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。     

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。     

采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装受力性能研究

为解决现有钢桥面铺装因大面积现浇超高性能混凝土(UHPC)产生收缩开裂,需密集配筋,施工现场需要大量蒸养设备等问题,提出了一种采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装。通过钢-预制UHPC板界面、钢-现浇UHPC板界面和预制-现浇UHPC界面局部模型试验,揭示了采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装各关键界面黏结性能;通过节段足尺模型试验与有限元分析,明确了车辆荷载下采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装的荷载效应。研究结果表明：钢-预制UHPC板界面受拉和受剪破坏均发生于粘胶层与预制UHPC板结合面,法向抗拉和切向抗剪承载力可保守地取5.2 MPa和8.7 MPa;栓钉间距在150~320 mm之间时,栓钉加密对钢-现浇UHPC板界面抗剪承载力影响较小,可根据中国规范进行现浇UHPC板中栓钉承载力的计算,抗剪刚度可保守的取110.0 kN·mm^-1;界面凿毛处理和湿接缝采用蒸汽养护,可使预制-现浇UHPC接缝的抗剪强度分别提升23%和20%,预制-现浇UHPC接缝抗剪强度可保守地取2.4 MPa;在3倍车辆设计荷载作用下,UHPC板以及钢-UHPC板界面的应力均小于容许应力。提出的采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装方案可行。     

UHPC-NC组合结构抗弯性能试验及有限元分析

提出了一种超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC-NC)组合结构,以解决传统中小跨径桥梁的不足。①为了研究所提出的UHPC-NC组合梁抗弯性能,设计了一根1∶2的缩尺模型,并进行了试验研究和有限元分析,结果表明试验模型的名义初裂应力为23. 4 MPa,承载能力极限状态的名义应力为62. 9 MPa,能够满足工程正常使用极限状态和承载能力极限状态下的抗弯承载力要求。②建立了试验梁的ABAQUS有限元模型,计算结果与试验结果吻合较好,表明所建立的有限元模型具有一定的准确性和适用性。③通过有限元模型分析了纵向主筋配筋率、UHPC抗拉、压强度及现浇桥面板强度等级对组合梁抗弯性能的影响。结果表明提高主梁配筋率、UHPC抗拉强度能够显著提高组合梁的极限承载能力,而UHPC抗压强度和现浇桥面板的强度等级对组合梁的极限承载能力影响不大。     

大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板力学性能研究

为明确大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板的力学性能，进行免蒸养UHPC材料力学性能试验、构件静力模型试验与疲劳模型试验，分析其材料基本力学性能、剪力钉抗剪性能、组合桥面板抗弯性能及疲劳性能。结果表明：免蒸养UHPC材料的弹性模量略高于高温蒸养UHPC材料，其他力学性能指标相较于高温蒸养UHPC材料均有不同程度的降低；免蒸养UHPC中剪力钉的破坏模式表现为剪力钉根部剪断并伴有焊环局部UHPC压溃，组合桥面板名义开裂应力为13.7 MPa,满足结构抗裂性要求；组合桥面板的疲劳破坏模式表现为UHPC结构层开裂，继而纵肋与横隔板连接焊缝焊趾处疲劳开裂，组合桥面板的疲劳寿命最终由焊接细节的疲劳强度所控制；纵肋与横隔板连接焊缝的等效疲劳强度为157 MPa,满足现行规范要求。     

UHPC-T形梁斜截面抗裂性能试验

为研究UHPC梁的斜截面抗裂性能并提出合理的评价指标和设计建议，以期能充分利用UHPC超高的抗拉性能及优秀的裂缝控制能力，设计了5片预应力UHPC-T形梁，并完成其静力加载模型试验，试验参数为剪跨比、箍筋和钢纤维含量，获得了开裂荷载、裂缝分布和应变等关键试验结果。试验结果表明：当剪跨比增加时，开裂荷载会减小，斜裂缝宽度的发展速度却加快；箍筋对开裂荷载影响较小，但能抑制斜裂缝的发展；钢纤维含量的增加会提高开裂荷载和减缓斜裂缝的发展速度。根据材料力学公式推导出斜截面开裂剪力计算公式，进一步采用极限平衡法建立正常使用阶段斜裂缝宽度的计算方法，计算值与试验值吻合良好且偏于安全。通过计算实测开裂剪力作用下斜截面的主拉应力可知：开裂时斜截面的主拉应力会超过UHPC的抗拉强度，不仅体现了UHPC的应变硬化特性，还反映了UHPC梁良好的斜截面抗裂性能。对比各国规范的斜截面抗裂设计规定，中国规范建议稿的容许应力值较为保守。基于开裂时的主拉应力水平和各国规范规定，建议放宽整体预应力UHPC梁的主拉应力限值，取为60%的弹性极限抗拉强度并考虑纤维分布的不均匀性。对于允许开裂的UHPC梁，应验算正常使用阶段的...     

波形钢腹板箱梁体外预应力隔板式转向结构试验研究

为了解大跨波形钢腹板箱梁体外预应力横隔板式转向结构的受力性能,以港珠澳大桥连接线工程前山河特大桥主桥[(90+160+90)m波形钢腹板连续箱梁桥]为依托,采用现场试验与有限元分析相结合的方法,研究转向结构的受力特点、应力分布及易开裂区域,并提出设计构造建议。结果表明:横隔板式转向结构的竖向受力主要为转向器上部区域受压、下部区域受拉;横隔板式转向结构配筋受拉计算时应考虑1.25倍的体外预应力相互影响系数;转向装置对横隔板的局部影响集中在转向孔道直径的1倍范围内;混凝土抗拉面积应按1倍转向孔道尺寸计算,转向孔道水平间距应不小于2倍转向孔道直径;在孔道附近设置环向钢筋、增加横隔板与箱梁底板连接部位的宽度可降低局部拉应力。     

斜拉桥双边工字钢-UHPC桥面板组合梁静力性能研究

针对斜拉桥传统钢-混组合梁的不足,提出双边工字钢-UHPC桥面板组合梁。以湖南马路口资水大桥为依托,分别采用有限元软件MIDAS和ANSYS建立全桥模型和主梁节段模型,分析组合梁的受力性能,制作UHPC桥面板模型试件进行弯曲试验,研究UHPC桥面板的受力性能。结果表明:荷载组合作用下,钢主纵梁、钢横梁的最大正应力分别为223 MPa、197MPa,最大剪应力分别为145MPa、65MPa,小于钢材强度设计值;顺桥向、横桥向弯曲构件破坏时的名义拉应力分别为63.2MPa、34.5MPa,初裂应力分别为23.2MPa、10.4MPa,UHPC桥面板的抗弯承载能力满足要求,且具有良好的抗裂性能。     

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。     

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。     

钢与预应力混凝土后结合法组合梁的受力特性研究

为了明确大跨度后结合预应力组合梁桥的受力性能,以一主跨70 m的预应力组合梁桥为例,采用空间有限元模型详细模拟了组合梁的施工过程,计算从施工到成桥初期及长期运营情况下组合梁的受力情况。计算结果表明：中支点钢梁上翼缘和底板在施工阶段的最大应力分别为118 MPa和-133 MPa,后结合法和顶升/回落法在中支点混凝土桥面板内产生7.33～10.33 MPa的预压应力储备;中支点钢梁上翼缘和底板在短期运营阶段的最大应力分别增长了22 MPa和13 MPa,而中支点混凝土桥面板在曲线外侧的边缘只剩下3.33 MPa的预压应力储备,满足全预应力状态的要求;在第10年的长期运营阶段,中支点钢梁上翼缘和主跨跨中钢底板的最大拉应力分别减少17%和35%,中支点钢底板和主跨跨中钢梁上翼缘的最大压应力分别增加10%和42%。收缩徐变在长期运营阶段降低负弯矩区混凝土桥面板的预压应力储备,负弯矩区混凝土桥面板在运营第2年由全预应力构件变成A类部分预应力构件,在运营第13年变成B类部分预应力构件。     

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。     

800m级钢-UHPC组合桁式拱桥概念设计与可行性研究

提出了一种特大跨径钢-UHPC组合桁式拱桥新体系。新体系拱桥用UHPC箱型拱肋承受巨大的轴力,采用钢腹杆钢横联规避开裂的风险;相比传统混凝土拱桥,新体系拱桥自重大幅度降低;相比钢拱桥,其不存在厚板焊接困难的问题;采用斜拉扣挂分多次悬臂合龙施工法,扣索只需承受单次合龙的主拱自重并多次循环利用,施工临时措施费用大大降低,因而具有良好的经济性。通过对跨径800m的钢-UHPC组合桁式拱桥的试设计,结果表明:主拱分3次合龙时,斜拉扣挂只需承担36%的主拱自重,拱肋最大压应力为64.9 MPa,无拉应力,各施工阶段的稳定性、应力、刚度等均满足要求。平均每平米桥面主拱圈材料用量指标为:钢材380kg,UHPC 0.61m3,自重2.03t。对比研究表明新型钢-UHPC组合桁式拱桥具有显著的技术经济优势,可适用于500~1 000m级跨径的拱桥。     

先斜拉后悬索组合梁自锚式悬索桥桥面板浇筑方案研究

以一拟建钢-UHPC组合梁自锚式悬索桥为工程背景，建立全桥空间有限元杆系结构模型，研究了在“先斜拉后悬索”的施工过程中，UHPC桥面板浇筑阶段、UHPC桥面板的分段浇筑方案对加劲梁受力性能的影响。研究结果表明：UHPC桥面板在临时斜拉桥成桥后浇筑，在最终成桥状态下桥面板和钢梁的受力性能均优于在吊杆张拉完成后浇筑和在斜拉-悬索体系转换完成后浇筑；在临时斜拉桥成桥后浇筑UHPC桥面板，先浇筑斜拉索区梁段后浇筑中支点附近梁段，在最终成桥状态下中跨桥面板和钢梁的受力性能均优于先浇筑中支点附近梁段后浇筑斜拉索区梁段。     

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。     

大跨钢桁拱钢-混组合桥面板极限承载力试验

为评估钢一混组合桥面板结构在公路荷栽作用下的极限承载力,对其进行极限承载力性能试验研究。根据圣维南原理,选取正负双向弯矩受力的立柱区部分桥面板作为实桥的有限元分析模型,并试验制作了2个等尺模型试件A和B,用于考察钢一混组合桥面板正负双向弯矩区的极限承载力性能。试验结果表明：模型A混凝土板被拉坏,工．字钢上下翼缘板、腹板以及纵向钢筋始终未屈服,PBL、钢底板以及横向钢筋均在破坏之前屈服,模型A的破坏荷载为1750kN;模型B混凝土板被压坏,PBL在破坏之前屈服,模型B的破坏荷载为2200kN。研究结果可为钢一混组合桥面板极限承栽能力设计计算提供参考。     

预制超高性能混凝土π形梁桥的设计与初步试验

为解决传统混凝土简支梁桥接缝多、易开裂、耐久性低等问题,提出一种新型预制超高性能混凝土（UHPC）π形梁桥结构。研究了超高性能混凝土π形梁桥的主梁形式,并与相同30 m跨径传统混凝土T形梁桥进行了对比,结果表明其自重仅为传统混凝土T形梁桥的47%。参考材料试验结果,取设计用UHPC受压本构关系为线弹性,受拉本构关系为理想弹塑性,并根据法国超高性能纤维配筋混凝土（UHPFRC）结构规范对π形梁进行承载能力极限状态及正常使用极限状态下的配筋设计。为探究超高性能混凝土π形梁的抗剪及抗弯性能,对2根1：2截面缩尺梁模型进行试验研究及非线性有限元分析。结果表明：超高性能混凝土π形梁桥的初裂应力及承载能力均满足工程要求;纵向配筋率的提高能够显著提高梁底纵向开裂应变,限制裂缝开展;按法国规范计算相应荷载下的裂缝宽度值大于试验测量值,理论计算偏安全;试验值与模拟值吻合较好,验证了ABAQUS损伤塑性模型中所取材料参数的准确性和适用性;受拉塑性参数中的极限拉应力对于模拟结果影响较大,需根据试验获得准确数值。     

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。