FRP-混凝土组合桥面板疲劳性能研究综述

FRP-混凝土组合桥面板是由底部FRP型材和上部混凝土通过各种组合连接方式结合而成的新型桥面板形式,由于FRP材料所具有高强轻质、良好耐久性能和良好抗疲劳性能等特点,经合理设计的FRP-混凝土组合桥面板在桥梁上部结构工程应用中具有显著性能优势和广泛应用前景,逐渐受到工程界重视.FRP-混凝土组合桥面板的疲劳强度计算、疲劳刚度退化、疲劳寿命评估以及在疲劳荷载下的动力响应机制等疲劳受力行为是直接关系到FRP-混凝土组合桥面板工程应用的关键问题,亟待开展相关试验与理论研究.本文综述介绍了国内外FRP-混凝土组合桥面板及采用FRP-混凝土组合桥面板的组合梁桥的应用情况与疲劳性能研究现状,并对今后需要重点研究的问题提出了相关建议.

GFRP-混凝土组合桥面板的试验研究及有限元分析

该文针对传统的钢筋混凝土桥面板在自然环境下内部钢筋锈蚀严重的情况,提出了一种新型的GFRP-混凝土组合桥面板,并进行了试验研究,将试验的实测结果与有限元计算值进行对比。结果显示:提高混凝土的强度等级比增大混凝土板厚能更加有效提高桥面板的极限承载力和增大构件的刚度。

FRP-混凝土组合桥面板单调静力性能的试验研究

采用抗剪连接件将FRP板与混凝土板连接起来共同承担外部荷载,即形成了FRP-混凝土组合桥面板.开展了采用FRP开孔板连接件和环氧树脂2种方式连接的FRP-混凝土组合桥面板的单调静力性能试验,重点对其破坏形态、承载力、变形、滑移等进行研究.研究结果表明:组合桥面板的破坏均以FRP板与混凝土板的连接界面破坏为标志;采用FRP开孔板连接件连接的组合桥面板,在FRP板与混凝土板界面处的滑移增量随荷载增大逐渐加大,最大滑移量为0.55 mm,而采用环氧树脂连接的组合板在整个加载过程几乎没有滑移;采用环氧树脂连接的桥面板比采用FRP开孔板连接件连接的桥面板的抗弯承载力高22%,极限跨中挠度比后者小13.4%,这主要是由于FRP开孔板连接件滑移较大所致.

新型FRP-混凝土组合桥面板的初步设计

本文阐述了使用不同FRP材料与混凝土结合形成一种质轻、刚度大、耐腐蚀且经济合理的组合结构的基本设计思路,提出了一种新型的FRP-混凝土组合桥面板的结构形式,给出了FRP-混凝土组合桥面板的简化失效分析方法及其计算公式,并提供了FRP-混凝土组合桥面板的初步设计步骤。

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。

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。

钢板-混凝土组合桥面板组合梁桥受力性能分析

为探明钢板-混凝土组合桥面板(SCCD)组合梁的抗弯性能与传力机理,明确组合桥面板底钢板的受力作用,建立经理论计算和试验模型验证的SCCD组合梁和普通钢混组合梁实体单元模型,并对比两者的受力性能。结果表明:与理论分析和模型试验结果相比,建立的实体单元模型计算结果的误差均在10%以内;将弹性设计方法与实体有限元计算结果进行对比,两种方法得到的SCCD组合梁屈服荷载和弹性极限刚度仅差5.17%和5.79%;由荷载-挠度曲线可知,SCCD组合梁破坏时,由于底部钢板的作用,使混凝土的荷载下降段较平缓,且应变增长量较大,而普通钢混组合梁下降段趋势明显。SCCD组合梁具有较好的延性和结构安全性。

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。

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。

FRP-混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究

在静力试验研究基础上,对一新型FRP-混凝土组合桥面板试件进行了高周疲劳试验研究,在疲劳试验各主要时刻停机进行了静载试验研究。疲劳试验研究主要考察了组合桥面板在疲劳循环荷载下组合板刚度、底板FRP应变、混凝土应变以及裂缝形态等受力行为发展过程,并采用光纤位移传感器对疲劳试验过程中组合板试件的最大动挠度、最小动挠度及各主要时刻停机后组合板残余挠度等动力响应进行了精确测量。疲劳试验研究结果表明,该文所研究的FRP-混凝土组合桥面板试件在经历310万次疲劳循环加载后无明显刚度和强度退化,具有良好抗疲劳性能。试验测量结果表明,该文所采用的光纤位移传感器测试技术测量效果较好,适用于疲劳荷载下试件动态挠度和残余挠度的精确适时测量。

GFRP-混凝土组合桥面板的疲劳性能试验研究

为研究现浇GFRP-混凝土组合桥面板的疲劳力学性能,探究组合桥面板的工程适用性,利用疲劳机(型号JAW-500K)完成了一片现浇试件的210万次疲劳荷载试验研究。试件采用粘钢胶掺加砂石的方式处理GFRP和混凝土的界面连接问题,加载方式为组合简支板跨中两点对称单调加载(即四点弯曲试验)。试验测量了一定加载次数后试件的跨中挠度、端部滑移和跨中截面沿高度方向的应变等结果,观察记录了裂缝数量和其对应荷载,分析了试件的刚度、应变分布和界面相对滑移等。疲劳试验完成后对组合板进行静载破坏试验,进一步分析了组合板的剩余承载力和界面相对滑移等。研究表明,该组合桥面板疲劳加载过程中刚度缓慢降低至稳定状态,剩余承载力相较于静载试件仅稍有降低, I型粘钢胶和砂石作为界面材料基本可以保证混凝土和GFRP板的整体性,弯剪区表观裂缝数量少。该组合桥面板刚度变化稳定,剩余承载能力折损小,界面抗滑移效果显著,抗裂性好,是一种抗疲劳性能良好的组合板形式,可为同类桥梁设计提供参考。

连续钢梁SFRC组合桥面板的优化设计

为探究中大跨径连续钢梁钢纤维混凝土(SFRC)组合桥面板优化设计方法,研究结合SFRC组合板偏拉试验与数值模拟所得SFRC受拉开裂特性,依据现有连续钢梁构造特点,采用SFRC代替原设计中C50混凝土铺装,通过Abaqus建立SFRC组合桥面板钢箱梁节段模型进行参数分析,考察了SFRC板厚、钢顶板厚、配筋率对主梁抗弯刚度、钢结构应力影响的特点。在此基础上以主梁弹性抗弯刚度和关键截面应力为约束条件,以上部结构自重与材料成本为优化目标,对中跨50 m和80 m连续钢梁进行优化。最后依据变量优化结果,采用Midas建立考虑负弯矩区SFRC开裂的杆系模型来验证优化结果的合理性。结果表明:文中引入材料塑性损伤的有限元分析方法具有可靠性,所建立的SFRC裂缝宽度与受拉损伤因子关系可以表征SFRC开裂状态。连续钢梁上80~120 mm厚SFRC层参与受力后使主梁弹性抗弯刚度提升17%~24%,当SFRC裂缝宽度达0.20 mm时,主梁抗弯刚度折减13%~20%;钢顶板应力降低7%~12%,主梁负弯承载力无明显变化。增大顶板厚度与配筋率均可有效改善钢顶板应力。对SFRC层厚、配筋率、钢顶板与顶板加劲肋尺寸进行优化分析,结果表明:相比原设计,优化后的50 m和80 m SFRC组合桥面板连续钢梁用钢量分别降低13%与6%,上部结构自重分别减小12%与6%,材料的成本分别降低14%与9%,该优化设计流程与优化结果可为SFRC组合桥面板在连续钢梁中推广应用提供参考。

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%.

基于微膨胀混凝土的组合梁斜拉桥桥面抗裂性提升研究

针对组合梁斜拉桥在极端工况下混凝土易开裂的问题,以风荷桥为研究对象,采用干燥收缩试验结合ABAQUS有限元分析的方法,对膨胀剂掺量抑制干燥收缩的效果,以及混凝土桥面板在超载和混凝土收缩共同作用下的受力状态进行了分析,研究其在极端状况下的抗裂性能。结果表明:1)12%掺量的膨胀剂可降低22%的混凝土收缩;2)在超载1倍的情况下,不掺膨胀剂的混凝土开裂严重;3)掺入12%膨胀剂的混凝土仅在极少处产生开裂,满足实际使用需求。

T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板力学性能研究

针对钢桥面柔性铺装病害频发的问题,提出采用纤维混凝土替代部分沥青柔性铺装,通过有限元分析软件MSC.Marc建立T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板实体有限元分析模型,选取纤维混凝土厚度、钢顶板厚度、T肋翼缘板厚度及横隔板间距4个参数进行力学性能分析。研究表明:纤维混凝土层的厚度及T肋翼缘板厚度的改变对组合桥面板的刚度影响显著;纤维混凝土层和钢顶板的厚度变化均对其影响较大,随着纤维混凝土及钢顶板厚度的增加,界面剪应力明显下降;增大横隔板间距对各力学指标的影响不太明显;在30m跨径下的T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面各构造参数的合理范围如下:纤维混凝土层厚度宜为80mm、钢顶板厚度宜为14mm;T肋厚度宜为10mm、横隔板间距应取1.5m。

钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板受力特点和不同厚度比受力特征分析

以上海G1503吴淞江大桥主桥钢箱梁为研究对象,采用ANSYS有限元软件建立全断面节段局部分析模型进行计算分析。研究钢-UHPC-普通混凝土组合桥面板的受力特点,并对不同厚度比的UHPC层、普通混凝土面层桥面板的受力特征做汇总对比,研究成果可为类似工程设计提供参考。

钢-钢纤维混凝土组合桥面板偏心受拉性能

为探究钢-钢纤维混凝土(SFRC)组合桥面板在主梁体系下的偏拉力学特征,分别设计制作了1个普通混凝土组合桥面板和1个SFRC组合桥面板试件进行偏拉试验,并引入材料塑性损伤模型进行有限元模拟,考察了偏拉荷载作用下SFRC对组合桥面板破坏形态、刚度折减、应变分布等力学性能的影响规律。试验及数值分析结果表明,相比普通混凝土,SFRC受拉裂缝数量多但宽度小;通过观测钢筋应变发展及分布可知,由于SFRC具有拉伸硬化特性,在开裂后仍能继续承担外部荷载;SFRC开裂后,其对组合板轴向抗拉刚度与侧向抗弯刚度贡献明显大于普通混凝土;当最大裂缝宽度分别为0.10和0.20 mm时,SFRC对组合板的轴向抗拉刚度贡献为36%和22%,普通混凝土仅为15%和11%;SFRC对组合板的侧向抗弯刚度贡献为41%和27%,普通混凝土仅为29%和17%,表明SFRC开裂后仍可考虑其对组合桥面板刚度贡献。此外,结合理论推导分析了组合板在钢结构全截面屈服时的承载力,结果表明,SFRC和普通混凝土对组合桥面板极限承载力贡献不显著。

钢纤维混凝土组合桥面板钢箱梁抗负弯性能

对1个C50混凝土组合板和1个钢纤维混凝土(SFRC)组合板试件进行偏拉试验和基于材料塑性损伤的有限元模拟,考察了组合板开裂特性与拉伸刚度变化。在此基础上,建立了钢‒混凝土连续箱梁负弯矩区节段模型并进行了参数分析,探究了混凝土材料、SFRC板厚、配筋率对主梁力学性能的影响特征。试验与模拟结果表明:SFRC板开裂呈裂缝细密特点;当裂缝宽度达0.10 mm和0.20 mm时,SFRC板对组合板轴拉刚度剩余贡献为44%和23%,C50板剩余贡献为12%和9%,表明裂后SFRC板仍可参与受力。参数分析结果表明:当SFRC板裂缝宽度达0.10 mm时,SFRC板对主梁抗弯刚度的剩余贡献约为C50板的2倍;此状态下80~120 mm厚SFRC板的主梁抗弯刚度相比未开裂状态下降约11%;增大SFRC板配筋率可改善其损伤程度,但对提高主梁抗弯刚度作用较小。

波形钢板-混凝土组合桥面板焊接残余应力与疲劳性能研究

为了解波形钢板-混凝土组合桥面板中考虑残余应力时波形钢板-横隔板焊接部位的疲劳性能,采用热-结构顺序耦合法对波形钢板-横隔板焊缝的焊接及冷却过程进行有限元模拟,研究焊接及冷却过程后所产生的残余应力场,并基于应变能的评估方法对组合桥面板波形钢板-横隔板焊接区域疲劳寿命进行评估。结果表明:波形钢板-混凝土组合桥面板中波形钢板-横隔板焊接区域在焊接过程中焊缝的温度急剧变化,温度最高可达到1439 ℃,热源作用位置附近的温度梯度较大;起弧和落弧位置残余应力分布较为不均匀,应力梯度较大;其中横隔板上焊缝的下部水平段处竖向残余应力最大(400 MPa)因此应考虑焊接残余应力对结构受力的影响;波形钢板组合桥面板波形钢板-横隔板焊接部位最不利疲劳易损细节为第2纵肋左侧下部倒角波形钢板焊趾处,基于考虑焊接残余应力的应变能的评估方法计算得出波形钢板-混凝土组合桥面板最不利疲劳易损部位的疲劳寿命为60年,小于100年的设计使用寿命,因此采用波形钢板-混凝土组合桥面板的桥梁在运营60年后应在加强波形钢板-横隔板焊缝处疲劳破坏的监测。

焊钉布置对钢-超高性能混凝土组合桥面板收缩效应影响

为探究不同焊钉布置对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板收缩效应的影响规律,进行了常温养护条件下焊钉间距分别为200 mm和300 mm的足尺节段组合桥面板收缩监测试验,并利用有限元分析软件对试验模型进行了收缩模拟,在此基础上开展了不同焊钉间距下组合桥面板收缩效应的参数化分析。试验监测结果表明:试验中UHPC初凝时间约为17 h。钢-UHPC组合桥面板边缘区域UHPC收缩量较中心区域更大,前72 h最大收缩量约为450×106;当焊钉间距从200 mm增加到300 mm后,UHPC受整体约束减弱,其中钢板约束作用下降,最大压应变减小约51.6%;钢筋约束作用增强,最大压应变值增加约42.9%。有限元分析表明:UHPC与钢板端部界面处应变差增加20.9%,滑移最大处焊钉剪应力增加64.7%。参数化分析可知:当焊钉间距从100mm增加至400 mm时,跨中UHPC拉应力减小3.7%;跨中钢板压应力减小17.8%,钢筋压应力增加86.3%。以上结果表明焊钉间距增加使钢与UHPC之间组合作用减弱的同时,引起了结构次内力的分布变化,UHPC与钢结构的次内力减小,钢筋承担的约束作用增强,压应力增大。适当地增加焊钉间距可以减小收缩引起UHPC拉应力和钢结构次内力,但需要注意组合作用减弱对力学性能的影响。