钢-超高延性混凝土组合桥面结构力学性能分析及疲劳试验

为改善当前大跨径钢桥钢箱梁桥面板普遍存在疲劳开裂的现状,提升钢桥面铺装体系正常服役寿命,提出了一种钢-超高延性混凝土组合桥面方案:组合桥面主要由正交异性钢桥面板、配筋超高延性混凝土层和沥青磨耗层组成,钢桥面板上表面焊接栓钉,并设置防水黏结层,超高延性混凝土层与钢桥面板间通过栓钉相连,超高延性混凝土层上表面采取表面粗糙处理,并设置防水黏结层,确保与其上的沥青磨耗层之间形成可靠连接。以虎门大桥钢箱梁为背景,采用有限元软件Abaqus对所提出的组合桥面铺装体系进行了力学性能分析。分析结果表明:采用组合桥面铺装体系,可明显提升正交异性钢桥面铺装体系的整体刚度,使得正交异性钢桥面板关键受力部位的应力水平降低25%～45%,显著延长钢桥面板疲劳寿命。制作了足尺钢箱梁子结构试验模型并开展了疲劳试验研究,疲劳试验结果表明:在规范规定的疲劳车荷载及高于疲劳车荷载的疲劳荷载作用下,累计经历400万次疲劳试验后,组合桥面铺装结构铺装层和钢桥面板均未出现破坏迹象,采用钢-超高延性混凝土组合桥面,可有效延长钢桥面铺装结构使用寿命。研究成果为既有存在病害的钢桥钢箱梁承载力的恢复甚至提高,乃至新建钢桥的桥面铺装提供了一种有益的选择方案。     

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。     

超高性能混凝土组合钢桥面承载性能试验研究

为了解超高性能混凝土组合钢桥面在静力作用下的裂缝扩展情况和承载能力,以某长江大桥正交异性钢桥面板构造细节为背景设计试验梁(单U肋),采用有限元分析和模型试验的方法研究超高性能混凝土组合钢桥面在静力加载过程中的裂缝扩展形态和位移、应变的变化规律。结果表明:加载至13%极限荷载时,中横隔板顶面附近观测到裂缝;达到极限荷载时,裂缝最大宽度达0.15mm;超高性能混凝土与钢结构能够协同工作;加载过程中超高性能混凝土的抗裂性能良好,达到极限承载能力时,钢结构先发生屈曲;在设计荷载作用下,超高性能混凝土铺装层能够满足耐久性要求,组合钢桥面具有较大的静力承载能力富余度。     

装配式纤维混凝土组合桥面体系试验

针对正交异性钢桥面疲劳开裂,传统沥青混凝土铺装层破损以及纤维混凝土铺装层采用整体现浇施工时需要大面积现场养护等技术难题,提出了一种新型装配式组合桥面体系,即:装配式活性粉末混凝土(RPC)层本体为现浇RPC层,其中嵌合有周围布设企口接头的预制RPC桥面板,并通过剪力钉与正交异性钢桥面板联合成整体,形成组合桥面。为验证该企口接缝的强度,进行了装配式纤维混凝土组合桥面结构模型试验及理论分析。研究结果表明:采用新型钢-RPC组合桥面结构后,钢桥面结构中的拉应力降幅可达49%;当企口接缝处出现肉眼可见的细微裂缝时,与接缝位置对应的同断面现浇RPC强度为12.5 MPa,表明此种接头形式将接缝承受的拉应力部分转化为剪应力,从而有效降低了装配式纤维混凝土组合桥面开裂的风险。     

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。     

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。     

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。     

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。     

正交异性钢板-薄层RPC组合桥面基本性能研究

为了解决正交异性钢桥面铺装层破损及钢桥面结构疲劳开裂2类病害问题,提出了一种新型正交异性钢板-薄层超高性能活性粉末混凝土（RPC）组合桥面结构体系。基于某大桥建立有限元模型,并对比计算了纯钢梁和组合桥面结构中桥梁主缆索力和桥面系应力状态;同时,开展了足尺条带模型静载试验。研究结果表明：采用新型钢-RPC组合桥面结构后,钢面板及纵肋中应力明显降低且最大降幅超过70%,而主缆索力几乎不增加;RPC层开裂前的拉应力可达42.7MPa,远高于其在实桥荷载作用下10.08MPa的拉应力;该新型钢-RPC组合桥面结构可提高桥面系的刚度,降低钢桥面结构中的应力,从而能够基本消除钢桥面疲劳开裂的风险。     

坪山分离立交钢桥面韧性混凝土铺装层施工工艺研究

针对正交异形钢桥面沥青混凝土铺装层易破损的病害问题,提出适应于中小跨径钢桥正交异性钢板韧性混凝土面组合结构铺装。钢桥面采用韧性混凝土铺装能显著提高桥面结构层的刚度,减少钢桥正交异形钢桥面普遍出现的疲劳裂缝和铺装层损害等问题,降低后期的维护成本。以千(岛湖)黄(三)项目立交桥为研究对象,通过研究韧性混凝土的施工技术及工艺,总结经验,为类似工程施工提供借鉴。     

正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的压弯性能

针对传统正交异性钢桥面板疲劳开裂及沥青铺装破损桥梁工程两大难题,对有望应用于大跨度桥梁中的正交异性钢-混凝土组合桥面板的力学性能进行了试验及理论研究。为探究适用于组合梁斜拉桥的正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的受力性能,设计并制作了6个带U肋的正交异性钢-混凝土组合桥面板足尺试件,进行了轴向压力和弯矩加载试验,研究了不同轴向压力、不同混凝土等级对该组合桥面板受弯承载力、延性及塑性发展的影响,并提出了考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式。研究结果表明：当轴向压力恒定时,组合桥面板在压弯荷载作用下的最终破坏形态均为跨中区域下部混凝土板的横向开裂及上部混凝土的压溃;轴压力对正交异性钢-混凝土组合桥面板的初始弹性抗弯刚度影响较小;不同轴压力下抗弯承载力降低值随着轴力的增大并未呈现显著递减趋势,这与轴向压力加载出现偏心距有关;轴压力会显著降低正交异性钢-混凝土组合桥面板的延性及塑性发展过程;将混凝土强度等级从C60提高到C80,并没有显著提高组合桥面板的初始弹性刚度、抗弯承载力、延性及延长其塑性发展过程;此外,提出的考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式精度较高,可有效预测正交异性钢-混凝土组合桥面板的压弯承载力,为实际工程应用提供理论参考。     

正交异性夹层桥面板力学性能研究

采用模型试验及空间有限元计算分析方法研究聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的力学特性,并对比了不同桥面板车轮作用点处,截面受局部应力影响的纵横向应力分布。结果表明：与普通正交异性钢桥面板相比,夹层桥面板能大幅降低局部应力集中,应力峰值约为普通正交异性钢桥面板的1/3～1/2,并可大幅减少焊缝疲劳裂纹的出现;由于夹层板自身刚度大幅提高,能大幅减少纵向加劲肋数量并减少50%以上的焊缝,从而节省钢材,减轻自重;聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板的应变试验测试值与有限元计算值基本吻合。     

预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪性能研究

相比现浇混凝土桥面板,全预制混凝土桥面板有诸多优势,能够提高桥梁工程质量、加快桥梁施工速度和降低成本。预制超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)梁和预制UHPC桥面板通过槽口连接形成组合梁是一种新的结构形式,这种槽口式连接的界面抗剪性能会影响全梁整体承载力。通过16个推出试件,研究不同界面抗剪钢筋配筋率、预制梁混凝土类型和预制桥面板混凝土类型、槽口填充混凝土类型对界面抗剪承载力的影响,在试验过程中观测裂缝的发展和破坏模式,记录竖向滑移、水平滑移和试件破坏模式、钢筋应变、极限荷载Vu和残余荷载Vr。试验结果表明:界面抗剪钢筋配筋率对Vu和Vr起主要作用,配筋率为3.7%的界面极限荷载分别是配筋率为2.8%和2.0%的1.06倍、1.20倍;不同的槽内填充混凝土和预制梁混凝土二者共同影响Vu和Vr;预制桥面板混凝土类型对抗剪性能影响不大;钢筋的销栓作用主要受到钢筋直径和混凝土强度等级的影响;通过与AASHTO LRFD 2015和ACI 318规范对比发现,2个规范对UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪承载力估计保守;提出的预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪计算公式计算值与试验值吻合较好。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅰ：模型试验

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题，亟需发展具有高疲劳抗力的正交异性钢桥面板。同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节2类构造细节，提出了一种高疲劳抗力钢桥面板，设计了2个足尺节段模型，通过模型试验确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节的疲劳开裂模式和疲劳性能，采用扫描电子显微镜（SEM）确定了单面焊构造细节焊根和双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度；研究了纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为98.7 MPa，新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为123.2 MPa；传统单面焊构造细节焊根的初始微裂纹尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度，初始微裂纹尺度的差异是2种开裂模式的疲劳抗力存在显著差异的主要原因；纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展，新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展，2类构造细节的起裂次数基本一致，但新型交叉构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节；相同加载条件下，高疲劳抗力钢桥面板结构体系的疲劳寿命显著优于传统钢桥面板结构体系。     

钢板组合梁桥面板与主梁连接受力性能研究

针对一座钢板组合梁桥,通过有限元程序ANSYS对组合梁中混凝土桥面板与钢主梁连接进行建模计算分析,并进一步通过试验研究得到群钉连接件的抗力性能。理论计算结果表明：在承载能力极限状态组合下,支点位置附近群钉剪力最大,焊钉抗剪承载力满足设计要求。抗剪试验结果表明：相比于单钉推出试件的承载力,大部分群钉试验试件中单钉平均承载力减少10%~20%左右,但即便是焊钉数量最多的试件,其平均单钉承载力仍远高于现行规范的设计抗剪承载力。     

成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥主桥钢箱系杆拱桥设计

成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥为山区公铁合建桥梁,主桥为(116+120+336+120+116)m双层桥面拱桥.336 m主拱采用拱墩固结、拱梁分离的钢箱系杆拱,拱轴线为抛物线,矢跨比为1/3.36,拱肋采用钢箱结构,2片拱肋中心间距28.5m.上层铁路桥面采用箱形边主梁、纵横梁体系的正交异性整体钢桥面板,主梁边箱内高...     

钢-混组合连续梁负弯矩区受力性能研究及实用新型装置

钢-混组合梁桥体系在市政桥梁工程中近年得到了广泛应用,尤其是钢-混组合连续梁桥.在正弯矩区混凝土桥面受压,钢梁受拉,能充分发挥材料的优势;但在负弯矩区,混凝土桥面受拉会引起裂缝问题.综合使用超高性能混凝土、预应力技术、调整桥面板施工顺序、有效运用支点顶升法,提出了一种新型装置来控制钢-混组合连续梁负弯矩区拉应力和裂纹....     

U形肋正交异性组合桥面板构造参数分析

针对U形肋+平钢板+混凝土板形成的正交异性组合桥面板，利用Ansys空间有限元软件，对组合桥面板的U形肋尺寸、U形肋间距、横隔板间距、钢顶板厚度及混凝土板厚度等主要构造参数进行研究，提出U形肋正交异性组合桥面板的合理构造尺寸，为今后设计提供了有益的参考。     

快速施工桥梁的研究进展

为减少传统桥梁施工存在的弊病,加快桥梁建设速度,降低桥梁后期维护费用,提高桥梁的施工质量和耐久性,首先分析了快速施工桥梁的必要性及其在中国的应用前景,阐述了快速施工桥梁的基本组成及构件划分、预制桥面板的主要型式及发展趋势、钢与混凝土桥面板间的连接方式、快速施工预制装配桥梁主梁的3种主要型式及材料组合、节段拼装式预应力混凝土箱梁的预应力体系及主要施工方法、中小跨径混凝土或钢-混组合梁桥的主要截面型式及连接构造,讨论了预制高性能混凝土桥面板、多梁式钢-混凝土组合梁群钉连接的桥梁用于中小跨径快速施工桥梁的优越性,并对近年来在中国大江及海湾桥梁工程应用的整体预制桥墩的特点进行了论述;同时,重点阐述了快速施工钢-混组合梁桥、预制节段拼装混凝土或钢-混组合箱梁桥、预制拼装预应力束体系、预制节段拼装式桥墩等相关的理论研究与进展,包括群钉抗剪性能、混凝土桥面板间接缝受力特性、组合梁复杂受力行为分析、多梁式荷载横向分布、体外预应力组合梁动力特性、组合梁疲劳耐久性等,指出了当前中国进行快速施工桥梁建造在设计研发、体系机制创新等方面的一些不足,分析制约该领域发展的关键因素,同时对发展中国桥梁工业化、信息化及快速施工技术进行了展望,指出对于梁高受限或桥梁较宽,跨径在25~50 m的数量占比均较多的城市桥梁或公路桥梁,包括北方受季节性影响较大的桥梁,开拓快速施工桥梁与市场潜力巨大,并给出一些值得进一步研究解决的热点问题,以期促进交通行业桥梁基础设施建设技术的进步和创新发展。