥面板厚度有利于减少桥面刚度不均,减小铺装层内的应力;加劲肋厚度的变化对加强结构刚度有利却对桥面铺装的受力不利;超载对应力状态极为不利,紧急制动产生的水平力会导致很大的纵向拉应力。     

基于热点应力法的正交异性钢桥面板疲劳验算

为了解决正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出将热点应力法应用于其疲劳验算.该方法采用ANSYS子模型模块,通过国际焊接协会的线性外推方法,计算获得验算部位的热点应力.基于热点应力法给出正交异性钢桥面板的疲劳验算流程,对验算涉及的问题结合甬江桥实例进行了探讨.研究结果表明:与名义应力法相比,热点应力法可以反应正交异性钢桥面板疲劳开裂的实质;利用热点应力法对甬江桥正交异性钢桥面板加劲肋与横隔板连接部位的加劲肋进行疲劳验算,得出该构造细节的疲劳寿命为73 a.      

钢桥面铺装与混凝土桥面铺装力学控制指标值对比研究

通过研究某钢桥面铺装体系与某混凝土桥面铺装体系的受力变形,分析2种铺装层的应力应变特性的异同。运用有限元方法建立正交异性钢桥面复合铺装体系模型与混凝土桥面复合铺装体系模型,对比分析了铺装层力学控制指标的变化规律以及铺装层厚度、材料模量对铺装体系力学特性的影响。研究成果可为大跨径钢桥面铺装和混凝土桥面铺装设计提供参考。     

夹心钢板系统加固正交异性钢桥面板的性能分析

正交异性钢桥面板广泛应用在现代钢桥中,但在车辆荷载作用下,由于较高的应力集中易引起关键焊接部位的疲劳裂纹,采用夹心钢板系统（SPS）对正交异性钢桥面板进行加固。通过ANSYS软件建立了正交异性钢桥面板及其SPS加固层的三维有限元模型,在不同的荷载工况下,分析了按我国现行规范规定的车辆荷载的两个后轴共同作用下桥面板的应力分布特征,并与加固前的应力状态进行了对比。结果表明：骑U肋加载在桥面板时U肋焊接处产生的横桥向应力最大;采用SPS对正交异性钢桥面板进行加固的效果良好,与加固前相比,可较大幅度地降低钢桥面板的应力,更有助于抵抗钢桥面板疲劳裂纹的产生。     

超高韧性混凝土(STC)组合桥面施工关键技术研究

为防止钢桥在设计年限内桥面铺装受损以及桥面结构疲劳开裂,由中铁九局承建的大安北公铁立交桥改造工程采用高韧性混凝土组合桥面层进行施工,施工验收时表面无裂缝,强度符合要求。检测及试验分析结果表明,采用钢—STC组合的桥面结构比使用沥青混凝土时的桥面板横向应变平均减少89%,纵肋纵桥向应变平均降低78%,超高韧性混凝土特点为自重轻、承载能力大以及施工方便,对于该材料的实际应用具有指导性意义。