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。

钢-UHPC轻型组合梁施工技术研究

钢-UHPC轻型组合π梁是一种新型结构形式,将工字钢梁与UHPC桥面板相结合形成“π”形组合梁,具有结构轻盈、施工便捷、安全耐久等优点。本文以首座钢-UHPC轻型组合连续梁桥--麻埔停车区跨线桥为依托工程,介绍了钢-UHPC轻型组合结构体系在先简支后连续桥梁中的特点、施工方法以及UHPC质量控制要点,以期为同类型工程施工提供参考。依托工程的实施表明:UHPC桥面板与钢梁整体预制,一次成型;组合梁无繁杂的预应力张拉,构造简单;吊装后无须进行钢板焊接,施工方便快捷。

钢-UHPC轻型组合梁桥面板结构型式研究

提出了钢—UHPC轻型组合桥梁结构,以克服传统钢-混凝土组合结构桥梁混凝土桥面板的不足。(1)从基本力学性能和经济性方面对轻型组合梁和传统组合梁进行对比,表明轻型组合梁具有自重低,力学性能优越,施工方便快捷,全寿命经济效益显著等特征,具有较好的应用前景。(2)对等厚板、带纵肋桥面板、华夫桥面板3种结构型式的UHPC桥面板进行有限元分析,结果表明:华夫桥面板竖向位移最小,整体刚度最大;带纵(横)肋桥面板仅纵肋下缘纵向拉应力最大,只需在纵肋下缘配置纵向受拉钢筋;华夫桥面板方案横向拉应力峰值小于较带纵肋方案。(3)基于华夫桥面板方案开展了足尺条带模型试验,正负弯矩试验的初裂应力分别为19.4 MPa和9.1 MPa,华夫桥面板方案能够满足正常使用极限状态的裂缝限值。

钢-UHPC组合梁单钉连接件抗拔性能分析

为研究钢-UHPC组合梁单钉连接件的抗拔性能,通过6组UHPC中单钉连接件的拉拔试验和ANSYS软件数值计算,分析了栓钉直径、高度对抗拔承载力和破坏模式的影响.提出了钢-UHPC单钉连接件抗拔承载力计算公式,得到了不同UHPC和栓钉强度下栓钉钉杆拉断和UHPC开裂2种典型破坏模式的高径比界限.结果表明,若高径比大于界限值,抗拔试件破坏时栓钉钉杆被拉断,UHPC板完好,属于延性破坏;若高径比小于界限值,试件为UHPC开裂破坏,栓钉脱出,UHPC冲切破坏面与竖直面的夹角约为43°,属于脆性破坏.钢-UHPC单钉连接件抗拔承载力公式的计算值略低于模拟值,相对误差小于10%.

平钢板-UHPC组合桥面板疲劳性能与疲劳损伤机理

以国内某在建双塔双索面混合梁斜拉桥为工程背景,针对首次提出并使用的8mm平钢板+15cm UHPC层+PBL剪力键的平钢板-UHPC组合桥面板,进行三块足尺组合桥面板负弯矩疲劳荷载试验及其研究。试验过程中,每间隔一定疲劳加载次数停机进行静载测试,采集静载作用下试件的裂缝宽度、跨中挠度、UHPC表面应变、钢底板应变、受拉钢筋应变等。试验结果表明:①UHPC受拉区纵筋配筋率1.58%的钢UHPC组合桥面板在荷载比0.25、循环最大荷载为静开裂荷载0.8倍的荷载作用下,以裂纹宽度0.10mm为寿命标准,其疲劳寿命超过4000万次或无限长;而纵筋配筋率0.89%者,其疲劳寿命仅908万次;②UHPC受拉区纵筋配筋率1.58%的钢-UHPC组合桥面板刚度随循环次数增加缓慢下降,经循环加载4000万次,仅下降17.2%;而配筋率为0.89%者的刚度,在循环加载908万次时,突然大幅度下降,共下降了51.6%;③平钢板-UHPC组合桥面板抗负弯疲劳性能及剩余承载力衰减基本由UHPC抗拉层的疲劳衰减(疲劳损伤)所致;受拉区纵筋配筋率越大,越能减轻UHPC抗拉层的疲劳衰减,当超过一定值后,可使得UHPC抗拉层在某种循环荷载下几乎不衰减;④平钢板-UHPC组合桥面板的疲劳设计应不再是强度控制,而是耐久性控制。

钢-UHPC组合梁抗弯性能理论研究

为解决钢-NC组合梁桥自重大、易开裂的难题,提出了钢-UHPC组合梁桥结构。基于组合梁正弯矩抗弯性能试验,对梁体力学性能进行了理论分析,提出了组合梁抗弯承载力修正的塑性计算方法,计算结果表明:考虑钢梁屈服后强化和UHPC材料裂后抗拉性能的修正的塑性计算方法可以准确计算桥梁工程常见截面的钢-UHPC组合梁的抗弯承载力;进行组合梁竖向挠度计算时,应考虑界面滑移效应的影响;对于钢-UHPC组合梁竖向挠度的计算,栓钉抗剪刚度取1/2Q时计算值更接近试验值。该计算方法可为组合梁理论计算提供一定参考。

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-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。

钢-UHPC组合梁纵向抗剪性能试验研究

钢-超高性能混凝土(UHPC)组合梁的纵向抗剪性能严重影响组合梁的正常使用和结构安全性。为探究钢-UHPC组合梁的纵向抗剪性能,完善钢-UHPC组合梁中UHPC板的纵向抗剪承载能力计算公式,对2个钢-UHPC组合梁试件展开了四点弯曲试验,通过试验观测得到该组合梁的开裂损伤模式、荷载-挠度曲线、钢-混界面滑移发展等结构行为。在试验研究的基础上,基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型建立了该组合梁的有限元模型,通过将有限元模拟得到的荷载-挠度曲线与试验得到的结果对比,证明了该有限元模型的正确性。基于该数值模型,通过参数分析确定了UHPC板中斜压杆发展角度,给出了斜压杆发展角度的拟合公式。基于传统的钢筋混凝土拉压杆理论,考虑UHPC抗拉强度,修正了钢-UHPC组合梁纵向抗剪承载能力计算公式。结果表明:布置纵向双排栓钉的钢-UHPC组合梁,UHPC板纵向剪切裂缝呈八字形延伸发展,其裂缝发展形式与相同栓钉布置方式的普通混凝土板相似;钢-混凝土组合梁采用UHPC翼缘板,拉-压杆模型中压杆与拉杆的承载力均得到提高,能有效提高混凝土板纵向抗剪承载能力;通过与数值结果对比,证明修正的钢-UHPC组合梁的纵向抗剪承载力计算公式具有良好的精度。

钢-UHPC组合式防撞浮箱防撞性能研究

由于钢-橡胶组合式防撞浮箱被小型船舶撞击后防腐涂层易被破坏,引起箱体进水、防撞装置下沉等问题,因此多采用新型的钢-UHPC组合式防撞浮箱。为了解钢-UHPC组合式防撞浮箱防撞性能,采用数值模拟的方法,从船舶撞击速度以及角度2个方面探究钢-UHPC组合式防撞浮箱对削减桥墩受到撞击力的影响。结果表明:1)钢-UHPC组合式防撞装置具有良好的削减撞击力的能力,大约在30%~40%;2)该防撞装置对撞击力的削减在正撞下随速度增加而增强,在20°斜撞下随速度增加而减弱,但都能达到30%以上;3)大角度撞击下防撞装置对撞击力的削减效果十分明显,主要是由于该装置具有较好拨转船头效果。钢-UHPC组合式防撞浮箱在实际应用中具备良好的防撞性能,可起到保护桥墩、防止桥墩破坏的作用。

钢-UHPC组合梁斜拉桥多尺度有限元分析与试验研究

为确保富龙西江特大桥的新型钢-UHPC桥面板具有足够的抗裂性能和极限承载力,首先通过多尺度有限元分析计算出最不利工况下的应力状态,包括采用全桥杆系有限元模型计算第1体系应力和采用局部精细有限元模型计算第2体系应力。然后,开展了一系列钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝的足尺模型试验,验证了桥面板系统在上述应力状态下的可行性。试件包括1块简支整浇钢-UHPC组合板、1块两跨连续整浇钢-UHPC组合板、1块带燕尾榫湿接缝的简支钢-UHPC组合板。有限元分析结果表明:第1体系和第2体系的应力叠加后,钢箱梁的最大纵向应力为156.04 MPa,最大横向应力为48.18 MPa;UHPC的最大压应力为21.67 MPa,最大拉应力为3.88 MPa。足尺模型试验的结果表明:湿接缝是桥面板的薄弱部位;燕尾榫湿接缝的名义开裂应力为10.2 MPa,比整浇UHPC低41.4%,但仍达到了有限元分析所得最大拉应力的2.6倍,表明抗裂性能有足够的富余度;所有试件均发生延性良好的弯曲破坏,由于开裂后的承载能力储备充足,在一定限度内的超载工况下不会发生破坏。综合有限元分析和试验的结果可知,富龙西江特大桥在运营阶段的受力状况良好,不存在桥面板开裂风险,钢箱梁处于弹性受力状态。

常温养护钢-UHPC组合桥面板早期收缩效应

为探究实际工程背景下钢-UHPC组合桥面板早期收缩效应的发展与分布规律,考查组合桥面板中UHPC收缩引起的构件次内力水平,在夏季自然环境常温养护条件下进行了90天钢-UHPC组合桥面板静置收缩监测试验。浇筑完成后对UHPC板、钢筋、钢结构等构件的应变值进行了监测与分析,并且利用有限元软件对试验模型开展了收缩模拟与验证,对构件次内力分布、界面滑移等特征做了进一步的探究。研究结果表明:夏季炎热环境下(温度:17℃~42℃,湿度:50%~90%),组合桥面板UHPC未见明显裂缝;UHPC初凝时间约为15小时,收缩在约40天时基本稳定;在跨中区域UHPC受约束作用最大,对应的UHPC和钢板次内力最大,钢筋由于与UHPC应变的协同性在该处压应力最小。在远离跨中方向上,UHPC与钢结构的结合作用逐渐减弱。

钢-UHPC轻型组合梁桥面板受弯性能有限元分析

为降低常规钢-混凝土组合主梁结构的自重,解决其混凝土桥面板易开裂的问题,提出了钢-UHPC轻型组合梁结构方案,该结构方案能明显降低结构自重。为得到新型钢-UHPC轻型组合梁结构桥面板的受力状况,以在建实桥应用工程胜天大桥为工程背景,分别采用应力叠加法、全桥精细有限元法和混合有限元法,对其桥面板受力最不利位置的纵桥向拉、压应力进行了计算分析。结果表明：混合有限元法与全桥精细有限元法计算结果相差在4%以内,二者结果较接近;应力叠加法相比全桥精细有限元法计算结果差值为1.58～3.80 MPa,相差在12%以上,结果偏保守。计算结果与试验结果对比表明,UHPC桥面板纵桥向最大设计拉应力小于UHPC最大裂缝宽度为0.05 mm时的实测名义拉应力,纵桥向压应力远小于UHPC抗压强度,能够满足在最不利加载工况下的设计要求。

装配式钢-UHPC组合桥面板湿接缝轴拉性能研究

为缓解钢-UHPC组合桥面板易开裂的问题,文中设定装配式钢-UHPC组合桥面板,并对其湿接缝轴拉性能进行研究:在试验室中完成试件制备,并应用轴拉实验装置对其性能进行测定分析。实验结果表明,装配式钢-UHPC组合桥面板轴拉性能高于基础施工桥面板与钢-UHPC组合桥面板,可对外界荷载进行平均分配,进一步缓解桥面开裂问题。

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。

钢-超薄UHPC层轻型组合桥面性能研究

提出一种钢-超薄UHPC（Ultra-High Performance Concrete）层轻型组合桥面,既使得该组合桥面能运用于铺装层较薄的桥面结构,又降低了正交异性钢桥面的疲劳开裂风险,避免了沥青铺装的病害问题。以某大桥为工程背景,从有限元分析和试验两方面对此结构的性能进行研究。结果表明：35 mm UHPC层对正交异性钢桥面板受力性能改善明显,顶板应力幅下降达到68.72%,U肋和横隔板接近14.74%~34.11%,可大大降低钢桥面板疲劳开裂风险。试验得出的UHPC层横桥向开裂强度26.3 MPa,大于有限元计算下车辆荷载作用产生的最大应力7.36 MPa,证明了此组合桥面结构的可行性。

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.

基于截面应力法的钢-UHPC组合板初裂荷载计算方法研究

负弯矩作用下钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板结构层的局部受拉开裂问题,是该类新型组合桥面板结构体系应用和发展的基础性研究课题。基于平截面假定和双折线UHPC拉伸本构模型,提出了能够描述UHPC结构层实际应力分布的截面应力法,用于计算这种新型结构在纯弯曲作用下的开裂荷载。通过2组4个模型试验并结合相关文献试验结果对所提出的计算方法进行了验证,研究结果表明:利用截面应力法能够较为准确的描述钢-UHPC组合板在纯弯曲作用下的开裂行为,计算给出的开裂荷载与实测值比值平均为0.95;UHPC的开裂强度仅取决于其自身材料特性,钢-UHPC组合板开裂荷载的提高不会影响UHPC层的开裂强度;UHPC层在可视裂缝出现时的应变硬化高度是组合效应及配筋对其约束的直观体现;减小纵筋保护层厚度或提高配筋率能够提高UHPC应变硬化区域高度,提高钢-UHPC组合板抗弯性能。

钢-UHPC组合桥面板UHPC层受力性能研究

首先采用有限元方法对带U肋和带倒T肋的两类钢-UHPC组合桥面板的UHPC层纵、横桥向应力及层间剪应力3个力学指标对比分析,随后建立了UHPC层的横桥向简化计算模型,最后对UHPC层厚度和层间粘结状态进行参数分析。结果表明:①两类钢-UHPC组合桥面板的UHPC层纵、横向应力及层间剪应力在数值大小、变化规律上均存在差异。②基于多跨弹性支撑组合梁模型计算得到的UHPC层横桥向应力与有限元值总体上吻合良好。③UHPC层的参数分析表明,增加UHPC层厚度和增强层间粘结均能有效降低其自身应力。