钢-UHPC轻型组合桥面板实桥试验研究

钢-UHPC轻型组合桥面板是一种由正交异性桥面与密集配筋的UHPC薄层通过剪力钉连接而成的新型桥面结构.为研究UHPC层对钢-UHPC轻型组合桥面结构性能的影响,以枫溪大桥为工程背景,研究正交异性钢桥面常见疲劳细节在铺设UHPC层前、后的应力幅变化.首先通过整体有限元模型确定测点位置以及加载范围,然后根据加载方案分别在铺设UHPC层前后采用三轴加载车进行低速加载试验,同时采集并整理正交异性钢桥面常见疲劳细节应力响应试验数据,最后建立了节段有限元模型并与实测结果进行对比分析.试验结果表明:铺设UHPC层后,常见疲劳细节应力响应均有明显降低,其中面板上的细节(纵肋-面板焊缝、面板对接焊缝、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝面板位置)应力幅降幅比例最大,高达75%～90%;其次为纵肋上疲劳细节(纵肋底部对接焊缝、纵肋-横隔板焊缝焊缝端部位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝纵肋位置)应力降幅约为65%～80%;最后为横隔板上疲劳细节(横隔板弧形切口、横隔板弧形切口起点位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝横隔板位置)应力降幅约为20%～50%.同时,随疲劳细节与顶面距离的减小,UHPC层对细节应力降幅的贡献明显增大.有限元模型结果与实测结果吻合较好,也得出了相似的规律.本文实测结果为推广钢-UHPC轻型组合桥面的应用提供了最直接的数据参考.

带板肋的钢-UHPC轻型组合桥面板计算与试验研究

为解决钢混结合段区域U形加劲肋传力不流畅,受力以及施工复杂等问题,提出一种新型的带板肋的超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面板,通过有限元分析将其抗疲劳性能与带U肋超高性能组合桥面板进行对比分析研究,并进一步对该结构在负弯矩作用下的承载能力,UHPC层的开裂应力,破坏模式以及荷载挠度关系进行实桥足尺模型试验研究。结果表明:(1)板肋组合桥面结构在疲劳性能上有更大优势,其在疲劳细节2,3,4上的应力幅均大大低于U肋组合结构;(2)足尺模型试验得到板肋轻型组合桥面结构的开裂应力为20.1 MPa略低于U肋轻型组合结构23.6 MPa;(3)板肋组合结构的破坏模式均为加劲肋屈服导致结构丧失承载能力而发生破坏,而U肋组合结构的破坏模式为横隔板屈曲失稳破坏于工程应用不利;

型钢-UHPC轻型组合桥面板受力特性研究

为解决传统钢主梁斜拉桥桥面铺装层易破坏及钢-混凝土组合梁斜拉桥混凝土桥面板的开裂问题,提出了采用型钢-UHPC轻型组合桥面板的组合梁斜拉桥。以某独塔混合梁斜拉桥为例,分析了在车辆荷载及疲劳荷载作用下,轻型组合桥面板的受力特性。计算结果表明,轻型组合桥面板的各部分构件均可满足规范要求。

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。

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%.

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。

预制拼装钢-UHPC组合桥面板湿接缝抗弯性能研究

纵肋上置并形成PBL剪力连接件的钢-UHPC组合桥面板是一种新型桥面结构。该结构采用预制拼装施工,工厂预制钢-UHPC组合梁段,现场进行施工组装,相邻钢梁通过焊接形成一体,而相邻UHPC桥面板则通过现浇UHPC湿接缝连成一体,湿接缝是其薄弱部位。针对该新型结构其湿接缝相关研究较少的问题,该文以某实际工程为背景,完成钢-UHPC组合桥面板湿接缝足尺模型抗弯性能试验。建立Abaqus有限元模型,并采用试验结果校核有限元模型。在此基础上,进行了湿接缝截面模拟方式、钢面板厚度、UHPC层厚度和燕尾榫角度的有限元模型参数分析。对比美国土木工程师协会(ASCE)、《美国房屋建筑规范》(ACI)以及中国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)关于构件的刚度计算公式,发现中国规范计算值更接近试验值。基于普通钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算公式,结合试验数据进行了参数修正,并用有限元模型结果进行了校核。结果表明:钢-UHPC组合桥面板湿接缝有着优异的延性和刚度;采用摩擦行为模拟湿接缝界面计算成本小且计算效果良好;增加钢板厚度或UHPC层厚度均能有效提高构件刚度和承载力;燕尾榫角度对构件的刚度和承载能力影响很小;参数修正后的抗弯刚度计算公式能较好地计算钢-UHPC组合桥面板构件跨中位移。

钢-UHPC轻型组合桥面板横向受力性能

为研究一种正交异性钢-超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构,在局部车轮荷载作用下的横向受力性能与横向受力组成,进行了足尺模型静载试验和有限元数值模拟。静载试验对同一足尺模型分别进行了横向简支工况和横向悬臂工况的加载试验,通过边界条件的变化来模拟组合桥面板不同的受力状态,并将试验结果与有限元分析结果进行对比,验证有限元模型的正确性,而后利用有限元模型的分析结果,得到组合桥面板在局部车轮荷载下的横向受力组成。研究结果表明:组合桥面板在车轮荷载作用下,其横向受力局部效应明显,横向应力主要局限于荷载作用区域附近的两道U肋范围内;在车轮荷载影响区域内,由横肋弯曲产生的桥面板整体附加弯矩的影响很小,组合桥面受力以第3体系为主,相应截面弯矩达到了总弯矩的75%,而在其他区域,第3体系受力所占比重迅速衰减,组合桥面受力以第2体系为主;加载至300kN时,组合桥面板受力仍处于弹性阶段,UHPC层顶面最大横向应力达到11.9 MPa仍未开裂,满足设计要求。

波形钢-混凝土组合桥面板力学性能研究综述

介绍了波形钢-混凝土组合桥面板在实际工程中的应用概况及力学性能研究现状。研究成果表明:(1)与混凝土桥面板相比,该新型组合桥面板自重轻,且具有较高的抗弯承载力和刚度;与钢桥面板相比,该新型组合桥面板抗疲劳性能优异。基于以上优点,该新型组合桥面板具有广阔的应用前景。(2)目前针对波形钢-普通混凝土组合桥面板开展的研究主要集中在组合桥面板的静力性能上,需要对其疲劳性能开展更多的理论及试验研究;目前针对波形钢-超高性能混凝土组合桥面板的相关研究较少,需要对其开展更多的静力性能和疲劳性能研究。(3)将超高性能混凝土应用于该新型组合桥面板中,合理选择剪力连接件型式,在保证波形钢板与混凝土之间可靠连接的前提下,进一步减少焊缝数量,提高其抗疲劳性能,是该新型组合桥面板的发展方向。

桥面板施工顺序对钢-混组合梁桥的受力影响研究及优化

为分析桥面板施工顺序对钢-混组合梁桥成桥受力性能的影响并优化现有的桥面板施工顺序,基于钢-混组合梁桥的受力过程,以交通部颁发的装配化钢-混组合梁通用图为依托,选取3×40 m钢-混组合连续梁桥为对象进行研究。采用桥梁博士软件建立钢-混组合梁桥有限元模型,以桥面板施工工序和结构体系转换时间为变量,分析7种桥面板施工顺序下的结构受力性能。结果表明:钢-混组合截面的受力模式分为一次受力状态和分阶段受力状态,其中采用一次受力状态的施工顺序具有施工方便、成桥整体刚度大、钢梁应力小的优点,但存在支点处桥面板拉应力过大的缺点;分阶段受力状态的施工顺序能有效降低支点处桥面板拉应力,但成桥钢梁应力偏大,结构刚度不足。针对采用上述2种受力模式的施工顺序不能兼顾结构成桥性能(钢梁应力、整体刚度等)较优与控制支点桥面板拉应力的问题,提出优化的混合受力状态的施工顺序,该顺序既保留了一次受力状态较优的成桥性能又显著降低了支点处桥面板拉应力,兼顾了上述2种受力模式的优点,可为钢-混组合梁桥的设计和施工提供参考。

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组合梁桥负弯矩作用下的设计优化

负弯矩区开裂是钢混组合梁桥的主要技术难题,利用钢-超高性能混凝土(UHPC)可以显著改善甚至规避钢混组合梁桥负弯矩区的开裂问题。本文基于钢-UHPC组合梁数值分析,研究了不同设计参数对钢-UHPC组合梁桥在负弯矩作用下的极限承载能力和开裂弯矩的影响。研究结果表明,采用一定厚度的UHPC和普通混凝土组合的方式可以显著改善结构的抗裂性能,而增加UHPC强度等级、厚度尺寸以及栓钉的直径对于刚度和极限抗弯承载能力并没有显著影响。这些结果可以为钢-UHPC组合梁桥的设计提供优化参考。

T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板疲劳性能分析

为研究T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板疲劳性能,以某座T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板体系的连续钢箱梁桥为研究对象,进行局部足尺模型的疲劳性能试验,并建立有限元模型。在验证有限元模型正确的基础上,通过有限元模型计算,确定组合桥面板疲劳细节最不利位置,并对比各疲劳细节最不利位置刚度、热点应力以及应力集中系数,分析混凝土桥面板和栓钉布置形式对组合桥面板疲劳性能的影响。研究结果表明:通过局部足尺模型试验的实测数据,验证了有限元模拟方法的相对误差均不超过10%,具有较好的精度;与无混凝土板的纯钢T型加劲肋钢桥面板试件模型相比,铺设混凝土组合桥面板试件的整体刚度更高,并且大幅降低了各疲劳细节的热点应力;采用“错焊”栓钉布置形式,可以有效降低钢顶板与T肋的双面角焊缝处应力集中系数,最大减幅接近20%,建议在实际工程中应避免将桥面板栓钉“正焊”于T肋上方。

预制桥面板存放龄期对钢-混组合梁受力的影响分析

为了研究预制桥面板存放龄期对钢-混组合梁受力的影响,以实际工程中两座跨径为5×35 m和40 m+60 m+40 m的钢-混组合连续梁为例,对比研究混凝土收缩、徐变对成桥状态桥面板轴向拉力和裂缝宽度以及预制桥面板的存放龄期对成桥状态钢梁应力的影响。结果表明,可通过延长存放龄期来减小桥面板的裂缝宽度;预制桥面板的存放龄期对成桥状态钢梁上、下缘的应力都有影响。

80m连续钢桁梁钢板-混凝土组合桥面板的设计分析

钢板-混凝土组合桥面板是轻薄型桥面板,混凝土用量低、承载能力高、施工无模板化、经济效益突出,能够适用于丰富的桥型和满足更大跨径桥梁的需求。以某80m连续钢桁梁为例,结合板桁组合结构的受力特性,对各个体系的受力情况进行具体分析,探讨钢板-混凝土组合桥面板在山区钢桁梁桥中的设计与应用。

钢板-UHPC组合桥面板抗弯性能试验及有限元分析

将正交异性钢桥面板的纵肋开孔并上置作为剪力连接件(PBL剪力键,PBL为德语Perfobond Leiste的缩写,意同英文的Perfobond rib或Perfobond strip),使钢板和UHPC(Ultra-High Performance Concrete,超高性能混凝土)形成组合桥面结构,具有解决传统正交异性钢桥面板易疲劳开裂和铺装层易损坏的问题的潜力。为了研究该组合结构的抗弯性能,基于某实桥其钢板-UHPC组合桥面板的设计,进行足尺条带模型正弯矩加载试验,得到其荷载-挠度关系,裂缝发展和分布情况、钢板和UHPC的荷载-应变关系以及底钢板与UHPC界面的相对滑移情况等。静载试验结果表明:横截面变形基本符合平截面假定,PBL剪力连接件能保证底钢板与UHPC层的协同受力,同时,该结构具有良好的延性。基于试验结果,采用3种不同的方式模拟钢板和UHPC的界面行为,建立了Abaqus有限元模型。对比发现,采用“面-面接触(无摩擦)”方式模拟UHPC和钢板的接触行为的有限元模型其计算结果与试验值吻合更好。利用该模型进一步进行参数分析,探究UHPC层厚度、底钢板厚度、顶层和底层纵向钢筋的直径,开孔板孔距等因素对构件抗弯性能的影响。计算结果表明,UHPC层厚度、底钢板厚度是影响钢板-UHPC组合板抗弯性能的关键因素。

配置纤维增强筋的钢-UHPC组合桥面板抗弯性能试验研究

为提升钢-UHPC组合桥面板的结构性能,考虑采用纤维增强筋替代UHPC中的钢筋。为研究配置纤维增强筋的钢-UHPC组合桥面板的弯曲抗裂性能,寻求合理的纤维增强筋,设计、制作4组钢-UHPC组合桥面板试件(抗裂筋分别采用钢筋、CFRP筋、GFRP筋和BFRP筋,每组2个),开展弯曲试验,以钢筋试件为参照,对比3类纤维增强筋试件的挠度、应变和裂缝发展规律。结果表明:各类试件的荷载~挠度曲线、荷载~应变曲线和荷载~最大裂缝宽度曲线的发展均与抗裂筋的力学性能密切相关;抗裂筋的弹性模量决定了钢-UHPC组合桥面板试件的抗弯刚度和裂缝控制能力,CFRP筋具有与钢筋相当的弹性模量,故其抗弯刚度大、裂缝控制能力强,而GFRP筋和BFRP筋弹性模量显著小于钢筋,故其裂缝控制能力较差;抗裂筋的抗拉强度决定了钢-UHPC组合桥面板试件的抗弯承载力,3类纤维增强筋的抗拉强度均高于钢筋,故其极限承载力均高于钢筋试件。为确保钢-UHPC组合桥面板的抗裂性能,建议必要时采用CFRP筋替代钢筋。

钢-UHPC组合连续桥面板足尺模型试验研究与理论分析

富龙西江特大桥为广东省佛山市在建的一座组合斜拉桥,该桥主跨580m。主梁采用钢-UHPC轻型组合梁,由钢箱梁和钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板构成。钢-UHPC组合桥面板受到钢箱梁横隔板的支承,作为多跨连续板承担车轮荷载等局部作用。因此,为研究该新型桥面板的受力性能,开展了2个钢-UHPC组合连续板的足尺模型试验。试验结果表明:试件均发生延性的弯曲破坏,中支座变截面处为负弯矩区的危险截面;随着三个塑性铰先后出现在危险截面和两个跨中截面,连续板发生了显著的内力重分布;弯矩重分布呈现出两阶段特征,两试件的重分布系数分别达到27%和44%;正负弯矩区均满足平截面假定,荷载达到峰值时试件全宽进入塑性状态。根据上述试验现象,提出钢-UHPC组合板抗弯承载力的计算公式,其准确性得到了该文和文献试验结果的验证。

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。

轻型钢-UHPC组合桥面板的疲劳可靠性评估

为了研究轻型钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板的疲劳可靠性,以广东虎门大桥为实例,建立局部梁段有限元模型,基于可靠度理论和疲劳累积损伤模型,计算并对比钢-UHPC组合桥面板和沥青混凝土铺装桥面板易疲劳开裂细节的疲劳可靠度,并研究UHPC层厚度等参数对轻型组合桥面板疲劳使用寿命的影响。研究结果表明:与沥青混凝土铺装桥面板相比,轻型组合桥面板可有效提高桥面板各疲劳细节的疲劳可靠度,延长其疲劳使用寿命;UHPC层厚度、交通量增长率以及车辆超载对轻型组合桥面板疲劳细节的疲劳使用寿命均有显著影响:当UHPC层厚度在一定范围(35~55 mm)时,厚度每增加10 mm,疲劳使用寿命至少延长37%;当年交通量增长率为5%时,疲劳使用寿命缩短超过45%;当车辆超载率为50%时,疲劳使用寿命缩短约70%。