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。

温度作用下钢-UHPC轻型组合桥面疲劳性能研究

文中以宜昌长江大桥钢桥面加固改造工程为背景,通过有限元计算,分析不同温度作用下组合桥面疲劳易损细节的应力变化规律.结果表明:相比传统沥青钢桥面,钢-UHPC轻型组合桥面能够在不增加桥梁恒载情况下,降低疲劳细节应力幅值,改善钢桥面抗疲劳性能;不同温度作用下,相比传统沥青钢桥面,钢-UHPC轻型组合桥面各疲劳易损细节应力的降幅达15%~46%.

钢-UHPC轻型组合桥面受模拟行车扰动后抗裂性能研究

为探明钢-超高性能混凝土(Ultra-HighPerformanceConcrete,UHPC)轻型组合桥面结构在施工中受行车扰动后的抗裂性能,以重庆鱼嘴长江大桥为背景,进行了理论和试验研究.首先通过有限元计算获得施工中行车引起的UHPC层顶面最大拉应变(以下简称扰动幅度),计算结果表明:该桥UHPC层在施工中受到的最大纵、横向扰动幅度分别为144με和60με;接下来,依照实桥结构,设计并制作6个模型试件;然后,将试件平均分为两组,每组设1个不受扰动的对照试件和2个在UHPC凝结过程中接受扰动的扰动试件,两组试件的设计扰动幅度分别为160με和240με;最后,通过四点负弯矩静力试验对比了对照试件和扰动试件的抗裂性能.试验结果表明:幅度不大于160με的扰动对试件的抗裂性能无明显影响;幅度大于160με的扰动对试件的UHPC层造成损伤,导致试件的名义开裂强度降低,因此,建议在实桥施工过程中将行车扰动幅度的限值取为160με.

型钢-UHPC组合桥面结构抗拉性能试验研究

针对型钢-UHPC组合桥面结构的4个足尺条带模型构件(UHPC+型钢组成的桥面板构件2个,UHPC+型钢+钢条组成的接缝构件2个),开展了单轴拉伸试验;分析了构件的应变和裂缝发展规律;采用ABAQUS软件建立有限元模型模拟试验全过程,分析了构件的轴向变形及型钢、钢条的应变发展规律。结果表明:对于桥面板构件,型钢与UHPC薄板具有良好的协同受力性能,细微裂缝密集分布,直至型钢屈服,UHPC薄板产生2~3条主裂缝;对于接缝构件,随着加载的进行,初始微裂缝出现在新旧UHPC交界面处,后续微裂缝则主要集中于下台阶处,直至下台阶处内部埋置的钢条屈服,接缝构件破坏,下台阶处形成单一主裂缝;对于桥面板构件和接缝构件的UHPC轴向变形值及桥面板构件的型钢应变值或者接缝构件的钢条应变值,ABAQUS计算结果与试验结果吻合较好。

钢-超薄UHPC轻型组合桥面短钢筋连接件抗剪性能研究

为解决钢-超薄UHPC轻型组合桥面板由于UHPC层过薄而难以采用常规剪力连接件的问题,提出一种新型剪力连接件-短钢筋连接件。通过静力推出试验以及疲劳推出试验对短钢筋连接件的抗剪性能进行初步研究。静力推出试验结果表明:①该试验存在焊缝剪断和UHPC局部破坏(短钢筋拔出)两种破坏模式;②短钢筋连接件承载力随着焊缝长度增加而提高;③短钢筋连接件抗剪承载力高于栓钉,略低于钢筋网焊接件。疲劳推出试验结果表明:80MPa剪应力幅下,3个试件疲劳寿命分别为194.2、271.0、195.8万次,去掉最大值,剩余两者平均疲劳寿命为195万次,略低于规范相应的200万次。通过Miner-Palmgren线性累积损伤理论对不同应力幅下的疲劳次数转化,可得200万次疲劳下的剪应力幅为79.6MPa。仿真结果表明:在纵横向间距200mm×200mm布置方式下,两类疲劳细节(连接件位置与钢顶板位置)均能够满足抗剪疲劳设计要求。文章研究成果可为今后实桥应用提供理论依据。

型钢开口肋-UHPC轻型组合桥面新结构静力与疲劳性能

为解决传统正交异性钢桥面疲劳开裂、铺装层破损难题,研究团队于2010年研发成功钢-UHPC轻型组合桥面体系,并在中国的钢桥上获得了规模化的应用。鉴于UHPC层大幅度提高了钢面板的局部刚度,为简化施工和降低造价,可对传统正交异性钢桥面进一步优化。为此,提出了型钢开口肋-UHPC轻型组合桥面结构,首次应用在某大跨度拱桥主梁结构中,以实桥为背景展开了桥面方案比选和有限元计算。在此基础上,进行了型钢组合桥面关键部位负弯矩条带静力试验,对UHPC裂缝进行观测和宽度验算;对型钢组合桥面抗疲劳性能做了计算与分析,并针对桥面纵横肋重要连接焊缝开展了负弯矩条带疲劳试验。研究结果表明:负弯矩区UHPC表现出优良的受弯拉韧性,抗拉强度是实桥应力的1.4倍;型钢组合桥面通过新型的纵横肋连接构造,将所有连接焊缝均置于低应力区,将非焊接型钢母材置于高应力区,以达到提高桥面抗疲劳能力目的,型钢组合桥面包含10个钢结构疲劳细节,所有疲劳细节计算应力幅均在常幅疲劳极限以下;型钢组合桥面纵横肋新型连接焊缝在设计疲劳应力幅下等效加载4840万次才发生疲劳破坏,疲劳强度满足实桥应用需求。综上表明,型钢组合桥面具有优良的静力与疲劳性能,加工制造简便,建设成本低,是一种具有竞争力的新型桥面方案。

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—UHPC组合防撞新装置研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是一种近年兴起的,具有超高强度、超高延性和韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料。由于UHPC具有优异的力学特性(如抗压强度约150 MPa,抗拉强度近30 MPa和良好的延性等),在结构抗冲击领域备受学者们的青睐。且UHPC板具有相当好的抗冲击性能,相对于普通混凝土板爆炸损伤及残余位移都显著地减小。尽管鲜有研究将UHPC运用于防撞领域,但目前UHPC在抗爆中表现出来的优异性能说明了将其用于防撞结构中具有巨大的潜力和前景,尤其是将其作为防船撞结构面板能够充分体现UHPC的抗冲击性能,同时也能显著提高面板的局部刚度。

岳阳洞庭湖大桥主桥结构设计与整体分析

岳阳洞庭湖大桥为(1 480+453.6)m双塔双跨板桁结合型钢桁梁悬索桥。该文首先介绍了该桥索塔、葫芦形地连墙基础锚碇、板桁结合型钢桁加劲梁、超高韧性混凝土轻型组合桥面、缆索系统及其防护等结构设计。在此基础上,介绍了该桥整体计算的主要分析结果。

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。

藤县西江二桥南主桥总体设计分析

藤县西江二桥南主桥为(50+100+450+100+50)m双塔双索面混合梁飘浮体系斜拉桥,整体造型美观,受力合理,主梁采用混合梁设计,中跨主梁采用创新的钢-HUPC轻型组合梁,边跨主梁采用混凝土梁。文章介绍了该桥的总体设计思路、桥型方案和主要结构设计方案,为类似工程的设计和决策提供技术参考。