带板肋的钢-UHPC轻型组合桥面板计算与试验研究

为解决钢混结合段区域U形加劲肋传力不流畅,受力以及施工复杂等问题,提出一种新型的带板肋的超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面板,通过有限元分析将其抗疲劳性能与带U肋超高性能组合桥面板进行对比分析研究,并进一步对该结构在负弯矩作用下的承载能力,UHPC层的开裂应力,破坏模式以及荷载挠度关系进行实桥足尺模型试验研究。结果表明:(1)板肋组合桥面结构在疲劳性能上有更大优势,其在疲劳细节2,3,4上的应力幅均大大低于U肋组合结构;(2)足尺模型试验得到板肋轻型组合桥面结构的开裂应力为20.1 MPa略低于U肋轻型组合结构23.6 MPa;(3)板肋组合结构的破坏模式均为加劲肋屈服导致结构丧失承载能力而发生破坏,而U肋组合结构的破坏模式为横隔板屈曲失稳破坏于工程应用不利;     

无切口钢-UHPC组合桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能

为解决正交异性钢桥面纵肋-横隔板接头疲劳开裂问题,根据正交异性钢桥面构造特点,提出了一种疲劳性能良好的新型无切口正交异性钢-UHPC组合桥面,能简化制造工艺,提高经济性能.基于ANSYS数值分析平台建立双尺度有限元模型,采用欧洲规范疲劳荷载模型III开展纵桥向移动加载,获得了纵肋-横隔板接头在3种典型横向位置下的轮载热...     

随机车流下钢-UHPC组合正交异性桥面疲劳性能研究

为获得钢-UHPC组合铺装正交异性桥面板构造细节轮载作用下的响应特征,准确评价随机车流下其疲劳敏感构造细节的疲劳性能,以佛陈扩建西幅桥为例,开展了钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节的应力监测试验。利用7d连续记录的应力时程和雨流计数法获得了构造细节的应力谱;基于Miner疲劳损伤等效原则计算得到了最大应力幅、等效应力幅及疲劳加载次数。结果表明:当构造细节位于轮载正下方时,通行货车每个车轴将在面板上的构造细节中产生1个应力循环,但其他构造细节只能由每个轴组产生1个应力循环;钢-UHPC组合铺装虽并未改变正交异性钢桥面板构造细节轮载作用下明显的局部效应特征,但增大了正交异性钢桥面板的刚度,使得横隔板弧形切口的面外应力减小;其显著降低了面板上构造细节的应力幅,使得纵肋-面板焊缝构造细节和面板对接焊缝构造细节所记录到的最大应力幅均小于常幅疲劳极限;基于AASHTO规范开展的疲劳评价表明,在当前交通流下,佛陈扩建西幅桥钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节具有足够的疲劳强度。     

钢-UHPC轻型组合桥面板横向受力性能

为研究一种正交异性钢-超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构,在局部车轮荷载作用下的横向受力性能与横向受力组成,进行了足尺模型静载试验和有限元数值模拟。静载试验对同一足尺模型分别进行了横向简支工况和横向悬臂工况的加载试验,通过边界条件的变化来模拟组合桥面板不同的受力状态,并将试验结果与有限元分析结果进行对比,验证有限元模型的正确性,而后利用有限元模型的分析结果,得到组合桥面板在局部车轮荷载下的横向受力组成。研究结果表明:组合桥面板在车轮荷载作用下,其横向受力局部效应明显,横向应力主要局限于荷载作用区域附近的两道U肋范围内;在车轮荷载影响区域内,由横肋弯曲产生的桥面板整体附加弯矩的影响很小,组合桥面受力以第3体系为主,相应截面弯矩达到了总弯矩的75%,而在其他区域,第3体系受力所占比重迅速衰减,组合桥面受力以第2体系为主;加载至300kN时,组合桥面板受力仍处于弹性阶段,UHPC层顶面最大横向应力达到11.9 MPa仍未开裂,满足设计要求。     

钢-UHPC轻型组合桥面板局部修补技术试验

为了解决在修补钢-UHPC轻型组合桥面结构的UHPC层破损区域时遇到的UHPC层局部拆除和接缝处理难题,提出了一种通过拉拔UHPC层内钢筋来拆除UHPC破损区域的方法,设计了一种将受力钢筋焊接于钢顶板的新型局部修补接缝形式。为了证明拆除方法的可行性,利用足尺试验模型进行了指定区域UHPC层的拆除试验;为了验证新-旧UHPC接缝的受力性能,完成了纵向接缝、横向接缝的强度试验。结果表明:该拆除方法可以快速完成UHPC破损区域的拆除;新型修补接缝方法通过将接缝位置处的受力钢筋焊接于钢面板,有效提高了接缝的抗拉强度;试验测得接缝在纵桥向、横桥向的开裂应力分别为21.8,17.4MPa,接缝开裂应力分别为现浇段开裂应力的73.4%、63.9%,且明显大于传统接缝9.8MPa的开裂应力;通过对洞庭湖大桥进行有限元计算分析得到UHPC层纵桥向、横桥向的最大拉应力分别为15.4,5.4 MPa,小于接缝的实测抗拉强度,新型修补接缝完全满足该桥UHPC层最大拉应力要求。     

基于静动载试验的钢-UHPC组合桥面应用研究

为评估钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面体系(通过剪力钉将配筋UHPC薄层与正交异性钢桥面板组合而成的新型桥面结构)的实桥应用效果,以太原摄乐大桥为背景,分别建立80 mm厚SMA铺装层、60 mm厚UHPC+80 mm厚SMA铺装层2种铺装方案有限元模型进行静力性能分析,并对桥面行车道开展静、动载试验研究。结果表明:设置UHPC铺装层能显著提高结构刚度,大幅降低正交异性钢桥面板各构造细节应力;实桥静载测试数据与计算值吻合度较高;当车辆以60 km/h设计速度行驶时,钢-UHPC组合桥面无明显动力冲击效应;钢-UHPC组合桥面体系在实桥上应用效果良好。     

钢板条-UHPC组合桥面结构静力及疲劳试验

应用UHPC加固正交异性钢桥面时,由于钢面板存在贯穿型裂缝导致UHPC底面抗裂无法满足要求,提出一种新型钢板条-UHPC组合桥面结构。对12个正弯矩作用下钢板条-UHPC组合桥面构件进行静力参数试验,讨论构件的破坏模式及裂缝的发展与分布;对4个构件进行抗弯疲劳试验,研究构件在不同荷载幅作用下的刚度衰减、裂缝扩展、剩余强度,并提出适用于该类构件的S-N曲线。研究结果表明：带钢板条构件裂缝宽度达到0.05 mm时,具备超过20.1~28.0 MPa的名义开裂强度,相比无钢板条构件的7.2~9.7 MPa,对UHPC的抗裂性能强化作用明显;提高钢板条宽度对于UHPC的开裂抑制作用明显,可有效降低平均裂缝间距而延缓裂缝宽度的持续扩展;提高钢板条宽度与UHPC层厚均可大幅提高组合桥面构件的刚度,使得构件在弹性极限后进入更高的强化阶段;钢板条-钢面板连接方式对于构件的破坏模式和裂缝发展无影响;荷载比S≤0.43时,构件在1 000万次疲劳作用后,刚度未现折减,裂缝宽度仅0.03 mm,可认为当S<0.43时,构件具备无限疲劳寿命;S≥0.76时,构件早期存在极高的损伤积累,当刚度开始衰减后,短期内即会达到疲劳寿命极限;对于S为0.43~0.76的构件,UHPC裂缝扩展缓慢,开裂后在短期内不会出现明显刚度衰减,剩余疲劳寿命较高;直接采用目前的疲劳寿命评估方法对4个构件的进行评估,结果差别较大;结合试验结果,提出了针对钢板条-UHPC组合构件的S-N曲线,可为类似结构的疲劳寿命评估提供参考。     

钢桥面铺装组合结构疲劳试验研究

桥面铺装是钢桥面行车体系的重要组成部分,桥面铺装质量的好坏直接影响行车的安全性和舒适性.针对"浇筑式沥青混凝土+环氧沥青混凝土"的钢桥面铺装方案,选择更易于引起铺装脱层及开裂的试验加我方法,分别对3种铺装组合结构进行疲劳试验,比较不同组合结构的性能,得出试验结论.试验结果时于大型钢桥面的组合铺装具有借鉴意义.     

军山长江大桥钢-UHPC组合桥面改造效果研究

武汉军山长江大桥原桥面铺装为双层SMA,随着车流量的增加和超重车辆的影响,运营多年后该桥正交异性钢桥面板出现疲劳裂缝。为处治桥面板隐性裂缝,分别对上游侧进行了钢桥面冷拌环氧树脂桥面铺装及桥面板焊接施工,对下游侧进行钢-UHPC组合桥面铺装改造。为评估钢-UHPC组合桥面的改造效果,基于已建立的运营期安全监测系统及有针对性的增布动应变测点,对随机荷载作用下桥梁上、下游侧桥面板的局部应力进行测试。结果表明:在下游侧的车辆数量和轴重均高于上游侧的情况下,下游侧测点的等效应力幅大多小于对应的上游侧,表明钢-UHPC组合桥面铺装明显改善了该桥正交异性钢桥面板的疲劳应力。     

钢-UHPC轻型组合连续梁桥设计与施工

以云南省保山市昌保高速公路一座3 m×30 m跨线天桥为工程背景,针对传统钢板组合梁负弯矩区混凝土顶板易开裂的问题,提出了一种预制“π”型钢-UHPC轻型组合梁结构,设计了适用于该组合梁的负弯矩区横向UHPC-NSC组合接缝和双榀“π”型梁间纵向UHPC接缝结构。介绍了UHPC材料的配制、钢-UHPC组合梁纵横向接缝设计、纵向接缝模型试验、负弯矩区1∶2缩尺模型抗弯加载试验,以及该桥的预制装配施工流程。相关结构设计、模型试验和工程实践经验可供实际工程参考。     

斜拉桥钢-UHPC组合桥面分次浇筑接缝抗裂性能

因较好解决了钢桥面疲劳开裂和沥青铺装层易破损问题,钢-UHPC (Ultra-high Performance Concrete,超高性能混凝土)轻型组合桥面在新建斜拉桥中逐步推广;然而,宽幅钢-UHPC轻型组合桥面不可避免地涉及分次浇筑,接缝处钢纤维拉接作用失效,导致接缝抗裂强度显著下降。为了有效降低分次浇筑接缝处UHPC桥面与铺装层的病害风险,开展了多型UHPC接缝的抗裂性能试验与对比分析。采用多尺度有限元仿真分析斜拉桥的全过程受力状态,计算识别出宽幅钢-UHPC桥面在施工和运营阶段的高拉应力区域,据此制定了斜拉桥UHPC分次浇筑接缝的设置原则。设计了五型UHPC分次浇筑接缝供工程比选,包括加粗钢筋接缝、斜向接缝、锯齿接缝、矩形接缝和异形钢板接缝;含对照组,共制作了7组UHPC接缝试件开展直拉试验,根据测试得到的最大裂缝宽度-应力曲线进行了UHPC分次浇筑接缝的抗裂性能对比分析。分析表明：斜拉桥施工阶段的UHPC层高开裂风险区明显不同于运营阶段,施工体系转换将使得最大拉应力峰值达7.543 MPa,超过了传统凿毛接缝的初裂名义应力。试验表明：与整体浇筑试件相比,传统凿毛接缝抗裂性能...     

钢-UHPC轻型组合桥梁结构华夫桥面板的基本性能

为了克服传统预应力混凝土主梁、钢主梁、钢-混凝土组合主梁由于材料和结构本身缺陷所引起的病害,提出了适用于(特)大跨径桥梁且无横向表面受拉接缝的钢-UHPC(Ultra-high Performance Concrete)轻型组合桥梁结构。为验证轻型组合梁用于斜拉桥的可行性,建立了空间有限元模型进行静力性能分析和疲劳应力幅计算,并制作了9个足尺条带模型试验梁,开展了静载试验研究。研究结果表明:受拉钢筋配筋率、钢筋直径、直线型纤维直径和长度对UHPC的初裂应力影响不大,而纤维带端钩能显著提高初裂应力;端钩型、直线型纤维UHPC试验梁正弯矩初裂应力分别为19.4,10.6 MPa,前者高出后者83%,负弯矩初裂应力分别为13.8,8.4 MPa,前者高出后者64%;正常使用极限状态时,端钩纤维试验梁正负弯矩初裂应力分别为华夫板下缘、上缘频遇组合拉应力的1.45倍、1.66倍;承载能力极限状态时,端钩纤维试验梁正负弯矩名义拉应力试验值分别为华夫板下缘、上缘基本组合名义拉应力的2.1倍、2.4倍;基于S-N曲线预测UHPC华夫桥面板疲劳寿命远大于200万次。     

钢-UHPC组合结构的栓钉连接件疲劳性能分析

为探究钢-UHPC组合结构中栓钉连接件的疲劳性能,基于SWT方法与断裂力学理论,建立了考虑栓钉焊接细节的1/4推出试验有限元模型,以研究钢-UHPC组合结构中短栓钉的疲劳寿命预测方法。通过定义材料非线性特性研究栓钉的荷载-滑移曲线与应力分布规律,得出栓钉焊接细节的最不利位置,及其临界平面,由此计算其裂纹萌生寿命,以及稳步扩展疲劳裂纹寿命,对栓钉疲劳性能进行评估,最后提出了基于有限元计算得出的栓钉疲劳寿命预测公式。结果表明：通过建立栓钉焊趾细节能够较好地模拟UHPC中短栓钉的荷载-滑移特性,方法和所提出的疲劳寿命预测公式能较好地预测栓钉的疲劳寿命,疲劳应力幅值对栓钉的损伤参数影响较大,疲劳裂纹萌生寿命所占比例最大可达90%以上,研究内容可为钢-UHPC组合结构中栓钉的疲劳性能评估提供参考。     

正交异性钢桥面U肋与面板内焊连接疲劳性能试验

正交异性钢桥面板具有结构自重小、承载能力强、装配程度高等优点,已被广泛应用于世界各地大跨度桥梁工程中;然而由于正交异性钢桥面板焊接结构复杂、应力集中明显以及直接承受车轮荷载的反复作用等因素,其U肋与面板单面部分熔透焊缝连接处容易产生疲劳裂纹。为寻求改善U肋与面板单面部分熔透焊缝连接疲劳性能的方法,该文对U肋与面板采用单面部分熔透焊缝连接(单缝连接)与采用部分熔透焊缝和内部贴角焊缝组合连接(双缝连接)的5组共10个试件开展了疲劳试验,对比分析各试件的疲劳寿命和开裂形式,发现增加U肋内部贴角焊缝可以大幅提高U肋与面板连接的疲劳寿命。     

基于实桥试验的轻型组合桥面动力性能研究

为了研究薄层超高性能混凝土(UHPC)-钢轻型组合桥面结构的车桥动力性能,依托广东佛陈新桥工程(一幅桥采用轻型组合桥面,另一幅桥采用传统沥青铺装钢桥面)。在钢桥易出现疲劳的位置布置动态应变传感器,进行了大量的跑车动力试验,记录标定车驶过桥面时各测点的时程应变,采用雨流法统计各疲劳细节处的应变幅,汇总试验结果并结合有限元模型,分析了两种钢桥面体系在车辆动力作用下的受力特性。结果表明:轻型组合桥面各测点时程应变的变化规律与传统沥青铺装钢桥面相同;相比于传统钢桥面,轻型组合桥面的车桥动态受力水平较低,其中弧形切口的应变幅降幅最大,达到了23.8%。总体表明:轻型组合桥面未改变传统沥青铺装钢桥面车桥动力受力形式,但能够有效地降低钢桥面的车桥动力响应。     

钢-UHPC华夫板组合梁抗剪性能试验研究

为研究钢-UHPC华夫板组合梁在静载作用下的竖向抗剪性能,对4个组合梁试件进行了静力试验,主要变化参数包括华夫板平板厚度、肋的高度、翼板宽度。通过分析试件破坏过程、荷载-跨中挠度曲线、应变分布规律,对不同参数下试件的破坏模式和承载能力进行研究。研究结果表明:试件共有剪切破坏和剪切、弯曲复合破坏2种破坏模式;与普通组合梁不同的是,由于钢纤维的"桥接作用",UHPC翼板剪切开裂后呈现多条剪切裂缝同时开展现象,主裂缝周围出现大量细而密的微小剪切斜裂缝,钢纤维显著提高了组合梁的抗剪承载力和变形能力;华夫板纵、横肋的设计削弱了组合梁的整体工作性能,在几何突变处出现应力集中现象,使得此处率先发生纵向开裂;对比试件SUW1和SUW2,保持华夫板整体高度不变,将肋高占华夫板高度比例从50%提高到67%时,承载力下降了3.2%,但变形能力提高了85.8%;对比试件SUW2和SUW3,保持平板厚度保持不变,将肋的高度从60mm增加到90mm时,承载力提高了22.5%,但变形能力下降了48.6%;对比试件SUW1和SUW4,将翼板宽度提高47.3%时,承载力和变形能力分别提高了19.0%和48.5%;提出综...     

闭口肋正交异性板钢桥面的疲劳裂纹及检测

文章介绍了正交异性板钢桥面在国内外的应用,阐述了其各构件之间的连接构造,总结了正交异性板钢桥面疲劳裂纹产生的部位及产生的机理,对正交异性板钢桥面关键的连接部位进行线弹性有限元分析,掌握了其应力分布情况。鉴于正交异性板钢桥面疲劳裂纹的复杂性和不易检出性,推荐采用高效的超声波时差衍射(TOFD)检测技术对其进行无损检测。     

钢-RPC轻型组合桥面结构湿接头弯曲试验

为了提升正交异性钢板-RPC(Reactive Powder Concrete,活性粉末混凝土)轻型组合桥面结构湿接头的力学性能和抗裂性能,针对分次浇筑的RPC层接缝处钢纤维不连续,接缝处RPC的抗拉强度远低于连续浇筑部位等问题,进行了RPC湿接头弯曲试验研究。设计制作了2片试验梁,其中包括5种加密钢筋湿接头和3种异形钢板湿接头以及1种焊接钢筋网湿接头形式。比较了每片试验梁的荷载-变形曲线和RPC名义拉应力-最大裂缝宽度曲线,分析了加密钢筋配筋率、异形钢板企口角度、钢筋焊接形式等因素影响下不同湿接头形式的抗裂性能。研究结果表明:加密钢筋配筋率越高,湿接头抗裂性能相应越好;异形钢板企口角度为66°时,RPC开裂应力最高;与加密钢筋湿接头和常规湿接头相比,异形钢板湿接头和焊接钢筋网湿接头具有更好的力学性能和抗裂性能;加密钢筋焊接在钢板上的湿接头抗裂性能显著优于不焊接在钢板上的湿接头抗裂性能;异形钢板湿接头和焊接钢筋网湿接头考虑耐久性的RPC允许开裂应力根据测试结果分别为26.5,25.1MPa,能够满足RPC桥面板在车辆荷载作用下的抗裂强度要求。     

波形钢腹板组合箱梁疲劳性能试验与理论分析

为了给波形钢腹板组合箱梁的疲劳设计和施工提供参考,制作了试验模型梁,并对其进行疲劳荷载试验,得到了这种结构的典型疲劳破坏特征。结合有限元分析,利用已有的研究资料,比较了波形钢腹板组合箱梁与波形钢腹板钢梁应力状态的相似性。采用断裂力学分析方法,对比有限元分析和模型梁试验结果,研究了波形钢腹板组合箱梁疲劳寿命的计算模式,进而推导出这种结构的S-N曲线。研究结果表明:对于波形钢腹板组合箱梁的疲劳设计,在有限疲劳寿命设计与计算中建议偏安全地采用美国规范AASHTO 2007提供的设计参考中的C类标准。     

全预制快速架设钢-UHPC轻型组合城市桥梁

为缩短城市高架桥现场作业时间,利用超高性能混凝土良好的力学性能及耐久性,提出一种可整体预制、整跨吊装、快速成桥的钢-UHPC轻型组合桥梁,并针对传统钢-混凝土组合连续梁桥负弯矩区桥面板拉应力过大的情况,提出一种可与梁段整体预制的简支变连续结构。对30m跨径钢-UHPC轻型组合城市桥梁试设计,并与现有方案进行材料用量及经济性能对比;利用MIDAS/Civil软件对试设计桥梁进行荷载组合效应计算,根据计算结果以中国桥梁设计规范为基础,同时借鉴法国UHPC结构设计规程,分别基于塑性设计法和弹性设计法对钢-UHPC轻型组合连续桥梁的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计计算,并对正常使用极限状态钢筋数量及裂缝宽度的关系进一步探究;建立负弯矩区精细化的局部有限元模型,根据计算结果选择拉应力较大的桥梁纵向接缝进行1∶1足尺模型试验研究。研究结果表明:试设计桥梁在预估价较低的情况下结构高跨比由1/21降低至1/28,自重减至传统钢-混凝土组合桥梁的54%;钢筋数量增加初期,UHPC板裂缝宽度迅速减小,随着钢筋数量继续增大,其对裂缝宽度控制的贡献明显减小;试设计钢-UHPC轻型组合城市桥梁具有足够的抗弯与抗剪承载力,负弯矩区整体应力水平不高,同时试验接缝抗拉强度远大于计算值,满足工程使用要求。