钢-STC组合桥面板静力及疲劳性能分析

传统正交异性钢桥面板结构易疲劳开裂,掺入钢纤维的超高性能混凝土因其优异的韧性和抗拉强度,可提高桥面结构的刚度和耐久性,缓解疲劳开裂问题。然而,目前结合实际工程对考虑超高性能混凝土作为结构层受力与传统正交异性桥面板性能的差异的量化分析仍较欠缺。因此,以清远市北江某桥为背景建立节段箱梁精细化有限元模型,对纯钢桥面板和钢-STC组合桥面板的结构进行超高性能混凝土层参与受力对桥面结构静力及疲劳差异的量化分析。结果表明,铺设超高性能混凝土层后可显著提高主梁刚度,较大幅度降低箱梁顶板应力,基本消除钢桥面的疲劳开裂病害问题。

悬索桥板桁结合加劲梁钢-STC组合桥面支承体系设计优化

杭瑞高速岳阳洞庭湖大桥为(1 480+453.6)m双塔双跨钢桁梁悬索桥,主梁为采用了钢-STC轻型组合桥面的板桁结合型钢桁加劲梁,钢-STC轻型组合桥面支承体系由横向桁架支承及桥面纵、横梁支承组成。采用ANSYS软件建立主梁节段有限元模型,针对组合桥面支承体系,从横向桁架结构形式、桥面纵横梁体系及其结构尺寸等方面进行设计优化。结果表明,带竖腹杆的横向桁架结构形式在桥面刚度、构件应力水平方面均具有较大优势;多横梁体系桥面刚度大,桥面构件应力水平低,适用于钢-STC轻型组合桥面。洞庭湖大桥板桁结合加劲梁钢-STC组合桥面支承体系采用带竖腹杆的横向桁架,纵横梁支承体系采用在横向桁架竖腹杆位置设置边纵梁、次横梁间距2.8m的多横梁体系,能够很好地兼顾结构刚度、应力水平及钢材用量。

新型正交异性钢板-STC组合桥面结构研究与应用

为综合解决钢桥面体系中正交异性钢桥面结构疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损两种病害问题,本文提出了新型正交异性钢板—超高韧性混凝土(STC)组合桥面结构,基于广东省肇庆市马房大桥,开展了新型正交异性钢板—STC组合桥面结构足尺模型试验。试验结果表明,STC具有良好的抗拉性能,其最大拉应变达到955με而未出现开裂,因而能够适应马房大桥上的受力状态。2011年,新型正交异性钢板—STC组合桥面结构成功应用于马房大桥第11跨,各道施工工序均方便可行,且现浇的STC层经高温蒸汽养护后,未出现任何收缩裂缝。同时,实桥检测表明,增设STC层后,桥面系的局部刚度显著提高,车载引起桥面系构件中的局部应力降低了80%—92%,将有助于提高桥面系的抗疲劳寿命。

日本UFC桥面板和UFC组合桥面板的研发与应用

日本较早期建设的城市高速公路桥梁中主要采用钢桥面板和混凝土桥面板。针对钢桥面板的焊缝疲劳开裂和混凝土桥面板的老化现象,研发了超高强度纤维增强混凝土桥面板(UFC桥面板)及UFC组合桥面板,具有高强度、高耐久性。UFC桥面板分为平板型和方格肋型2种类型,可应用于既有公路桥梁的桥面板更换以及新建公路桥梁的桥面板。UFC组合桥面板为在预制PC桥面板顶面设UFC层作为防水层,可省去预制PC桥面板防水层施工,提高施工效率。UFC桥面板和UFC组合桥面板在预制场预制、现场安装,施工便捷,已实际应用在阪神高速公路15号堺线玉出匝道桥桥面板更换工程、阪神高速公路1号环线信浓桥匝道桥新建桥梁工程、东北高速公路宫城白石川桥上行线既有桥面板更换等工程上,可提高桥梁结构的耐久性、减少桥梁养护工作量、降低养护成本。

钢-混组合梁桥荷载横向分布系数的影响参数分析

荷载横向分布系数的准确性直接关系到多主梁钢-混组合梁桥设计的技术经济性。文章利用有限元软件计算了钢-混凝土组合梁桥的应变及挠度,通过分析组合梁抗弯刚度,分析了荷载横向分布系数的主要影响参数,获取了护栏、曲率、横梁、横坡和桥面连续层等对组合梁荷载横向分布系数的影响规律。结果表明:护栏和桥面连续层对组合梁的荷载横向分布系数影响较大,尤其是边梁,荷载横向分布系数变化可约达20%,当计入护栏影响时,桥面连续层对边梁应变分布的影响减小,而对内梁应变分布的影响增大;当曲率<1/20、横坡<4%、无横梁时,3类参数对组合梁的荷载横向分布系数影响较小。设计时保守考虑,通常忽略护栏和桥面连续层对组合梁刚度和荷载横向分布系数的影响,针对文章所提参数的影响范围,在组合梁设计时可予以参考。

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.

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。

轻型组合桥面板的疲劳性能研究

疲劳性能是钢桥面板设计的主要关注点,为研究轻型组合桥面板的疲劳性能,以广东虎门大桥为背景,建立局部有限元模型,利用热点应力法,对不同厚度超高性能混凝土(UHPC)层情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节,进行应力幅计算。然后,对采用45mm厚UHPC层的轻型组合桥面板进行UHPC层及栓钉应力(剪力)分析,并依据前人和二次疲劳足尺模型试验对UHPC层的抗弯拉疲劳性能进行评价。研究结果表明:轻型组合桥面板中UHPC层对于钢面板与纵肋连接细节,应力幅改善作用很大,而对其余细节,其改善程度相对较小;采用45mm厚UHPC层时,前者应力降幅高达51%~82%,后者降幅为21%~28%;面板与纵肋连接细节、纵肋对接细节及横隔板弧形切口细节的疲劳开裂风险可完全消除;UHPC层峰值拉应力为11.91MPa,两次疲劳试验表明其抗弯拉疲劳性能远超虎门大桥的要求。

UHPC加固在役大跨径悬索桥钢桥面:实桥试验与理论分析

为解决大跨径钢桥正交异性钢桥面板普遍存在的疲劳开裂且维修困难等问题,提出了一种疲劳裂缝可免修复的UHPC加固新结构.以一座在役大跨径悬索桥为研究对象,介绍了新结构的应用背景,并对大桥原沥青铺装、裸钢桥面、钢-UHPC轻型组合结构三种桥面状态分别开展了现场试验.基于试验结果,系统揭示了钢桥面4类典型疲劳细节的受力特性,包括应力分布规律和加固后的应力降幅,同时,对实桥建立了局部梁段有限元模型,模拟试验中的所有加载工况并进行了对比分析,发现计算得到的应力响应面与试验结果基本一致,最大误差约为10%.研究结果表明:对于每类疲劳细节,其在纯钢桥面和原沥青铺装两种状态下的应力基本无差异,表明原沥青铺装劣化严重,无法改善钢桥面的疲劳受力状态;而对比铺设UHPC前、后,钢面板上的疲劳细节应力降幅达41%~85%,其中,钢面板-U肋焊缝细节应力降幅为85%,顶部过焊孔处细节应力降幅为44%,而横隔板与U肋交叉部位细节应力降幅为41%,表明UHPC加固薄层有效提高了钢桥面的局部抗弯刚度,从而降低了车辆荷载作用下钢桥面的应力水平.此外,得到了钢桥面上不同疲劳细节的应力响应线,结果表明,各疲劳细节的应力响应因测点位置不同而存在一定差异.顶部过焊孔处细节横桥向压应力响应范围较小,而拉应力响应范围较大;面板及顶部过焊孔处细节的纵向应力响应线较短,而U肋-横隔板连接处细节的应力在3道横隔板或横肋范围内仍保持较高水平.

波形顶板-UHPC组合桥面板优化设计

为解决正交异性钢桥面板的疲劳问题,从其根本原因和提高其抗疲劳性能的基本途径出发,提出一种新型波形顶板-UHPC(超高性能混凝土)组合桥面板结构体系.确定影响新型桥面板受力特性的主要参数及其合理取值范围,使用基于BP(back propagation)神经网络的优化设计模型对结构进行优化设计,就所优化的结构尺寸进行疲劳性能测试.研究结果表明:该结构能大幅减少桥面板结构中的几何构型不连续部位数量和焊缝数量,显著提高顶板局部刚度;波形钢板高度、顶部和底部水平段宽度是结构受力性能的重要影响参数;基于BP神经网络的优化设计模型适用于该类桥面板结构的优化设计,最大误差为4.4%;新的结构体系具有良好的疲劳性能,疲劳寿命超过200 a,为正交异性钢桥面板的疲劳问题提供了较好的综合解决方案.

整桥-温度-重载耦合作用下钢桥面黏结层力学分析

建立了整桥鱼脊骨模型和基于复合材料层合板单元的铺装层体系计算模型.首先分析了整桥应力场及局部梁段的温度场对防水黏结层的作用效应以及最不利工况,然后得到黏结层在重载、整桥应力场及日照温度场耦合作用下的最不利层间剪应力.计算结果表明:整桥应力场作用时,黏结层在受扭梁段受层间横向剪应力为主,而在受弯及受拉梁段受层间纵向剪应力为主;当日照温度场作用时,受层间横向剪应力较大;重载作用下,黏结层层间横向剪应力明显大于纵向剪应力,且与荷载集度呈线性关系.在整桥-温度-重载多场耦合作用下,分析得到黏结层的最不利受力状态,并基于贡献率的概念,分析了整桥应力场、日照温度场及车辆荷载各自对黏结层层间剪应力的贡献情况.车辆荷载作用对黏结层层间横向剪应力的贡献率仅为80.1%,对黏结层层间纵向剪应力贡献率为89.3%.

重庆东水门长江大桥设计关键技术

重庆东水门长江大桥主桥为双塔单索面公轨两用半飘浮体系部分斜拉桥,跨径布置为(222.5+445+190.5)m。桥塔采用天梭造型。主梁采用2片桁双层桥面钢桁梁型式,桥面采用板桁组合体系。斜拉索采用单索面稀索体系,每根斜拉索由139束平行钢绞线组成,最大索力15 000kN。索梁锚固采用在钢横梁中点位置设置大型钢锚箱的型式;索塔锚固采用外置式钢锚箱型式,钢锚箱通过剪力钉与分离式塔肢进行连接,索力由剪力钉、锚箱侧拉板和摩擦力共同承担。开发了用于超大吨位钢绞线斜拉索整体张拉的调索设备。开展板桁组合式桥面板的传力机理理论及试验、超大吨位钢绞线斜拉索的疲劳试验、索塔锚固区足尺模型试验等相关研究,验证了结构的安全性和合理性。

跨座式单轨交通桥梁结构体系研究

为合理选择跨座式单轨交通桥梁结构体系,以适应城市复杂的建设条件及跨越需求,对PC轨道梁、双层复合结构、钢轨道梁3种类型轨道梁的适用性进行分析,并从设计、施工和成本等方面对铰支体系和刚构体系2种结构体系进行比选。结果显示,跨座式单轨交通桥梁轨道梁施工应采用工厂预制、现场拼装的施工工艺;对非小曲线的小跨径标准梁桥应根据工期需要选择铰支体系或刚构体系混凝土轨道梁;对于小曲线段及中、大跨径节点桥宜采用刚构体系钢轨道梁桥,当大跨径桥梁附加应力过大、结构受力不合理时,宜采用铰支体系钢轨道梁桥。

钢简支梁的新型桥面连续结构抗弯性能试验研究

简支梁桥桥面伸缩缝多,导致行车不舒适,因而多跨简支梁采取桥面连续的措施被广泛应用。海南铺前跨海大桥引桥跨越地震带,为提高行车舒适性,同时达到强震下保护钢梁梁体的目的,文章提出受力性能优良、易修复的钢-STC(super toughness concrete,简称STC)轻型组合简支变桥面连续结构。为探明该简支梁的新型桥面连续结构的抗弯性能,设计两种方案,并对两种方案分别开展负弯矩区足尺模型试验。结果表明,方案2的裂缝开展集中在螺栓连接带区域,而方案1螺栓带STC基本无裂缝发展。从破坏模式看,方案1为U肋受压屈服,螺栓未剪断;方案2为螺栓剪断,U肋未屈服,这意味着在强震下简支变桥面连续结构可保护钢箱梁主体结构。通过有限元软件对试验进行仿真模拟,计算结果与试验结果吻合良好。在此基础上,对两种桥面连续结构方案进行实桥有限元计算,结果表明,两种方案均能满足正常使用极限状态的使用要求,但方案2中STC层的抗裂安全系数(21.4MPa/19.7MPa=1.09)高于方案1(22.4MPa/22.0MPa=1.02)。通过计算两个方案的设计弯矩,并与试验得到的极限抗弯承载力比较,方案1和方案2的承载力系数分别为1.1和1.8,方案2高于方案1。同时计算得到两个方案的转角刚度基本持平,均高于原简支梁设计方案。综合试验结果和计算结果,方案2优于方案1,目前该方案已应用于海南铺前跨海大桥的引桥工程中。

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%。

轻型组合梁桥面板在日照作用下温度梯度效应研究

通过有限元分析模拟厚度为50 mm的超高性能混凝土层(UHPC)的轻型组合桥梁结构在日照作用下的温度场,得出轻型组合梁桥面板的温度沿截面竖向呈线性分布。且当UHPC厚度为50 mm时,不考虑铺装层时温差峰值为7.62℃,而考虑铺装层时温差峰值增加到8.55℃,这与我国现行桥梁规范的规定不一致,故应在轻型组合梁桥面板的温度梯度分析中计入铺装层的影响。通过对一特大跨径悬索桥的整体计算,其结果表明,由日照温差引起的UHPC最大拉应力值为2.4 MPa,由汽车活载产生的UHPC最大拉应力值为5.0 MPa,对比发现轻型组合梁桥面板的温度梯度效应是不可忽略的。

高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力简化计算方法

为研究高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力简化计算方法,采用ANSYS有限元分析,探讨钢-STC-SMA结构厚度、环境温度、桥面纵坡等对层间应力的影响规律,建立轻型组合桥面铺装层间应力估算模型,提出层间最大剪应力、最大法向拉应力简化计算公式.研究结果表明:SMA厚度、STC厚度、环境温度、桥面纵坡等对层间应力有不同程度的影响;在最不利荷载组合下,不计桥面纵坡时,层间最大剪应力变化范围为0.38~0.55 MPa(常温)、0.35~0.55 MPa(高温);层间最大法向拉应力变化范围为0.18~0.23 MPa;层间应力随着桥面纵坡的增加而线性增加,纵坡从0%增加到8%,层间最大剪应力升幅为9.4%(常温)、12.0%(高温),层间最大拉应力升幅为12.0%(常温)、12.5%(高温);通过纵坡坡度修正,建立高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力通用计算公式,并与实桥有限元计算结果对比,误差在9%以内,说明本文提出的计算方法可用于估算不同纵坡下高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力.

轻型组合桥面超薄磨耗层层间黏结性能研究

为减轻桥面铺装结构自重,选取厚度为7~10 mm树脂沥青罩面(EBCL)和薄层聚合物罩面(TPO)开展研究。通过复合试件层间剪切试验和拉拔试验,探究常温、高温条件下,EBCL-UHPC、TPO-UHPC界面黏结性能,提出增加剪切模量E_d评价复合结构层间黏结状态;通过模拟高温、紫外线光照、水损害3种不利环境条件,探究EBCL-UHPC、TPO-UHPC界面的耐老化性及劣化规律。结果表明:两种复合试件拉拔和剪切破坏都发生在UHPC与磨耗层的交界面,说明层间是薄弱部位;EBCL-UHPC层间拉拔强度、剪切强度及剪切模量分别为4.39 MPa,10.68 MPa,2886 N/cm^3,TPO-UHPC层间拉拔强度、剪切强度及剪切模量分别为4.21 MPa,10.33 MPa,2604 N/cm^3,常温下二者黏结性能相当;相比于常温,高温(60℃)条件下EBCL-UHPC层间拉拔强度、剪切强度及剪切模量分别下降了73.1%,80.15%,58.42%,TPO-UHPC分别下降了51.1%,68.1%,46.97%,温度对两类材料层间黏结性能有显著影响,TPO表现出更好的高温稳定性;在高温、紫外线光照和水损害不利环境下,两类复合试件层间黏结性能均有一定程度下降,但仍保持良好的状况,具有较好的耐老化性能;不同环境下老化程度存在差异,环境影响程度排序为:水损害>紫外线光照>高温;3种环境老化循环次数下,剪切模量与剪切强度的劣化规律基本一致,但剪切模量的劣化程度要低于剪切强度。对某长江公路大桥进行实桥仿真分析和有限元计算的结果表明:EBCL-UHPC和TPO-UHPC均能满足常温、高温条件下层间受力要求,且有足够安全储备。

福州道庆洲大桥总体设计及关键技术

福州道庆洲大桥采用“公路+轨道”双层合建方式,上层为6车道城市主干道兼一级公路和人行非机动车混行通道,下层通行双线地铁。跨江大桥全长2268.5 m,其中主桥为(120+276+120)m变高度连续钢桁结合梁桥,引桥为标准跨径84 m和73 m的等高度钢桁结合梁桥。该桥采用无竖杆变高度双层桥面钢桁梁。主桥上层公路桥面采用大挑臂“密横梁+混凝土板”结合桥面,“体内+体外”预应力混合配索;下层轨道桥面采用“纵、横梁+钢正交异性板”整体钢桥面。为保持跨江桥景观的协调统一,曲线段非通航孔引桥采用变宽桁和折线桁。为解决墩顶负弯矩区桥面板的开裂问题,混凝土桥面板与钢梁结合过程中,采取顶、落梁措施。

超高性能轻型组合桥面沥青磨耗层界面抗剪性能研究

为研究沥青磨耗层-UHPC层间抗剪性能,基于剪切破坏能量分析原理,提出剪切断裂能计算方法;针对新、旧两种界面状况,开展沥青磨耗层-UHPC层间斜剪试验,得到荷载-界面位移全过程曲线;通过模拟不利环境复合试件老化过程,研究新、旧界面抗剪性能劣化规律;探究重铺磨耗层黏结剂用量对于修复效果的影响。研究表明:剪切断裂能综合反映层间剪切强度和剪切推移量的大小,能够更加全面地表征层间抗剪特性;荷载-界面位移全过程曲线呈现出四个阶段;在水损害、高温湿热、氯盐侵蚀等不利自然环境下,复合试件层间抗剪性能劣化规律具有相似性,但老化程度存在差异,环境影响排序为:水损坏>氯盐高湿>湿热环境;修复过程中黏结剂的用量对于修复效果影响显著,建议采用0.7kg/m^(2)的黏结剂用量;旧界面试件的剪切强度、剪切断裂能均小于新界面试件,两者差值随着循环次数增加而逐渐增大,修复后层间耐老化性能有所降低。