正交异性钢-钢纤维混凝土组合桥面板疲劳极限状态研究

为了解正交异性钢-钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete,SFRC)组合桥面板的疲劳性能及失效机理,以川南城际铁路临港长江大桥为背景,设计、制作正交异性钢-SFRC组合桥面板足尺模型进行疲劳试验,采用ANSYS软件建立试件有限元模型,研究关键细节的疲劳应力和开裂等情况。基于有限元模型,分析不同设计参数(钢顶板厚度、栓钉布置、SFRC抗拉强度及层厚)下组合桥面板疲劳极限状态的失效模式,并提出了主要控制参数取值建议。结果表明:200万次疲劳加载后足尺模型的实测最大裂缝宽度为0.136 mm,出现在SFRC层上缘,钢结构未开裂,组合桥面板疲劳性能良好;组合桥面板疲劳极限状态主要由SFRC层开裂控制,钢顶板厚度、栓钉布置对组合桥面板疲劳性能的影响较小,SFRC抗拉强度和层厚对组合桥面板疲劳性能影响较大,为主要控制参数;在常规正交异性钢桥面板上铺设薄层(厚度不超过50 mm)SFRC时,SFRC抗拉强度不应小于5 MPa,在常规正交异性钢桥面板上铺设普通SFRC(钢纤维体积含量不高于1%,抗拉强度不高于3 MPa)时,SFRC层厚不宜低于100 mm。

正交异性钢板-混凝土连续组合桥面板抗弯性能分析

为探讨不同类型加劲肋构造对正交异性钢板-混凝土连续组合桥面板抗弯性能的影响,通过试验和数值模拟方法分析比较了平钢板-混凝土连续组合桥面板(SCCCDs)、带一字肋的正交异性钢板-混凝土连续组合桥面板(OSCCCDs)和带U形加劲肋的正交异性钢板-混凝土连续组合桥面板(USCCCDs)等3种组合桥面板抗弯性能的异同点,研究了加劲肋数量、加劲肋厚度、钢板厚度、混凝土厚度、配筋率和PBL剪力连接件间距等参数对抗弯性能的影响.结果表明,3种类型钢板-混凝土连续组合桥面板的抗弯刚度和极限承载能力存在显著差异.相比于SCCCDs, OSCCCDs和USCCCDs的极限荷载分别提高了23.1%和74.5%.混凝土板厚度对连续组合桥面板的抗弯性能影响最大,对抗弯刚度和极限承载力的影响率分别为15.70%和22.44%.

新型大纵肋正交异性钢板——RPC组合桥面板结构Kriging优化设计研究

发展新型结构体系是解决正交异性桥面板疲劳问题的有效途径之一。将大纵肋与RPC混凝土相结合,达到减少初始缺陷,提高局部刚度,从而改善结构疲劳性能的目的。为确定影响桥面板受力的主要参数及其合理取值范围,文章根据所提出的基于Kriging方法的多目标优化模型进行优化设计。结果表明,新型结构体系受力性能良好;大纵肋高度、开口宽度和顶板厚度是重要参数;所提出的优化设计模型概念清晰,计算结果精度高。

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。

正交异性钢-RPC组合桥面板弯拉强度的实验研究

正交异性钢桥面一直面临疲劳开裂和铺装损坏的严重问题.为了改善桥面板受力状态,提出了一种新型的正交异性钢板薄层活性粉末混凝土(RPC)组合桥面结构体系.通过纵向足尺节段实验和横向受弯实验,表明新型组合桥面体系的抗弯拉强度远大于设计荷载下的拉应力,而重量与传统铺装持平.横向受弯实验结果证明,截面配筋率和截面有效高度对组合桥面结构抗弯拉强度影响很大,截面配筋率提高一倍和两倍,RPC的抗弯拉强度分别提高15%和40%.同样,截面有效高度增大20%,不同截面配筋率下RPC的抗弯拉强度提高30%～50%.因此,提高截面配筋率或截面有效高度能大幅降低组合桥面结构开裂破坏的风险.

U形肋正交异性组合桥面板力学性能

为验证桥面板在局部车轮荷载作用下的受力特性及桥面板在桥梁第二体系中的受力性能,提出新型U形肋正交异性组合桥面板系统,并区分其与常规桥面板的受力性能.设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板,1个正交异性钢桥面板,1个带U形肋正交异性组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形等.试验结果表明:U形肋正交异性组合桥面板在车轮荷载作用下其局部应力水平显著低于正交异性钢桥面板,具有较强的抗疲劳性能;U形肋正交异性组合板在桥梁第二体系的承载能力分别是混凝土桥面板和钢桥面板的1.37倍和0.93倍.

T形肋正交异性组合桥面板力学性能

为了检验所提出的T形肋正交异性组合桥面板在局部车轮荷载作用下的受力特性及这种桥面板在桥梁第二体系中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了4个不同桥面板试件,其中包括一个混凝土桥面板,一个正交异性钢桥面板,两个不同尺寸的T形肋正交异性组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形等.试验结果表明T形肋正交异性组合桥面板在车轮荷载作用下其局部应力水平显著低于正交异性钢桥面板,相同宽度的T形肋正交异性组合桥面板其极限抗弯承载力分别是混凝土桥面板和钢桥面板的2.30倍和1.57倍以上,表明T形肋正交异性组合桥面板具有较强的抗疲劳性能.

新型正交异性钢-混组合桥面板足尺模型疲劳试验

为改善新型正交异性钢混组合钢桥面疲劳性能,采用理论推导、有限元模拟和足尺模型疲劳试验对其纵肋腹板与横隔板焊接细节进行研究.首先将由大尺寸纵肋组成的正交异性组合桥面系简化成铰接的双纵肋计算模型,然后进行足尺模型疲劳试验,分析混凝土层和钢桥面构造受力及开裂情况.结果表明:理论模型能较好反映纵肋实际力学行为;铺设混凝土层后,桥面板焊接构造细节疲劳应力得到很大改善.所提出的新型正交异性钢混组合钢桥面可作为解决正交异性钢桥面疲劳开裂问题的一种新思路.

大纵肋正交异性组合桥面板混凝土结构层的有效宽度研究

大纵肋正交异性钢桥面板在疲劳性能和经济性等方面具有突出优势,但局部强度不足的问题突出,在钢桥面板上设置混凝土结构层而发展的大纵肋正交异性组合桥面板,是有效改善新型大纵肋正交异性钢桥面板关键疲劳易损部位抗疲劳性能的新型结构体系。大纵肋正交异性组合桥面板在剪力滞效应的影响下,混凝土层纵向应力沿横向分布不均匀,有效宽度是该类结构设计和计算的基本参数。文章建立大纵肋正交异性组合桥面板参数化有限元模型,研究荷载形式、刚性铺装厚度、刚性铺装材料强度、跨中横隔板等因素对混凝土结构层在弹性极限状态下有效宽度的影响。研究结果表明:在不同的加载模式下,有效宽度沿梁跨表现出不同的变化规律;混凝土强度等级和混凝土厚度对有效宽度的影响不显著;跨中设置横隔板能够在一定程度上改善横隔板附近区域混凝土结构层的剪力滞效应。

带内隔板的大U肋钢-UHPC组合桥面板力学性能分析

为优化钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板中U肋截面形式,分析传统U肋与大U肋截面形式下正交异性钢桥面板中U肋与顶板相交处、横隔板与U肋相交处、横隔板弧形切口处3个典型疲劳细节处的应力历程和应力幅,引入内隔板增强大U肋钢-UHPC组合桥面板的疲劳薄弱细节。结果表明,相较于传统U肋截面,采用大U肋钢-UHPC正交异性组合桥面板,横隔板与U肋相交处、横隔板弧形切口处的应力幅降低,U肋与顶板相交处的应力幅增大,但引入内隔板构造能较好地降低该处的应力幅,使3个典型疲劳细节处的疲劳强度都能满足规范要求,带内隔板的大U肋钢-UHPC组合桥面板具有较好的抗疲劳性能。

开口U形肋组合桥面板基本力学性能

为了检验所提出的开口U形肋组合桥面板在桥梁使用中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板、1个正交异性钢桥面板、1个带U形肋组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形、极限承载力等.试验结果表明,在车轮荷载作用下,开口U形肋组合桥面板的应力远远低于正交异性钢桥面板的应力,避免了桥面板钢结构疲劳的发生;在重量比混凝土桥面板小57%的情况下,组合桥面板的承载力是混凝土桥面板的1.42倍;在用钢量约为钢桥面板1/2的情况下,二者的承载力相当.

球扁钢肋组合桥面板局部与整体力学性能

为了检验所提出的球扁钢肋组合桥面板在桥梁中使用的受力性能,设计制作了2个带球扁钢肋组合桥面板试件和1个正交异性钢桥面板试件.通过静力试验,测试桥面板不同部位的结构应变和变形,考察了球扁钢肋组合桥面板在车轮荷载作用下的局部受力性能,以及在正、负弯矩作用下的整体受力性能.试验结果表明:在车轮荷载作用下球扁钢肋组合桥面板的疲劳细节处应力水平非常小,大大降低了桥面板钢结构发生疲劳破坏的可能性;试件截面应变沿高度的分布符合平截面假定,在受弯破坏极限状态下,混凝土与钢板之间无明显滑移和脱层,球扁钢组合桥面板的钢板与混凝土之间组合作用良好;该种组合板具有良好的延性,并有较高的承载能力.

球扁钢肋钢纤维混凝土组合桥面板正弯矩受力性能试验

针对一种采用80 mm厚钢纤维混凝土(SFRC)和球扁钢纵肋的新型组合桥面板,设计制作了两个组合桥面板足尺模型,进行了正弯矩加载试验,测试得到加载全过程结构变形和应变变化情况。采用截面弹塑性截面分析方法、线弹性分析方法和刚塑性分析方法计算了正弯矩承载力,并与试验结果进行对比。研究结果表明:组合桥面板在承受正弯矩荷载时位移延性系数为4.90~5.77,具有较好的延性;在承载能力极限状态下,组合桥面板正弯矩承载力由球扁钢受力控制,SFRC具有充足的抗压强度,提高混凝土强度对正弯矩承载力影响很小;截面弹塑性分析能较为准确地计算正弯矩承载力,适合用于组合桥面板设计计算。

大纵肋正交异性组合桥面板疲劳性能研究

在大纵肋正交异性钢桥面板结构中引入混凝土结构层,通过栓钉将钢桥面板与混凝土结构层组成新型大纵肋正交异性组合桥面板,是从结构体系层面提高大纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能的有效途径。基于有限元数值分析,明确了大纵肋正交异性组合桥面体系对于钢桥面板典型疲劳易损细节的应力幅改善效果;采用足尺节段模型试验对结构的关键疲劳易损细节进行了疲劳试验研究,验证了关键疲劳易损细节在设计寿命期内的抗疲劳安全性和混凝土结构层在疲劳荷载作用下的耐久性,在此基础上对关键疲劳易损细节的疲劳损伤演化及结构体系的疲劳破坏模式进行了试验与理论研究。研究结果表明:大纵肋正交异性组合桥面板结构体系能够显著降低U肋与顶板以及U肋与横隔板连接细节的应力幅,横隔板开孔部位是控制钢桥面板疲劳性能的关键构造细节;设计寿命期内钢桥面板疲劳性能与混凝土结构层的疲劳耐久性均满足要求,且具有一定的安全储备;混凝土结构层负弯矩区疲劳开裂对钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能的影响不显著;大纵肋正交异性组合桥面板的疲劳破坏模式表现出典型的两阶段特征,栓钉发生疲劳断裂并导致组合效应局部劣化,进而加速钢桥面板关键疲劳易损细节的疲劳损伤累积速度并最终发生疲劳开裂。

增设钢板条的钢-UHPC组合桥面加固效果评估

钢-UHPC组合桥面可有效改善正交异性钢桥面板的疲劳性能,但若钢顶板存在贯穿裂纹,此时,若UHPC直接布置在带裂纹的钢顶板上方,钢-UHPC组合桥面UHPC层将存在受拉开裂的风险。为保证UHPC层在带裂纹钢桥面板上良好的受力性能,降低UHPC层受拉开裂的风险,提出了增设钢板条的钢-UHPC组合桥面加固方案,并通过有限元计算及现场试验验证了该方案良好的加固效果。首先,介绍了某大跨径斜拉桥的基本信息和加固方案。然后,采用有限元计算方法对加固后桥梁的整体和局部受力性能进行了分析。最后,通过现场监测试验验证了增设钢板条的钢-UHPC组合桥面的对正交异性钢桥面板疲劳性能良好的改善效果。结果表明:采用该方案对该桥下游侧桥面进行加固改造后,桥梁整体受力状态基本不变,且具有较大的安全储备;贯穿裂纹的存在对UHPC层拉应力影响较大,增设钢板条后,钢-UHPC组合桥面UHPC层受拉开裂的风险明显降低;加固后,该桥各疲劳易损细节等效应力幅值均有不同程度的降低,各疲劳易损细节的应力幅值均小于常幅疲劳极限;该加固方案有效改善了正交异性钢桥面板的疲劳性能,降低了各疲劳易损细节的开裂风险。综上所述,增设钢板条的钢-UHPC组合桥面可有效降低UHPC层在带裂纹钢桥面上的开裂风险,并可有效改善正交异性钢桥面板的疲劳性能。

波折钢+UHPC组合桥面板的抗疲劳性能研究

正交异性钢桥面板因其优良性能被普遍用于大跨度桥梁中,然而在车辆往复荷载作用下,传统正交异性钢桥面板易发生疲劳破坏。因此,提出了一种新型组合桥面板——波折钢+UHPC组合桥面板。相较于传统正交异性桥面板,这种组合桥面板不仅取消了加劲肋与钢桥面顶板间的纵向焊缝,还减少了钢桥面板制作时的复杂焊接工作量,降低了疲劳裂缝出现的可能性。为验证波折钢+UHPC组合桥面板的抗疲劳性能,通过有限元模型分析了新型组合桥面板中UHPC层厚度对组合桥面板抗疲劳性能的影响,明确了组合桥面板中UHPC层的理想厚度为6 cm;并按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)对波折钢+UHPC组合桥面中各疲劳细节进行了疲劳验算。验算结果表明,各疲劳细节均满足抗疲劳设计要求。

超高性能轻型组合桥面结构形式研究

为了设计组合桥面结构形式及桥面板细部构造,使用有限元软件MSC.Marc建立桥梁标准节段的精细有限元模型,从整体结构形式、正交异性桥面板构造及纵横肋相交处构造细节等3个方面进行多方案比选。在施加相同不利荷载的情况下,对结构竖向挠度、应力等性能进行对比分析,最后选定大桥组合桥面系的合理结构形式为:桥面板使用钢—超高性能混凝土轻型组合桥面,保留横梁中心竖向腹杆;纵向加劲肋采用14 mm×210 mm的板肋,间距为400 mm;纵横肋相交处横肋开孔形式采用苹果形开口。

张靖皋长江大桥建设综述

张靖皋长江大桥南航道桥推荐采用梁跨布置2 300 m+717 m的双塔两跨悬索桥方案,创下六项“世界之最”。跨径突破以及桥区建设条件带来了诸多技术挑战,张靖皋长江大桥建立了顶层科技规划,以2 300 m级超大跨悬索桥建设所需设计、施工、运维技术为核心,根据设计、施工、运维的全寿命周期需求,推动新技术、新工艺、新设备、新材料创新,支撑张靖皋长江大桥建设。创造性地提出了超大跨度悬索桥主缆自平衡结构体系、超高钢箱—钢管约束混凝土组合索塔、超大规模双回字复合地下连续墙锚碇基础、超大型自行走装配式索鞍、智能感知可更换锚固体系、全桥一体化智能防腐体系、L型纵肋正交异性钢桥面板系统等创新设计。