钢-STC轻型组合结构桥面技术在株洲枫溪大桥的应用研究

钢-STC轻型组合结构桥面是基于超高韧性混凝土(STC)基础上研发的一种超级桥面结构;它通过剪力连接件的作用,使密配筋的STC层与正交异性桥面板协同受力,大幅度降低了钢桥面的疲劳应力幅,并有效解决了钢桥面铺装层易破损的世界难题。该文通过株洲枫溪大桥的运用实例,对钢-STC轻型组合结构桥面的施工技术及工艺要点进行总结和归纳,为推动该项技术的应用发展提供经验。     

带大U肋的轻型组合桥面板基本力学性能

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出了由正交异性钢桥面板与薄层超高韧性混凝土STC组合而成的轻型组合桥面板结构。由于STC层显著提高了桥面板的刚度,因此可对结构进行优化。在带U肋轻型组合桥面板的基础上,提出了带大U肋的轻型组合桥面板方案。将此方案拟应用于某大桥,与原结构相比,用钢量基本不变,而面板-U肋-隔板三者间焊缝总长度减少36%,不仅降低了施工难度,也减少了焊接缺陷,进一步解决了钢桥面板疲劳开裂的问题。采用4种不同的结构体系,建立了钢箱梁节段有限元模型,基于热点应力法,对体系的6个典型疲劳细节进行疲劳验算。结果表明：在大U肋轻型组合桥面板中,6个疲劳细节的应力水平与传统U肋轻型组合桥面板接近,降幅效果基本一致;同时,通过计算说明了大U肋轻型组合桥面板具有良好的横向受力性能,其栓钉也具有足够的抗疲劳性能。为探究此轻型组合桥面板STC层的纵向弯拉性能,开展了负弯矩条带足尺试验,确定大U肋轻型组合桥面板的STC顶层名义开裂应力为24.1 MPa,远超STC层计算最大拉应力10.92 MPa。以上分析初步表明：带大U肋的轻型组合桥面板有较好的疲劳和静力性能。     

大跨度斜拉桥轻型组合桥面方案设计与仿真分析

正交异性钢桥面板疲劳开裂和沥青铺装频繁破损已成为钢桥养护领域的难题,其主要与钢桥面局部刚度不足有关。文中以某大跨度正交异性板钢箱梁斜拉桥为背景,针对大桥出现的上述病害问题,提出钢-超高韧性混凝土(STC)轻型组合桥面结构方案,以对该桥钢桥面进行加固维修,并对轻型组合桥面方案建立了全桥整体模型。计算表明,采用钢-STC轻型组合桥面结构方案后,大桥的整体受力变化不大,不会影响其整体安全性。同时对标准梁段建立了局部有限元模型,结果表明,钢桥面典型疲劳细节的应力降幅达24.8%~84.6%,将基本消除钢桥面的疲劳开裂风险。     

礐石大桥轻型组合桥面结构应用概述

目前,钢桥面体系中存在着正交异性钢桥面结构疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损这两大难题。超高韧性混凝土(STC)的成功研发为解决这两大难题打开了新的思路,以超高韧性混凝土为基体形成的钢-STC轻型组合桥面结构可大大增加钢桥面板的局部刚度,降低了正交异性钢桥面板各构造细节处的活载应力,大幅提高了钢桥面的抗疲劳寿命,同时改善了沥青面层的工作条件,大幅降低了铺装层出现病害的风险。本文以汕头礐石大桥桥面铺装维修工程为背景,介绍了轻型组合桥面结构首次在大跨径斜拉桥上应用的设计、施工及检验验收等情况。     

悬索桥板桁结合加劲梁钢-STC组合桥面支承体系设计优化

杭瑞高速岳阳洞庭湖大桥为(1 480+453.6)m双塔双跨钢桁梁悬索桥,主梁为采用了钢-STC轻型组合桥面的板桁结合型钢桁加劲梁,钢-STC轻型组合桥面支承体系由横向桁架支承及桥面纵、横梁支承组成。采用ANSYS软件建立主梁节段有限元模型,针对组合桥面支承体系,从横向桁架结构形式、桥面纵横梁体系及其结构尺寸等方面进行设计优化。结果表明,带竖腹杆的横向桁架结构形式在桥面刚度、构件应力水平方面均具有较大优势;多横梁体系桥面刚度大,桥面构件应力水平低,适用于钢-STC轻型组合桥面。洞庭湖大桥板桁结合加劲梁钢-STC组合桥面支承体系采用带竖腹杆的横向桁架,纵横梁支承体系采用在横向桁架竖腹杆位置设置边纵梁、次横梁间距2.8m的多横梁体系,能够很好地兼顾结构刚度、应力水平及钢材用量。     

钢-STC轻型组合桥面结构多参数分析

为综合研究STC层厚度、隔板厚度、栓钉间距对轻型组合桥面结构疲劳性能的影响,分析各参数间的协作性,得到基于该3种参数下轻型组合桥面结构的综合优化设计参数。以某大桥为工程背景,建立ANSYS局部有限元模型,对不同STC厚度、隔板厚度、栓钉间距情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节进行应力幅计算,并采用名义应力法对计算结果进行评估。基于有限元分析结果,得出以下结论:轻型组合桥面结构可以大幅提高钢桥面板的局部刚度,但对于整体刚度的贡献有限。各设计参数下的轻型组合桥面结构,对面板与U肋连接细节应力幅的改善作用均很大,而对其他细节改善作用则相对较小,U肋与隔板交叉处隔板裂纹细节为轻型组合桥面结构的开裂控制细节;STC层厚度由45 mm增加到60 mm可进一步降低钢桥面各疲劳细节应力幅;隔板变厚对U肋与横隔板交叉处隔板裂纹细节、U肋下缘对接焊缝细节应力幅改善较大,降幅为20%~29%;栓钉变密对U肋与横隔板交叉部位、弧形切口处细节改善作用明显,应力幅降低22.01%~27.96%;模拟的12种轻型组合桥面结构方案中,有7种方案的典型疲劳细节均满足疲劳强度设计要求,有一种方案理论上基本不会疲劳开裂。     

广东清远北江四桥工程主桥超高性能混凝土-钢组合桥面板结构设计

广东清远北江四桥主桥采用单索面宽幅支承体系混合梁斜拉桥,而钢箱梁存在钢桥面铺装层易破损和钢结构疲劳开裂的通病难题,为解决其难题,主桥钢箱梁桥面采用超高韧性混凝土-钢组合桥面板,着重介绍了北江四桥主桥钢箱梁超高性能混凝土-钢组合桥面板结构构造,并采用了有限元对其进行了受力分析,计算结果表明超高韧性混凝土有效降低钢桥面结构的应力及变形,并改善铺装层的受力状况。     

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。     

超高性能轻型组合桥面铺装体系基本力学性能研究

为解决大跨径钢桥面疲劳开裂和铺装层早期损坏这两大难题,提出薄层聚合物混凝土(TPO)铺筑于超高韧性混凝土(STC)-钢桥面板的超高性能轻型组合桥面铺装体系。基于马房大桥的有限元模型,分析STC+TPO铺装体系的受力和变形特点。计算结果表明:采用STC+TPO铺装体系,钢桥面板中的拉应变平均降幅达76.4%,铺装层中的拉应变峰值和竖向位移峰值降幅均大于49.0%;此外,车辆荷载、环境温度和铺装层厚度等对STC+TPO铺装体系的受力状况有较大影响,60℃时STC-TPO界面抗剪强度可达2.56 MPa;STC+TPO铺装体系能大幅提高桥面系刚度,降低铺装层和桥面板的应力应变幅值,从而减小桥面板和铺装层疲劳开裂的风险;同时,STC和TPO的抗拉强度及界面抗剪强度均满足重载和高温环境下的使用要求。     

新型大纵肋正交异性组合桥面板力学性能研究

为了解新型大纵肋钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板对传统正交异性钢桥面板的受力性能的改善效果,以港珠澳大桥深水区非通航孔6×110m连续钢箱梁桥为背景,建立全桥有限元模型,对2种桥面方案的静力性能进行对比,建立节段有限元模型,对比2种桥面方案U肋与顶板连接焊缝处的疲劳性能,并分析U肋开口宽度和UHPC结构层厚度对大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板疲劳性能的影响。结果表明:2种桥面方案下钢箱梁控制点的位移和应力相差不大,所提出的大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板在中等跨度连续梁桥中具有较好的适用性;大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板的疲劳性能显著优于传统正交异性钢桥面板;增大U肋开口宽度会导致U肋与顶板连接焊缝应力幅增加,增加UHPC结构层厚度能显著降低U肋与顶板连接焊缝应力幅。     

钢-STC轻型组合桥面螺栓连接接头区域设计

为解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出钢-STC轻型组合桥面结构方案。此结构方案应用于含有钢箱梁栓接的旧桥桥面维修时,螺栓连接区域由于存在拼接钢板,导致局部接头区域STC层厚度骤减,刚度下降,受力变形趋于不利,易出现早期开裂现象,需进行局部优化设计。针对这一问题,就接头区域局部提出2项强化构造措施(①局部加密剪力钉、②部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接),并进行足尺条带模型试验。以礐石大桥螺栓连接区域为例,对拟同时采取上述2项措施的情况进行验算。研究结果表明:2项措施均在不同程度上阻滞了STC层顶面接头区域内微裂纹宽度的发展,延缓了开裂,尤其当采取第2项措施或同时采取2项措施时,STC层顶面接头区域晚于一般区域开裂,即接头区域不再是设计计算中需要控制的不利区域;STC层顶面可能出现的最大拉应力为11.5 MPa,小于试验开裂荷载对应的名义开裂应力17.7 MPa,满足设计要求,即钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于礐石大桥桥面维修可行。     

钢-STC轻型组合桥面螺栓连接接头区域设计（双语出版）

为解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出钢-STC轻型组合桥面结构方案。此结构方案应用于含有钢箱梁栓接的旧桥桥面维修时,螺栓连接区域由于存在拼接钢板,导致局部接头区域STC层厚度骤减,刚度下降,受力变形趋于不利,易出现早期开裂现象,需进行局部优化设计。针对这一问题,就接头区域局部提出2项强化构造措施（①局部加密剪力钉、②部分纵向钢筋与拼接钢板局部焊接）,并进行足尺条带模型试验。以礐石大桥螺栓连接区域为例,对拟同时采取上述2项措施的情况进行验算。研究结果表明：2项措施均在不同程度上阻滞了STC层顶面接头区域内微裂纹宽度的发展,延缓了开裂,尤其当采取第2项措施或同时采取2项措施时,STC层顶面接头区域晚于一般区域开裂,即接头区域不再是设计计算中需要控制的不利区域;STC层顶面可能出现的最大拉应力为11.5 MPa,小于试验开裂荷载对应的名义开裂应力17.7 MPa,满足设计要求,即钢-STC轻型组合桥面结构方案应用于礐石大桥桥面维修可行。     

带板肋的钢-UHPC轻型组合桥面疲劳性能理论与试验研究

该文提出了一种新型的带板肋的超高性能混凝土轻型组合结构,通过有限元建模的方法分析了其应用于浙江五一大桥时的抗疲劳性能并与原U肋加劲的钢桥面板进行对比分析。针对该结构在负弯矩作用下UHPC的抗弯拉疲劳性能以及组合结构层间栓钉抗剪疲劳性能开展了足尺模型疲劳性能试验。结果表明:(1)带板肋的组合桥面结构完全解决了传统钢桥面中部分细节疲劳抗性不足的问题;(2)负弯矩疲劳试验得到板肋轻型组合桥面中UHPC层在10MPa弯拉应力幅的作用下经过500万次疲劳荷载作用后裂缝宽度仅为0.09mm,对结构整体性能无明显影响;(3)板肋组合结构中栓钉连接件在90 MPa疲劳应力幅作用下经过50万次循环荷载作用后,未见任何破坏迹象及层间滑移裂缝,换算得到实桥中栓钉抗剪疲劳寿命不小于76 293万次;(4)板肋组合结构中加劲肋在193MPa疲劳应力幅作用下经过50万次循环荷载作用后发生断裂破坏,换算得到实桥中加劲肋疲劳寿命为5 616万次。     

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;     

超高性能混凝土-钢正交异性板组合桥面受力性能研究

针对柔性铺装正交异性钢桥面板存在的钢板疲劳开裂和铺装层极易损坏的问题,提出超高性能混凝土(UHPC)-钢正交异性板组合桥面体系。以武汉军山长江大桥为背景,通过ANSYS有限元仿真计算分析该组合桥面体系正交异性板相对于柔性铺装正交异性板受力性能的改善情况,并通过单U肋2跨连续梁足尺模型试验对UHPC层的受力性能进行研究。研究结果表明:采用组合桥面后正交异性板各构造细节的应力大幅下降,其中面板应力降幅最大,加劲肋次之,横隔板最小;采用UHPC-钢正交异性板组合桥面体系后正交异性板主要构造细节最不利热点应力幅降至常幅疲劳极限以下,理论上具有无限疲劳寿命;模型试验显示在实桥最不利应力作用下,UHPC层未发现可见裂纹,当名义应力达到18.79 MPa时在模型中支撑板顶部UHPC上发现0.05mm宽的裂纹。     

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。     

铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能影响效应研究

为研究铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,以港珠澳大桥标准联边跨跨中为背景,选择3类典型正交异性钢桥面板疲劳细节,考虑铺装层与钢桥面顶板的层间结合状态,铺装层的厚度、弹性模量、组成成分,建立该桥正交异性钢桥面板有限元模型,分析铺装层各因素变化下3类疲劳细节的应力幅变化;通过分析铺装层轮载扩散效应的扩散角对各疲劳细节应力幅的影响,提出合理扩散角,以此来考虑铺装层对钢桥面板的作用。研究结果表明,铺装层与钢桥面板间接触状态对正交异性钢桥面疲劳性能的影响较小;铺装层各参数对正交异性钢桥面板的疲劳性能影响较大;当进行钢桥面板抗疲劳设计时,可取轮载扩散角≤30°或采用BS5400所推荐的26.5°,或者偏安全地忽略铺装作用效应,以简化分析过程。     

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。     

横向异种类型混合桥面设计方法

在重车道采用疲劳性能较优但重量或造价较高的桥面形式，如超高性能混凝土（UHPC）华夫板、超高性能混凝土（UHPC）钢组合板等，在快车道采用传统正交异性钢桥面，组成混合桥面系统，可提升桥面结构疲劳寿命的同时降低结构的自重或造价，充分利用材料性能。针对横向由不同类型桥面组成的混合桥面，通过梁格模型参数分析得到了桥面板跨度、桥面板构造参数等对其各部分承担荷载比例和横向有效宽度的影响规律，并拟合分析数据得到了计算公式。基于此，提出了混合桥面的设计方法。