预制拼装钢-UHPC组合桥面板湿接缝抗弯性能研究

纵肋上置并形成PBL剪力连接件的钢-UHPC组合桥面板是一种新型桥面结构。该结构采用预制拼装施工,工厂预制钢-UHPC组合梁段,现场进行施工组装,相邻钢梁通过焊接形成一体,而相邻UHPC桥面板则通过现浇UHPC湿接缝连成一体,湿接缝是其薄弱部位。针对该新型结构其湿接缝相关研究较少的问题,该文以某实际工程为背景,完成钢-UHPC组合桥面板湿接缝足尺模型抗弯性能试验。建立Abaqus有限元模型,并采用试验结果校核有限元模型。在此基础上,进行了湿接缝截面模拟方式、钢面板厚度、UHPC层厚度和燕尾榫角度的有限元模型参数分析。对比美国土木工程师协会（ASCE）、《美国房屋建筑规范》（ACI）以及中国《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）关于构件的刚度计算公式,发现中国规范计算值更接近试验值。基于普通钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算公式,结合试验数据进行了参数修正,并用有限元模型结果进行了校核。结果表明：钢-UHPC组合桥面板湿接缝有着优异的延性和刚度;采用摩擦行为模拟湿接缝界面计算成本小且计算效果良好;增加钢板厚度或UHPC层厚度均能有效提高构件刚度和承载力;燕尾榫角度对构件的刚度和承载...     

钢-UHPC组合桥面板界面抗剪理论及设计方法

首先采用有限元方法对带倒T肋的两类钢-UHPC组合桥面板的层间剪应力进行计算分析,随后又提出了横向层间剪应力解析计算方法,并讨论了组合板的3种计算宽度取值方法,最后将层间剪应力解析值与有限元值进行对比.结果表明:① 对于带倒T肋的钢-UHPC组合桥面板来说,横向层间剪应力普遍比纵向大,横桥向层间剪应力控制UHPC层的抗...     

高性能组合桥面板中短栓钉疲劳性能的研究

为探寻高性能组合桥面板中短栓钉的疲劳性能和损伤演化及其评价方法,引入UHPC及短栓钉材料损伤模型的本构关系,利用ABAQUS软件选用显示求解算法对短栓钉抗剪疲劳推出试验进行有限元模拟,研究短栓钉的疲劳性能,并对其寿命进行评估;基于数值模型探究循环加载应力比和直径对短栓钉疲劳性能的影响。研究发现,基于多轴疲劳评估准则预测的短栓钉疲劳寿命与试验值基本吻合,验证了该准则的有效性及数值模型的正确性;UHPC结构层与短栓钉的损伤具有明显的局部特征及累积效应;应力比对短栓钉疲劳性能影响显著,增大循环加载应力比,可显著提高其疲劳寿命值;增大短栓钉直径对短栓钉疲劳性能的改善程度有限。     

钢-UHPC组合桥面板UHPC层受力性能研究

首先采用有限元方法对带U肋和带倒T肋的两类钢-UHPC组合桥面板的UHPC层纵、横桥向应力及层间剪应力3个力学指标对比分析,随后建立了UHPC层的横桥向简化计算模型,最后对UHPC层厚度和层间粘结状态进行参数分析.结果表明:① 两类钢-UHPC组合桥面板的UHPC层纵、横向应力及层间剪应力在数值大小、变化规律上均存在差...     

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...     

正交异性钢桥面板疲劳寿命设计优化研究

采用有限元计算方法,对某大桥钢桥面铺装在采用钢-UHPC超轻型组合梁优化前后的钢箱梁节段正交异性钢桥面板的主要连接接头进行了分析,研究了在轮轴荷载作用下主要疲劳裂纹的控制应力的分布特征及应力影响面,建立了较全面的荷载作用与应力效应的对应关系,并由此推算出实桥在设计疲劳荷载作用下的应力历程及相应的应力谱。针对设计疲劳寿命周期内的正交异性钢桥面板的各构造细节,根据Miner疲劳损伤累积理论计算出相应的疲劳累积损伤,并对其疲劳寿命进行评估。采用普通钢桥面铺装时,靠近顶板与U肋、U肋与横隔板连接处的主要疲劳裂纹,其疲劳累积损伤度在设计使用寿命周期内均大于1,存在较高的疲劳开裂风险。经钢-UHPC超轻量组合桥面板设计优化后,顶板与U肋连接处抗疲劳性能改善效果显著,在大桥设计寿命周期内可满足抗疲劳设计的使用要求;但设计优化对横隔板-U肋-顶板连接处的抗疲劳性能影响有限,在设计使用寿命周期内,疲劳裂纹C.5、C.6、C.6.1、C.7仍存在较高的开裂风险,需引起重视。     

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-UHPC组合桥面板剪力连接件抗疲劳性能分析

以某特大桥为依托,采用有限元方法计算了大桥钢箱梁节段模型中,正交异性钢-UHPC组合桥面板在轮轴荷载作用下其剪力连接件在横桥向间距由原设计的150 mm增加至300 mm时的应力分布特征及应力影响面;基于雨流法和Miner疲劳损伤累积理论,计算了组合桥面板剪力连接件在设计疲劳荷载下的等效应力幅与疲劳累积损伤度。结果表明,优化后的剪力连接件抗疲劳性能满足规范要求。在此基础上,研究了组合桥面板剪力连接件的直径、间距对其疲劳性能的影响,结果表明,栓钉剪力连接件的直径由13 mm增大到19 mm时,剪力连接件的应力幅值及抗疲劳性能基本保持不变;剪力连接件的横向间距由300 mm增加至600 mm,纵向间距由200 mm变为400 mm时,其应力幅值普遍有所增大,但依然满足在大桥设计寿命期内抗疲劳设计使用要求。     

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。     

UHPC-钢组合桥面板结构设计分析

以某全互通立交为工程背景,匝道曲线段采用钢-UHPC组合连续梁结构,通过MIDAS有限元仿真计算分析了UHPC-钢组合桥面板在车辆荷载作用下的受力性能,对比了不同加劲肋对组合桥面板第二体系应力的影响,得到了一些有价值的结论,可以为类似结构设计提供参考。     

正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能

横隔板弧形切口疲劳裂纹为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一,为研究该细节的疲劳抗力与裂纹处治技术开展了正交异性钢桥面足尺模型疲劳试验,对横隔板光滑弧形切口、含人工缺陷弧形切口、以及CFRP单面加固含人工缺陷弧形切口的疲劳性能进行了比较研究;结合有限元方法对横隔板光滑弧形切口疲劳评估方法进行了探讨.结果表明:打磨光滑的横...     

新型组合桥面板UHPC收缩效应足尺试验

针对钢-UHPC组合桥面板中UHPC的收缩效应,进行了3个不同钢-UHPC面积比的组合桥面板节段足尺试件和UHPC自由收缩试件的养护全过程应变及温度测试,分析了收缩应变发展规律及蒸养温度的影响。基于所得UHPC自由应变、组合桥面板UHPC约束应变和时变止效应方法,求解了养护过程的UHPC弹性模量和组合桥面板收缩应力。结果表明：(1)UHPC总自由收缩约为756×10^-6,蒸养的UHPC内部温度愈高,收缩完成愈快;以自收缩时间零点算起,-1 h开启蒸养,龄期5 h的UHPC内部温度达90℃以上,持续蒸养48 h,则龄期5、25、35 h时分别完成总收缩的52%、82%、91%以上,龄期12 d时收缩全部完成;(2)UHPC弹性模量、组合桥面板收缩应力与收缩应变的发展规律基本一致;(3)整个养护过程,钢-UHPC组合桥面板的UHPC收缩应力远小于其当时的轴心抗拉强度,不会产生收缩裂缝,与观测现象相一致;(4)钢-UHPC组合桥面板的UHPC上缘约束收缩拉应力值为2 MPa左右,与静载试验所得钢-UHPC组合桥面板负弯矩的开裂应力较轴心抗拉强度减少值基本一致;(5)基于...     

钢-UHPC 组合桥面板构造参数研究

以某高速公路跨航道大桥为背景工程,着眼于钢-UHPC组合桥面板参与第一体系受力的关键参数,采用有限元分析软件ANSYS建立全断面节段模型,重点对比钢板和UHPC板厚度的影响、不同加劲肋形式的影响、不同加劲肋间距的影响和箱室中部不同剪力钉间距的影响,为组合桥面板设计优化提供方向。     

配置纤维增强筋的钢-UHPC组合桥面板抗弯性能试验研究

为提升钢-UHPC组合桥面板的结构性能,考虑采用纤维增强筋替代UHPC中的钢筋。为研究配置纤维增强筋的钢-UHPC组合桥面板的弯曲抗裂性能,寻求合理的纤维增强筋,设计、制作4组钢-UHPC组合桥面板试件(抗裂筋分别采用钢筋、CFRP筋、GFRP筋和BFRP筋,每组2个),开展弯曲试验,以钢筋试件为参照,对比3类纤维增强筋试件的挠度、应变和裂缝发展规律。结果表明：各类试件的荷载～挠度曲线、荷载～应变曲线和荷载～最大裂缝宽度曲线的发展均与抗裂筋的力学性能密切相关;抗裂筋的弹性模量决定了钢-UHPC组合桥面板试件的抗弯刚度和裂缝控制能力,CFRP筋具有与钢筋相当的弹性模量,故其抗弯刚度大、裂缝控制能力强,而GFRP筋和BFRP筋弹性模量显著小于钢筋,故其裂缝控制能力较差;抗裂筋的抗拉强度决定了钢-UHPC组合桥面板试件的抗弯承载力,3类纤维增强筋的抗拉强度均高于钢筋,故其极限承载力均高于钢筋试件。为确保钢-UHPC组合桥面板的抗裂性能,建议必要时采用CFRP筋替代钢筋。     

基于PBL-栓钉组合剪力键的钢-UHPC组合桁式拱桥节点拉拔性能研究

为研究概念设计的1000 m钢-UHPC组合桁式拱桥新结构中拱肋-腹杆节点构造形式、UHPC强度对节点拉拔性能的影响,及新型PBL-栓钉组合剪力键应用于拱肋-腹杆节点的有效性,设计制作缩尺比为1∶5的4种采用不同剪力键形式(1对PBL剪力键+2排栓钉、2对PBL剪力键+3排栓钉、2对PBL剪力键、3排栓钉)的拱肋-腹杆...     

佛陈大桥正交异性钢桥面板疲劳问题分析与对策措施

结合佛陈大桥主桥大跨度钢箱连续梁设计情况,对正交异性钢桥面板疲劳问题进行分析,提出了优化结构设计及采用超高韧性混凝土桥面铺装来改善疲劳的对策措施,并以足尺试验验证改善效果。     

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。     

正交异性钢桥面板足尺疲劳试验

以某大跨径斜拉桥采用的正交异性钢桥面板为工程背景,进行钢桥面板疲劳性能试验研究,足尺疲劳试验循环次数累积达到1 020万次.试验结果表明:加劲肋与盖板连接部位出现了纵向疲劳裂纹;加劲肋与横隔板连接的焊缝端部出现了在焊趾处萌生并沿加劲肋腹板扩展的疲劳裂纹;受焊接残余应力影响,处于疲劳荷载压应力区的腹板与横隔板连接焊缝端部也萌生了疲劳裂纹;横隔板挖孔部位无疲劳裂纹;若以测点应力发生变化为疲劳失效判据,则加劲肋与横隔板连接端部的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的63类细节等级,加劲肋与盖板连接的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的71类细节等级;若以出现疲劳裂纹为疲劳失效判据,则其疲劳细节高于AASHTO规范中D类和Eurocode的80类细节等级.     

钢板-混凝土空心组合桥面板疲劳性能试验

对7块钢板-轻骨料混凝土空心组合桥面板和2块钢板-普通混凝土空心组合桥面板进行了疲劳试验研究,主要考察了疲劳荷载作用下组合板中钢管的布置形式、疲劳荷载幅值、疲劳荷载上下限、疲劳加载次数及混凝土材料特性5个关键因素对空心组合桥面板疲劳破坏形态、疲劳刚度退化、疲劳动力响应及疲劳强度等疲劳性能的影响。结果表明:2种钢管布置形式的空心组合桥面板的疲劳破坏形态都是底部钢板发生疲劳断裂导致整体失效破坏;组合桥面板疲劳循坏加载次数主要由疲劳荷载幅值控制,与疲劳荷载上限关系不明显;钢板-普通混凝土组合桥面板疲劳性能优于钢板-轻骨料混凝土组合桥面板;组合桥面板疲劳破坏主要是由于底部钢板疲劳断裂破坏所致,在组合桥面板中未发现组合桥面板组合作用的明显疲劳破坏现象;组合桥面板疲劳寿命计算主要为底部钢板疲劳强度计算,可以采用基于疲劳荷载幅值方法所建立的钢结构疲劳寿命理论进行计算。     

预制钢-混组合桥面板组装式连接静力及疲劳性能试验

桥梁建造由装配化向组装化的转换是未来桥梁工程发展的方向,钢-混组合桥梁是一种与工业化、组装化高度契合的结构形式;活性粉末混凝土等超高性能水泥基材料的应用为钢-混组合结构桥梁的轻型化和组装化提供了新的契机与挑战。提出基于高弹模和高韧性混凝土-粗骨料活性粉末混凝土的预制桥面板及板间组装式连接结构（CSL）,从而减轻结构自重、改善预制桥面板间的连接性能,实现桥梁结构的组装化作业,提升桥梁的建造质量和速度。通过四点弯曲试验考察预制粗骨料活性粉末混凝土桥面板及其干式连接结构的结构行为,分析加载全过程挠度的发展特点,探明极限承载能力及疲劳性能。静力试验结果表明：通过CSL连接而成的桥面板具有优异的变形能力和弯曲韧性,破坏均发生在粗骨料活性粉末混凝土板内,CSL的抗弯极限承载力高于粗骨料活性粉末混凝土桥面板;CSL的钢混连接面处弯曲初裂应力值不小于9.0 MPa,接近粗骨料活性粉末混凝土的弯曲初裂应力,并具有良好的裂缝约束能力。疲劳试验结果表明：CSL中的钢结构应力幅较小,经过800万次疲劳加载后,CSL连接桥面板未发生疲劳破坏,桥面板间连接焊缝应力幅仅26.8 MPa,不会出现疲劳破坏;CSL中的预加力对连接结构的静动力性能具有重要影响。