型钢-UHPC轻型组合桥面板及其抗弯性能研究

正交异性钢桥面是目前800m以上国内外特大跨径钢桥的唯一选择,主因是自重轻、强度高、架设方便。但其存在疲劳开裂风险大、运维成本高的缺点。随着高性能材料UHPC的研发和应用,为构建自重轻、病害少、经济性好的桥面新结构提供了可能性。经过多年研究,作者提出一种新型桥面板结构——型钢-UHPC轻型组合桥面结构,将型钢、钢板条与UHPC组合,桥面板的形成无任何板件焊接,因而具有高抗疲劳性,且与传统钢桥面相比,自重持平、造价减半,可作为除“正交异性钢桥面”外的“第二种”大跨径钢桥的桥面结构方案。该文研究这种轻型组合桥面板预制板及横向接缝的抗弯性能,制作4个条带模型(包括2个预制板试件和2个接缝试件),开展三点弯曲的横向接缝负弯矩试验和预制板正弯矩试验,并对试验结果进行分析;基于“条带法”建立预制板试件极限承载力计算模型,提出接缝试件的UHPC开裂名义拉应力计算方法;基于某斜拉桥应用实例,进行整体计算和局部计算,验证新型组合桥面结构在实桥上应用的可行性。研究结果表明:(1)型钢与UHPC间在极限状态前相对滑移非常小,具有良好的协同受力性能;(2)预制板试件的正弯矩极限承载力以型钢屈服控制,而接缝试件负弯矩极限承载力以UHPC开裂和加密钢筋断裂控制;(3)接缝试件的“T形”接缝、加密钢筋、燕尾形的企口、交错式切割型钢钢条等构造设计对接缝整体抗弯拉性能有很好的提高效果;(4)预制板试件极限承载力计算模型所得计算值与试验值吻合良好,该模型搭配名义拉应力计算方法,可帮助工程实际问题的设计与应用;(5)试验结果与实桥的有限元计算值相比,新型桥面结构均有1.3倍以上的安全系数,新型组合桥面应用于实桥具有可行性。

UHPC加固空心板梁现场足尺抗弯试验研究

为分析UHPC加固受损空心板梁的抗弯性能,设计制作了2片空心板梁以开展现场足尺抗弯试验研究.基于现场试验结果对比分析了未加固和加固空心板梁的破坏模式和荷载-跨中位移曲线.试验结果表明UHPC加固层可以有效改善受损空心板梁的破坏模式,并且加固空心板梁呈现出更好的抗弯和变形能力.与未加固空心板梁相比,加固空心板梁的开裂和极限荷载均得到明显提升,提升幅度分别达到11.5%和23.8%.此外讨论了UHPC层的加固机理,同时推导了加固空心板梁的抗弯极限承载能力公式,并将理论值与试验值进行对比.结果表明抗弯承载能力计算值和试验值的最大误差仅为1.1%,证明了理论公式的准确性.

Fe-SMA主动加固钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹实桥应用研究

为确定铁基形状记忆合金(Fe-SMA)主动加固正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳裂纹的可行性,以某在役钢箱梁斜拉桥为背景进行实桥加固研究。根据现场横隔板弧形切口的开裂特征,在对裂纹钻孔止裂的基础上,提出利用Fe-SMA材料对横隔板弧形切口裂纹进行粘贴加固的方案,并进行加固施工。通过现场测试得到Fe-SMA板条热激活过程的应变和温度变化,分析Fe-SMA板条和钢板之间的相互作用及加固机理。结果表明:粘贴Fe-SMA板利用Fe-SMA热驱动形状记忆效应可有效便捷地为结构施加预压应力,实现对受损部位的主动加固;经过Fe-SMA联合止裂孔修复后,热驱动作用下的Fe-SMA可以产生200~240 MPa的预拉应力,并在钢板止裂孔边缘施加43~90 MPa的压应力,可有效阻止裂纹进一步扩展;加固体系在加热激活过程完好可靠,当控制一侧加热区域中部温度为200℃时,热传导作用下非加热区域中部的温度为60℃以下,而背面总体温度基本在90℃以下。

钢-混凝土组合简支桥面连续结构横向应力分析

针对钢-混组合简支梁桥的桥面连续结构开裂等病害,围绕桥面连接板的横桥向应力问题,采用线弹性理论和板的偏微分方程进行分析,得出了桥面连接板挠度和应力的分布函数,建立非线性有限元模型,并进行实桥荷载试验.通过比较理论解、有限元解和实测试验结果,证实了理论解和有限元的有效性.根据得到的分布函数,发现横桥向和纵桥向上的最大拉应力出现在钢梁端部位置的连接板的上缘.此外,还分析了连接板区域尺寸变化对横桥向应力峰值的影响,包括纵梁端部距支座的长度、纵梁的间距以及连接板区域整体尺寸变化.结果表明:较小的纵梁间距和较长的纵梁端部与支撑之间的距离会导致连接板中的横向拉应力峰值增加,并提高横向拉应力在总应力中的占比,从而导致桥面连接板早于设计荷载开裂.因此对于纵梁间距较小、梁端长度较长的钢-混组合简支梁桥桥面连续结构,仅计算其纵桥向受力性能会导致计算结果偏危险,建议按照本文方法考虑横桥向应力对桥面连接板的影响.

日本UFC桥面板和UFC组合桥面板的研发与应用

日本较早期建设的城市高速公路桥梁中主要采用钢桥面板和混凝土桥面板。针对钢桥面板的焊缝疲劳开裂和混凝土桥面板的老化现象,研发了超高强度纤维增强混凝土桥面板(UFC桥面板)及UFC组合桥面板,具有高强度、高耐久性。UFC桥面板分为平板型和方格肋型2种类型,可应用于既有公路桥梁的桥面板更换以及新建公路桥梁的桥面板。UFC组合桥面板为在预制PC桥面板顶面设UFC层作为防水层,可省去预制PC桥面板防水层施工,提高施工效率。UFC桥面板和UFC组合桥面板在预制场预制、现场安装,施工便捷,已实际应用在阪神高速公路15号堺线玉出匝道桥桥面板更换工程、阪神高速公路1号环线信浓桥匝道桥新建桥梁工程、东北高速公路宫城白石川桥上行线既有桥面板更换等工程上,可提高桥梁结构的耐久性、减少桥梁养护工作量、降低养护成本。

波形钢-UHPC组合桥面板中栓钉-PBL连接件抗剪性能数值模拟研究

针对波形顶板-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)新型组合桥面板结构,提出在波形钢板波峰处布置短栓钉,波谷处布置开孔板(Perfobond Leiste,PBL),形成栓钉-PBL组合连接件协同抗剪。为探究该组合连接件的抗剪力学性能,建立组合连接件推出试验及梁式试验的有限元模型,并基于现有试验对模型的正确性进行验证。在此基础上,讨论了栓钉直径、PBL孔径、栓钉抗拉强度和UHPC抗压强度等设计参数对组合连接件抗剪性能的影响规律。通过分析组合连接件在推出试验全过程中的剪力分配规律,揭示了波形顶板-UHPC组合结构中栓钉与PBL剪力连接件的协同工作机理及破坏机理,并基于此提出组合连接件的设计理论和抗剪承载力计算方法。研究结果表明:组合连接件受到的剪力由栓钉和PBL共同承担,增加短栓钉直径、PBL孔径和UHPC强度均可有效提高组合连接件抗剪承载力;栓钉与无贯穿钢筋的PBL连接件抗剪承载力相近时,后者在加载初期承担的荷载较大,并会早于栓钉发生破坏;二者抗剪承载力之比在1.5左右时,大致同时进入破坏阶段,组合效果最佳;提出的栓钉-PBL组合连接件抗剪承载力计算公式的计算结果与有限元及试验结果吻合度较高;抗剪连接程度相同时,采用组合连接件的桥面板受力性能最佳,钢板与UHPC层之间的相对滑移和间隙均最小。

基于深度学习的正交异性钢桥面板疲劳裂纹智能识别方法研究

为提高正交异性钢桥面板疲劳裂纹的识别效果,基于深度学习方法,进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹识别方法研究。制作疲劳裂纹试件,通过室内检测采集检测结果图像建立数据集,结合图像预处理改进数据集中图像;基于单一回归目标检测(You Only Look Once,YOLO)系列中的YOLOv5s图像识别算法,引入轻量级卷积注意力机制(Convolutional Block Attention Module,CBAM),建立疲劳裂纹超声相控阵检测图像的智能识别方法;将该方法应用于超声波相控阵检测结果判读。结果表明:结合限制性对比度直方图均衡(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)算法与自适应中值滤波的图片预处理方法较为适合超声相控阵检测图像的图片预处理;通过引入CBAM改进图像识别算法,图像识别的精确度相较改进前提升1.28%,达到98.74%;建立的YOLOv5s-CBAM图像识别算法能够准确地框选疲劳裂纹区域,对四类常见疲劳裂纹类型的识别置信度达到0.91,对其它裂纹类型的识别置信度达到0.85,在室内环境下能够满足疲劳裂纹的智能检测需求。

带波形钢板的UHPC免模板湿接缝抗弯模型试验研究

针对预制装配式桥梁中桥面板湿接缝处的受力特点和现有接缝构造形式,提出一种以预埋波形钢板为底模的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)免模板湿接缝构造形式,解决接缝现场支模问题。为研究新型接缝的力学性能,设计了5片试验梁,以钢纤维含量为试验参数,开展四点弯曲全过程抗弯性能试验。结果表明:各试验梁主裂缝均位于预制段,发生弯曲破坏,接缝段未产生较大破坏;提高钢纤维含量可以增强UHPC-NC(Normal Concrete)界面黏结,提升接缝的抗裂性能,但对结构的抗弯承载力影响较小;钢纤维含量为1.0%的免模板接缝梁抗裂性能仅次于UHPC整体梁,同时具有结构简单、施工简化、造价经济等优点,说明该接缝构造形式运用于实际工程中是可行和可靠的;UHPC钢纤维含量建议取1.0%。

平钢板-UHPC组合桥面板纵向抗负弯性能试验研究

某大桥次边跨及中跨主梁为钢-UHPC组合梁,钢-UHPC组合梁的桥面板首次采用一种通过PBL剪力键将8 mm平钢板与15 cm的UHPC层连接起来的新型组合桥面体系。为了探究该桥新型钢-UHPC组合桥面板抗负弯矩性能与安全性,完成了2块足尺模型的静力性能试验,进行了桥梁整体受力和桥面板局部受力计算,以及桥面板抗负弯矩极限承载力构成分析。结果表明:UHPC名义开裂强度达8.90 MPa以上,其值远大于实桥荷载作用下UHPC层上缘的纵桥向最大拉应力,组合桥面板负弯矩抗裂性能良好,能满足工程需求;组合桥面板抗负弯承载力的计算,UHPC受拉本构宜采用三折线模型,抗负弯承载力简化计算的UHPC受拉区等效均布应力折减系数可取0.76,抗负弯承载力状态的受压钢板受力仍处于线弹性阶段,抗负弯破坏模式与抗正弯明显不同,为受拉钢筋拉断;PBL剪力键能保证了钢板与UHPC板整体共同受力;组合桥面板在负弯矩作用下的延性良好,裂宽增长缓慢,UHPC的名义极限强度达名义开裂强度的4.1倍以上,到达极限荷载后,组合板承载力没有明显下降。

钢-UHPC组合桥面板横向负弯矩区受弯性能研究

为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明:开孔板(perfobond leiste,PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16%~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明:PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。

考虑黏结-滑移效应的UHPC梁钢筋应力计算方法

为建立适用于配筋超高性能混凝土(UHPC)梁的钢筋应力计算方法,对6片UHPC-T形截面梁开展四点弯曲试验,研究钢筋应力的变化规律.从钢筋-UHPC受力平衡与变形协调机理出发,应用微元体建立平衡、变形以及黏结-滑移微分方程,导出能综合反映钢筋与UHPC界面黏结-滑移影响及钢纤维抗拉贡献的钢筋应力计算公式,并通过简化应变不均匀系数与裂缝截面钢筋应力计算,提出便于工程应用的钢筋应力简化公式.研究表明:单位荷载下钢筋应力的增幅随配筋率的提高而减小,而与钢纤维体积率的变化无关;与普通混凝土梁相比,UHPC梁的钢筋应力在开裂截面处偏小,但其分布在相邻裂缝间的不均匀程度更高;钢筋应力建议公式计算值与本文、既有文献的试验值均吻合良好;钢筋应力简化公式计算值与试验值之比的均值为1.03,变异系数为0.06,表明该简化式可用于UHPC梁的钢筋应力计算.

大跨斜拉桥节段预制钢-UHPC组合桥面结构受力性能研究

为充分利用UHPC的超高抗压、抗拉强度,促进斜拉桥主梁结构轻量化,提出一种适用于大跨斜拉桥、UHPC层参与主梁体系恒载受力的节段预制正交异性钢-UHPC组合桥面结构,该结构通过低型面槽口型开孔板(PBL)剪力键群实现钢-UHPC界面剪力连接。以丹江口水库特大桥为背景,通过有限元法对提出的组合桥面结构在全桥和主梁节段中的静力性能及其影响因素进行分析,并评估所提出的钢-UHPC界面剪力连接构造的抗剪安全性。结果表明:节段预制正交异性钢-UHPC组合桥面结构由UHPC层受拉、正交异性钢桥面板受压控制设计,UHPC层作为主体结构的一部分,可有效降低正交异性钢桥面板在第一体系中的应力水平;就降低UHPC层受拉、正交异性钢桥面板受压应力水平而言,适当加厚UHPC层和U肋、设置次横隔板,比加厚钢面板和横隔板更为有效;运营阶段作用效应标准组合下,UHPC层和正交异性钢桥面板最大应力可达到相应应力限值的68%~98%和38%~86%,其既满足相关设计要求,又能取得较好的材料性能利用率;低型面槽口型PBL剪力键群的横、纵向抗剪安全系数分别达到了12.3和4.0,所提出的钢-UHPC界面剪力连接构造的抗剪性能满足设计要求。

UHPC箱梁桥面体系主要设计参数优化及试验研究

为获取UHPC箱梁桥面体系主要设计参数的合理取值范围,以某单跨跨径102 m的UHPC简支箱梁桥为背景,通过单参数影响效应分析和ANSYS优化设计模块分析对桥面板厚度h_(1)、上弦板高度h_(2)、上弦板厚度b及上弦板间距L的合理取值进行优化设计,并对优化后的UHPC箱梁桥面体系开展1∶2缩尺模型试验和有限元模拟,最后对UHPC箱梁桥面体系抗裂性能参数(上弦板受拉钢筋直径和上弦板高度)进行分析。结果表明:h_(1)、h_(2)、b和L合理取值范围分别为UHPC单箱室顶板(不含翼缘)横向跨度的1/40~1/35、1/10~1/8、1/37~1/31和1/2.8~1/1.4,对于背景工程h_(1)、h_(2)、b应分别不小于14、55、15 cm,L应不大于4 m;ANSYS优化结果与力学特性指标优化结果参数取值较为接近,优化后背景工程全桥UHPC体积减少约11.0%;试验梁上弦板发生面内受弯破坏,为UHPC箱梁桥面体系最不利受力部件;试验梁开裂应力值是正常使用极限状态设计值的2.14倍,具有较高安全储备,优化方案能满足工程应用要求;增大上弦板受拉钢筋直径及上弦板高度整体上可有效提高UHPC箱梁桥面体系的抗裂性能。

真实侵蚀路径下焊钉锈蚀过程及承载能力演化特性

通过6个焊钉连接件的氯盐侵蚀退化试验及推出试验,探究钢板组合梁焊钉连接件锈蚀后的静力性能。模拟桥面除冰盐环境下“环境―混凝土―钉头”氯盐侵蚀路径,试验完成后焊钉三维扫描重建结果表明,焊钉钉头部位锈蚀最严重,钉身部位锈蚀相对较轻。基于焊钉三维扫描重建的有限元模拟和试验结果揭示,在“环境―混凝土―钉头”侵蚀路径下,随着焊钉锈蚀程度的加深,连接件的承载性能、极限滑移和整体刚度均逐渐降低。根据试验结果拟合得到了考虑焊钉钉头和钉身锈蚀率的连接件抗剪承载力修正公式及连接件荷载-滑移曲线计算公式。从公式可以看出,相较于钉头部位,钉身部位的锈蚀更易引起连接件抗剪性能的降低。

疲劳裂纹气动冲击的维修机理及效果

为探明气动冲击技术对钢桥面板疲劳裂纹的维修机理及修复效果,首先基于动力学理论,研究气动冲击过程中靶材的塑性变形规律,分析在塑性变形作用下的裂纹表面闭合过程;随后,采用数值模拟,探讨裂纹表面闭合部位的局部应力场及其在受载作用下的应力响应和变形规律;最后,通过疲劳试验对气动冲击的维修效果进行对比验证.结果表明:所提出的数学模型可对冲击深度进行预测,气动冲击过程中材料表面将产生显著的塑性变形,其冲击深度与横向变形近似相等;当裂纹断面横向相对变形量大于裂纹宽度时,会产生接触闭合及相互挤压行为,从而在接触闭合部位形成局部压应力区;该压应力能够一定程度上抵抗外荷载对裂纹表面的张拉作用,降低裂纹尖端应力强度因子,从而延缓或阻碍疲劳裂纹扩展.

钢箱拱桥斜拉扣挂施工法拆索工序研究

斜拉扣挂体系钢箱拱桥拱肋合龙后需进行拆索工作,拆索时桥梁各构件均会产生应力变化从而影响结构安全性。为探究钢箱拱桥合理的拆索顺序及拆索时可能出现的极限不对称状态,以车田江大桥为实际工程背景,建立有限元模型,分别模拟四种拆索方案对拱肋应力及位移的影响。发现当从拱顶向拱脚依次拆索时,扣索索力的增幅最小;相反,若从拱脚向拱顶依次拆索,则会导致拱肋的竖向位移和应力极值达到最大。因此,从拱顶向拱脚依次拆索的方案最符合实际施工需求。采用Midas/Civil软件对几种极限不对称拆索状态进行模拟,结果表明:扣索、背索的拆除应尽量同步进行,以确保结构稳定。同时,两岸的拆索进度差异以及左右两幅的拆索进度差异都应控制在1束索以内,以减小对桥梁结构的不利影响。

纵横梁耦合连续体系在城市立交桥分合流位置处的应用分析

城市立交桥在分合流位置常通过采用异形钢结构桥梁,并设置伸缩缝的形式适应桥面宽度的改变。但对于日益增多的城市立交桥改扩建工程,分合流位置有时需要设置大型门架横梁跨越地下管网或构筑物,此时在该处设置伸缩缝会因主梁与横梁高度的叠加,导致结构高度过大。为研究该情况下的桥梁结构选型问题,提出在分合流位置采用纵横梁耦合的连续体系方案,借助有限元计算方法,对该类桥型的结构可行性进行分析,并讨论了支座横向偏心、门架横梁弯曲刚度对内力状态、整体刚度及支反力的影响,以期探明该类桥型的受力特点及关键力学参数。结果表明:恒载状态下的支反力均匀程度可作为控制性指标,检验该类桥型的受力合理性;适当增大门架横梁的弯曲刚度,可有效控制结构的竖向及扭转变形。

开口肋正交异性钢桥面系多尺度力学模拟分析研究

正交异性钢桥面构造复杂,局部疲劳应力与纵肋的构造形式、铺装层结构密切关联。为深入研究开口肋正交异性钢桥面板与铺装结构体系力学性能特征,采用有限元软件ABAQUS建立桥梁节段模型,模拟不同构造、荷位、铺装厚度以及材料模量等参数,分析L肋+小横肋钢桥面系应力分布的影响。结果表明:1)L肋+小横肋相较闭口肋,其铺装拉应变降低10%,钢板应力和竖向变形降低了约50%,开口肋最不利纵向位置为跨中小横肋处,横向位置为钢板焊缝处;2)铺装厚度增加4 cm,铺装横向拉应变和横向剪应力均减小;3)将铺装模量提高至40 GPa,铺装表面的最大横向拉应变显著降低,肋间挠度减小1倍。

配筋形式对小箱梁“T”形UHPC湿接缝连接强度影响的有限元分析

本文以4 m×20 m预制小箱梁桥负弯矩区横向湿接缝为背景,应用UHPC材料替代传统高强微膨胀混凝土作为湿接缝材料,并做了“T”形构造设计.应用ABAQUS进行有限元建模,采用内聚力模型处理UHPC湿接缝与普通混凝土箱梁交界面,结果表明,在墩顶“T”形接缝翼缘的UHPC-NC交界面为危险截面;改变搭接钢筋直径和预埋筋与搭接钢筋的搭接长度对极限荷载影响较大,而对开裂荷载影响较小;改变预埋钢筋与搭接钢筋的搭接长度能有效影响UHPC-NC的连接强度,而改变搭接钢筋直径对UHPC-NC的连接强度影响较小.

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明:顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。