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.

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。

基于应力监测的钢-UHPC组合桥面和环氧沥青钢桥面疲劳性能对比

为评估不同桥面加固方案对正交异性桥面板疲劳性能的改善情况,对比了钢-UHPC组合桥面和环氧沥青桥面铺装的桥梁疲劳性能.基于连续一周的应力时程数据,采用线性累积损伤准则计算了各疲劳易损细节的最大应力幅、等效应力幅和疲劳剩余寿命.建立有限元模型,对2种方案加固后的桥面刚度进行了定量对比,分析了车流量及温度变化对疲劳易损细节疲劳寿命的影响.结果表明:钢-UHPC组合桥面在各疲劳易损细节的最大应力幅和等效应力幅均小于ERE铺装桥面;除疲劳寿命为无穷大的疲劳易损细节外,钢-UHPC组合桥面疲劳易损细节疲劳寿命均大于ERE铺装桥面;钢-UHPC组合桥面拥有更大的抗弯刚度,钢-UHPC桥面板最大挠度为ERE铺装桥面的67.29%;车流量增多对2种方案加固后桥面疲劳易损细节疲劳寿命的影响基本一致,钢-UHPC组合桥面抗高温性能更好.

钢-UHPC组合桥面疲劳评估方法中外规范对比

为分析中外规范对钢-UHPC组合桥面疲劳评估的适用性,以武汉军山长江大桥加固改造工程为背景,分别利用美国规范AASHTO LRFD Bridge Design Specifications、欧洲规范Eurocode 3:Design of Steel Structures(BS EN 1993-1-9:2005)、日本规范《道路桥示方书·同解说(钢桥篇)》和中国规范《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)评估该桥正交异性钢桥面板经UHPC铺装层加固后的疲劳性能和剩余寿命。采用Abaqus软件建立钢-UHPC组合桥面节段模型,采用中外规范的标准疲劳车加载,计算各疲劳细节处的应力幅值,并对比分析各疲劳细节处的应力水平;同时对运营状态下各疲劳细节处开展连续动应变监测,获取各疲劳细节处实测应力时程,对钢桥面板进行疲劳寿命评估。结果表明:美国规范更适用于重车比例较高的桥梁,欧洲规范更适用于桥面板较厚的桥梁,日本规范更适用于桥面宽度较小的桥梁,中国规范均可适用。当横隔板弧形切口应力水平较高时,美国规范疲劳评估结果的安全性不佳;在桥面板纵肋对接焊缝处,美国规范和日本规范的常幅疲劳极限值较欧洲规范分别低19.0%和22.2%,较中国规范分别低18.8%和22.0%;当桥面板纵肋对接焊缝应力幅为46~59 MPa时,采用美国规范和日本规范进行评估的结果更安全。除横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝外的其余疲劳细节,中外规范给出的常幅疲劳极限值比较接近,评估结果均为无限寿命。

军山长江大桥钢-UHPC组合桥面改造效果研究

武汉军山长江大桥原桥面铺装为双层SMA,随着车流量的增加和超重车辆的影响,运营多年后该桥正交异性钢桥面板出现疲劳裂缝。为处治桥面板隐性裂缝,分别对上游侧进行了钢桥面冷拌环氧树脂桥面铺装及桥面板焊接施工,对下游侧进行钢-UHPC组合桥面铺装改造。为评估钢-UHPC组合桥面的改造效果,基于已建立的运营期安全监测系统及有针对性的增布动应变测点,对随机荷载作用下桥梁上、下游侧桥面板的局部应力进行测试。结果表明:在下游侧的车辆数量和轴重均高于上游侧的情况下,下游侧测点的等效应力幅大多小于对应的上游侧,表明钢-UHPC组合桥面铺装明显改善了该桥正交异性钢桥面板的疲劳应力。

基于静动载试验的钢-UHPC组合桥面应用研究

为评估钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面体系(通过剪力钉将配筋UHPC薄层与正交异性钢桥面板组合而成的新型桥面结构)的实桥应用效果,以太原摄乐大桥为背景,分别建立80 mm厚SMA铺装层、60 mm厚UHPC+80 mm厚SMA铺装层2种铺装方案有限元模型进行静力性能分析,并对桥面行车道开展静、动载试验研究。结果表明:设置UHPC铺装层能显著提高结构刚度,大幅降低正交异性钢桥面板各构造细节应力;实桥静载测试数据与计算值吻合度较高;当车辆以60 km/h设计速度行驶时,钢-UHPC组合桥面无明显动力冲击效应;钢-UHPC组合桥面体系在实桥上应用效果良好。

含湿接缝的钢-UHPC组合桥面板收缩效应

正交异性钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板中UHPC早期收缩较大,在组合桥面板界面约束下会产生较高次内力,存在开裂的风险,进而引发结构的安全和耐久性问题。为此,基于实际工程背景,对含湿接缝的组合桥面板收缩效应开展90 d的自然环境下常温养护静置监测研究,考察组合桥面板UHPC收缩及其引发的次内力发展及分布规律,探究龄期差对湿接缝区域收缩效应发展的影响特点;建立板壳实体有限元模型,通过多模型线性叠加的方法来模拟组合桥面板湿接缝浇筑前后的收缩效应。试验和有限元分析结果表明:在炎热潮湿的养护环境下,UHPC收缩发展经历了早期膨胀、初凝硬化后快速收缩、缓慢收缩以及稳定4个阶段;UHPC在浇筑后约6 h初凝硬化,以此刻应变为参照测得前72 h收缩量约为700×10^(-6),在此期间测得钢板翼缘最大压应变约为78×10^(-6);UHPC收缩在靠近桥面板边缘区域更大,靠近板中心区域更小;湿接缝处在初凝硬化后测得的收缩量比周边区域更小,湿接缝与周边连接完好,收缩引发的UHPC拉应力在湿接缝附近有增加的趋势。研究结果可为含湿接缝组合桥面收缩研究积累监测数据和分析基础。

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。

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。

不同桥面形式的钢箱加劲梁受力性能比较研究

为研究开口肋、闭口肋对钢-UHPC(超高性能混凝土)组合桥面受力性能的影响,基于主跨228 m的独塔自锚式悬索桥——湘潭昭华湘江大桥,比较了传统钢正交异性板钢箱梁、U肋加劲组合桥面系钢箱梁、球扁钢加劲组合桥面系钢箱梁3种加劲梁方案。采用ANSYS有限元软件计算并对比分析了3种方案的承载力和疲劳性能,同时比较了3种方案的制作安装工艺和经济性。研究结果表明,球扁钢加劲组合桥面系钢箱梁方案受力性能好、经济性优,是适用于大跨径桥梁加劲梁的合理桥面系形式。

温度对钢桥面铺装结构中UHPC与沥青层黏结性能的影响

以西洪大桥及接线工程(环镇北路—北环快速路)为例,对钢-UHPC组合结构进行了介绍,并通过钢桥面铺装剪切强度试验对温度与钢桥面铺装结构中UHPC和沥青层黏结性能之间的关系进行了研究。试验结果表明,成型温度从150℃提升到160℃时,平均剪切强度增幅约为24.6%。在140~160℃之间时,平均剪切强度随成型温度的升高呈现逐渐增大的趋势。

免蒸养UHPC钢桥面铺装层施工技术

正交异性钢-UHPC组合桥面板是解决正交异性钢桥面板病害的有效手段,但现有施工工艺多采用蒸养工艺,工序繁多、施工周期较长。在对蒸养、免蒸养等不同UHPC试件进行强度试验、干燥收缩试验的基础上,对免蒸养UHPC钢桥面铺装层施工关键技术进行了分析,对免蒸养工艺的适用范围、工艺原理、施工流程、操作要点与质量控制等进行了详细论述。试验结果表明:免蒸养UHPC较蒸养UHPC力学性能和收缩性能有所降低,但均能满足设计和施工要求。在正交异性钢-UHPC组合桥面板施工过程中采用免蒸养UHPC可降低施工难度,免去蒸养设备及相关措施,减少施工环节,降低施工成本,具有良好的经济和社会效益。

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。

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-超高性能混凝土组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能研究

针对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面系中栓钉连接件疲劳性能研究不足的状况,采用精细数值模型和模型疲劳试验,对岳阳洞庭湖大桥的钢-UHPC组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能进行了研究。在精细数值模型分析中,建立了岳阳洞庭湖大桥的多尺度有限元模型,提取了栓钉剪应力的影响面,基于中国《公路钢结构桥梁设计规范》的标准疲劳车,计算得到了栓钉等效疲劳剪应力幅。在模型疲劳试验中,取桥面系的正弯矩和负弯矩板带,设计了1组2个梁式足尺疲劳试件,其中正、负弯矩试件中的栓钉分别在119.5MPa和72.0MPa名义剪应力下经历了200万次疲劳加载。再考虑了影响面大小、车流量和设计年限等因素对等效疲劳应力幅进行修正,并对栓钉的疲劳寿命进行了评估。结果表明:试件在经历200万次疲劳加载后应变仍保持平截面,未发生明显界面疲劳破坏,可保守取119.5 MPa和72.0 MPa作为正、负弯矩板带试件中栓钉的疲劳强度;洞庭湖大桥组合桥面系中的栓钉连接件具有足够的疲劳承载力安全储备,能够满足120年的设计寿命要求。

某上承式蝶形拱桥设计

东岳大桥复线桥位于既有东岳大桥上游,主桥采用5×43.46m上承式蝶形拱桥。桥面系由钢-UHPC组合桥面板与横梁、主纵梁组成。拱肋采用矩形钢箱截面,拱轴线为二次抛物线,外倾角15°。拱上设置矩形截面钢竖杆,拱梁结合处采用拱梁连接节点板将主纵梁与拱肋连成一体。桥墩处由两侧拱脚沿拱轴线伸入桥墩,锚箱顶、底板、腹板间设连接钢板连接成整体。

红河特大桥主桥总体设计及关键技术

云南红河特大桥主桥为主跨700 m的简支钢箱加劲梁悬索桥,主缆跨径布置为(310+700+175)m。加劲梁采用宽29.5 m流线型扁平钢箱梁;主跨主缆为平面体系,垂跨比1/10、中心横向间距27.0 m,采用预制平行钢丝索股(PPWS)法架设,由85根127丝∅5.0 mm索股组成;建水岸、元阳岸桥塔均采用钢筋混凝土门式塔,塔柱为矩形空心薄壁断面,分别高181.286 m、120.486 m;两岸锚碇分别采用框架式重力锚碇和实腹式重力锚碇。针对建水岸深厚覆盖层下岩溶发育区地质勘察,在传统的地质钻探、物探基础上,增加陆地声纳、孔间CT、孔内成像等手段详细查明岩溶发育形态,以确定主墩位置和基础形式;钢箱加劲梁采用正交异性钢板-UHPC层组合桥面设计以延长桥面铺装的使用寿命;建水岸浅埋式锚碇软弱地质区域基础采用刚性桩复合地基特殊设计以使锚碇基础整体共同协调受力。