水泥路面脱空区域含水状态对面板剩余寿命的影响分析

【目标】针对水泥路面脱空病害不可避免又缺乏有效结构承载力评价方法的问题,研究水泥路面板底脱空含水状态对面板承载力和剩余寿命的影响规律。采用Abaqus构建了水泥路面的三维有限元模型。【方法】以充气脱空为对象,分析了脱空区域连续性、脱空尺寸等参数对路面应力和位移的影响;根据脱空含水区域的物理特征,提出了降低弹性模量和提高材料泊松比的含水脱空区域数字模拟方法,建立了高中低3种状态的脱空含水区域,分析了脱空含水对路面承载力的影响。在此基础上,以实际路面为对象,结合仿真结果和疲劳寿命分析方法,分析了含水与不含水脱空区域的剩余疲劳寿命。【结果】脱空尺寸和脱空含水是影响路面结构安全性的主要因素,路面的应力和位移随脱空尺寸的增大而增大,而含水会进一步增大轴载作用下脱空区域的应力及位移;脱空区域含水程度越高,路面的应力及位移增长越快,路面的应力及位移与轴载呈线性增加的关系;脱空区域含水时的路面剩余寿命远小于充气脱空路面剩余寿命,证明了充水脱空对路面的结构安全性危害更大。【结论】路面剩余疲劳寿命与脱空半径成负相关,脱空半径越大,剩余寿命越短;当脱空半径达到0.4 m时,路面剩余寿命不足1 a,需立即修复。【应用】研究结果为分析路面结构安全性和路面养护提供了科学依据。

采用浅铰缝的横向预应力空心板桥受力性能

为了消除铰缝病害对装配式空心板桥的不利影响,提出了一种采用浅铰缝的横向预应力装配式空心板桥方案。通过对一跨跨径13 m的空心板桥足尺模型的试验和非线性有限元分析,研究荷载作用下的桥梁受力性能。试验结果表明,浅铰缝结合面法向黏结强度为弱侧混凝土轴心抗拉强度的40%;结合面的切向黏结强度为弱侧混凝土轴心抗压强度的1.1%。试验过程中铰缝和新旧混凝土结合面保持完好,空心板先于铰缝破坏失效。采用浅铰缝的横向预应力装配式空心板桥的破坏模式为空心板破坏,铰缝不再是空心板桥受力的薄弱环节。有限元计算结果表明,横向预应力大大减小了铰缝结合面的法向拉应力。空心板桥的浅铰缝结合面发生的是剪切破坏而不是弯拉破坏。参数分析结果表明,施加横向预应力时,预应力不宜小于预应力钢筋强度标准值的45%。

支座脱空对拼宽空心板桥协同工作性能的影响

空心板桥是目前中小跨径桥梁应用最广泛的桥型之一,而支座脱空是该类桥梁较突出的病害,会导致桥梁受力体系发生改变,对空心板、铰缝及拼宽湿接缝产生不利影响,严重者会发生开裂甚至破坏。针对此问题,文章分别从不均匀沉降对支座受力的影响、支座脱空对桥梁结构受力的影响及提升措施展开研究。结果表明:拼宽桥不均匀沉降会导致支座受力不均甚至脱空;部分支座脱空会加剧其余支座受力不均,使其脱空或被压坏,并且增大空心板、铰缝和拼宽湿接缝的横向拉应力,可能导致开裂;减小支座的竖向刚度可改善支座反力的分布,控制支座脱空现象的发生。

基于广义梁格法的整体化铺装加固空心板桥荷载横向分布系数计算方法

由于整体化铺装加固后的空心板桥的铺装层较厚、横向整体性更突出,因此荷载横向分布系数的计算必须考虑整体化铺装层的影响。基于此提出采用广义梁格法考虑整体化铺装层的影响,在足尺模型试验和有限元计算的基础上,对基于广义梁格法的整体化铺装层加固后的空心板桥荷载横向分布系数计算方法进行验证。结果表明,广义梁格法的计算结果可以准确考虑采用整体化铺装层加固空心板桥的荷载横向分布规律。不同宽度、不同跨径的空心板桥,铺装层的高度折减系数取值在0.5~0.8之间时,计算结果更加精确。桥越宽则折减系数取值越大,跨径越大则折减系数取值越小。

盐-冻融弱化因子胁迫下橡胶粉改性水泥压浆材料试验研究

选用典型橡胶水泥类脱空修补材料,分别控制龄期(1、3 d)和橡胶粉掺量为0%、5%、10%、15%、20%。以实验数据统计分析为基础,归纳总结在盐-冻融环境下不同龄期、不同掺量的修补材料下动弹性模量、抗压强度、抗折强度和体积膨胀率的弱化趋势。试验结果表明,掺入橡胶粉后,压浆材料各项力学指标具有显著提升,提升效果由优到劣依次为动弹性模量、抗压强度、抗折强度。对于城市主干路而言,应优先选择提高橡胶粉掺量,以确保注浆完成后,路面结构具有较高承载能力。对于交通量较小的城市次干路及以下道路,应优先考虑增加养生时间。在工程实践中,应将橡胶粉掺量控制在12%,以获得最大的工程效果。压浆材料体积膨胀率均控制在3%以内。这表明橡胶水泥类压浆材料在冻融循环作用下,不仅体积膨胀率较好,而且稳定性较高。

基于振动传递率函数的水泥混凝土铺面脱空识别方法

为提高水泥混凝土铺面脱空识别的准确性和便捷性,提出一种基于振动传递率函数的板底脱空识别方法。首先,建立了九块板全尺寸铺面结构三维有限元模型,获取冲击荷载作用下铺面板的多点加速度响应;其次,在2个振动传递方向上,分别计算相邻2个测点间的振动传递率函数,分析特定频段内传递率函数的差异,并提出传递率损伤指标(transmissibility-damage indicator,TDI)及其矩阵表达式;最后,计算分析11种不同脱空形式、程度下TDI矩阵的差异,并分析测点布设方式、信号噪声水平对TDI矩阵的影响。结果表明:该脱空判定指标能较好识别定位板角和板边局部脱空。所得TDI矩阵在板角脱空的2个传递方向均十分显著,在板边脱空的垂直脱空边方向较为显著;对于板中脱空,2个传递方向上的TDI矩阵均无法有效识别。板中脱空的分布与TDI矩阵的分布一致性较差;对于多区域脱空,其计算得到的TDI矩阵与单区域脱空类似,对于板角和板边局部脱空均能有效识别;测点布设越密,TDI矩阵的分布与脱空分布的一致性越高。然而,该识别方法对噪声水平较为敏感,噪声水平越高,识别精度越低,需要较高精度的传感器或设备予以支撑。

Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.

动荷载作用下板底脱空对水泥板弯沉的影响

为了分析动荷载作用下板底脱空对水泥板弯沉的影响,建立了ANSYS三维有限元分析模型,利用移动荷载模拟车辆动荷载,隐单元模拟不同形式和程度的脱空,对比了脱空前后水泥板弯沉和应力的变化.结果表明:即使在传荷能力优良时,接缝处弯沉也会随着脱空面积的增大而增大,导致水泥板所受应力变大,最大等效应力值达0.87 MPa,是未脱空板块的235%,恶化了水泥板的受力状态,加速疲劳破坏;由于传荷能力较好,两侧弯沉同时增大,弯沉差不明显,通过弯沉差很难检验出脱空病害的存在,双侧脱空更具隐蔽性.需要准确的检测方法探测板底脱空的位置,对脱空位置及时进行注浆养护,避免单侧板底脱空发展为双侧脱空,改善脱空板的受力状况延长水泥路面使用寿命.

基于瞬态冲击响应的混凝土路面板脱空识别

为开发混凝土路面板脱空检测专用仪器,降低检测费用和简化检测方法,在现有脱空检测方法的基础上,根据脱空板振动频率及在定量冲击激励下振幅的变化规律,提出了混凝土路面板脱空识别的瞬态冲击响应法.该方法可以根据板上测点功率谱图中共振峰的数量和基频大小（分析频带0-1 000 Hz）,对脱空状态进行初步定量判别;结合定量激励下测点振幅拟合曲线斜率的变化,实现脱空区边界的识别.通过若干不同脱空状态路面板的模型试验和对实际混凝土路面的检测,阐述了它的检测原理和操作流程,并验证了其可行性和有效性.

高速公路宽幅空心板梁桥横向拓宽结构形式的比较

对高速公路中宽幅空心板梁桥(板宽1.5 m)的上部结构横向拓宽方案进行了分析研究。在高速公路扩建工程中,宽幅空心板梁桥的横向拓宽时,新建桥梁原则上采用宽幅空心板梁结构,但是旧桥宽幅空心板梁在运营使用中产生了诸多结构性病害,拓宽设计时需要研究新建拓宽结构采用普通空心板梁结构的可行性,以此作为一种替代性拓宽方案。对于该替代性方案的可行性采用结构比选方法进行理论分析研究,研究表明替代性拓宽方案是可行的,并在此基础上提出了新建桥梁结构普通空心板梁的设计内力简化计算方法。

水泥混凝土路面板角脱空判定指标

以ANSYS有限元计算软件为基础,利用FWD(Falling weight deflectometer)板中板角实测弯沉值,建立以板角弯沉为判定指标的板角脱空范围估算方法。对均匀支承的无限大板板角理论弯沉值修正平面尺寸效应和板间接缝传荷能力,求解理论板角弯沉值,将其与FWD实测板角弯沉值相比较以评定路面板角脱空状况;提出板角脱空指数λ,并分析λ与脱空尺寸、面板模量、面板厚度和地基反应模量的相关性,建立λ与脱空尺寸的回归关系式估算脱空尺寸。对湖南耒宜高速公路试验段板角脱空识别结果与实际钻芯结果进行对比,发现最大相对误差为6.32%,与检测结果较吻合,表明该方法具有较高的可靠性,能为水泥混凝土路面板底脱空的识别提供合理、可行的新思路和手段。

弹性地基接缝板声振法脱空判定

采用声振法研究接缝和弹性地基脱空与声学特征变化的关系,利用有限元方法分析了有、无脱空接缝板的振动频率。通过声振法检测,得出地基脱空的范围及大小与声学特征参数具有很好的相关性,以某一脱空路面为例,通过计算分析,提出采用基于信息融合理论的集成神经网络技术对刚性路面脱空状况进行识别。为用声学特征进行地基脱空等缺陷无损检测提供了理论和实验依据。该法速度快、精度高,便于实际应用。

成排侧开圆孔受弯构件的应力简化和刚度等效

对侧向成排开设圆孔的矩形截面受弯构件的平面进行有限元分析,发现各截面应变分布不符合经典的平截面假定,但对于截面纵向伸缩或一段构件长度上的平均应变,平截面假定仍然适用;邻孔之间的中央实心截面(墩心截面)上弯曲正应力分布不满足线性关系,其高度中部存在近零应力区段,而其上、下两部分的应力接近于线性分布。在此基础上,提出基于位移有限元解按经典梁刚度定义计算开孔梁等效抗弯刚度的方法,得到相应的刚度折减系数表;提出墩心截面应力分布三折线简化假定,建立相应的截面弯矩—边缘应力—受力区高度关系式,并根据数值分析结果拟合得到受力区高度与孔径、孔距的相关方程。计算结果表明,该应力计算近似方法简便、实用,计算精度较高。

机场道面脱空范围定量分析模型研究

为定量评价机场水泥混凝土道面板板下脱空程度,结合机场水泥混凝土道面结构及弯沉测试的实际,通过采用有限元方法分析了板底脱空范围随板边/板中及板角/板中弯沉比、接缝弯沉比传递系数、地基板相对刚度半径的变化规律,得到水泥混凝土道面板底脱空范围的定量分析模型,在此基础上提出基于现有机场道面弯沉测试的板底脱空范围定量评估方法及流程。分析表明弯沉比不仅与板底脱空尺寸有关,还受到接缝传荷能力、地基板相对刚度半径的影响,不能仅通过弯沉比一个参数判断板底脱空。

CA砂浆脱空对桥上单元板式轨道动力特性的影响研究

砂浆脱空是单元板式无砟轨道主要伤损型式之一。基于轮轨系统动力学基本原理,采用有限元方法,建立列车—轨道—桥梁垂向非线性耦合振动平面模型,运用显式中心差分法,借助动力分析软件LS-DYNA编制求解系统动力响应的计算程序。用武广高铁试验数据对其可靠性进行验证后,应用该模型和程序计算和分析不同脱空情况条件下车辆和轨道结构的动力响应。结果表明:砂浆脱空对轨道结构振动的影响显著,砂浆垂向动压应力和扣件上拔力随着脱空长度的增长明显增大;当脱空长度超过0.8m时,由脱空引起的轨道动态不平顺对轮轨相互作用起主导作用,各种动力响应明显加剧;板缝两侧轨道板端部均脱空对轨道平顺性和砂浆压应力最不利,一块轨道板两端同时脱空对扣件受力最不利。可见砂浆脱空长度不宜超过0.8m。

基于弯沉比的水泥混凝土路面板底脱空识别方法

通过分析脱空产生和形成的机理以及板底脱空图式来确定脱空识别的研究方向.采用弹性地基板模型分析了落锤式弯沉仪(FWD)荷载作用下水泥混凝土路面的弯沉规律,回归得到了板角脱空范围与地基类型、地基刚度半径、路面板角弯沉比(FWD荷载作用于板角和板中时弯沉之比)之间的近似关系式,建立了通过比较实测弯沉比与理论弯沉比的水泥混凝土路面板底脱空的识别方法.工程实践表明,采用方法判别水泥混凝土路面板角脱空状况是可行的.

道岔板底脱空对桥上纵连板式无砟道岔受力性能的影响

以18号单开道岔为例，采用ANSYS有限元软件建立了桥上纵连板式无砟道岔结构的有限元计算模型，模拟正常状态下和脱空区域内道岔板与砂浆层的接触关系，分析列车荷载与温度梯度不同组合条件下，不同脱空型式和脱空面积对桥上纵连板式无砟道岔结构受力和变形的影响。结果表明：道岔板底脱空主要影响钢轨和道岔板的垂向变形以及道岔板和砂浆层的受力情况；板角和板端脱空主要对2个扣件范围内结构的受力和变形有显著影响，板边和板中脱空的影响范围比较大；脱空面积的增大会对结构的受力和变形产生不利影响，当脱空区长度或宽度达到0．2～O．31TI时影响明显增强；板角和板端脱空对道岔结构的影响最显著，板边脱空次之，板中脱空对结构的影响最小，但当板中脱空宽度大于0．7m时，在列车荷载作用下，道岔板可能和底座板接触，砂浆层垂向压应力呈减小趋势。

机场水泥道面日周期温度效应

为研究日温变化对机场水泥道面的影响,系统监测分析了日周期内西南某机场水泥道面板内温度、应变及弯沉的变化规律。结果表明:板内温度、平均温度及温度梯度均呈日周期变化,正、负温度梯度最大值分别出现在14:00—16:00、07:00—08:00;应变与温度不同步变化导致其随温度滞回变化,以温度梯度‒曲率分析道面温度效应可减少滞回特征影响;板角翘曲大于板边,接缝类型差异对板边翘曲影响更大;道面边、角弯沉随日温变化波动明显,接缝传荷系数波动主要受温度梯度变化影响,道面性能评价应考虑温度影响;接缝两侧弯沉之和与温度相关性高,且可能与接缝传荷能力无关,在考虑温度影响进行脱空判定时具有一定优势,建议进一步研究其特征。

蜂窝式大跨空心双向板楼盖的设计研究

研究了用塑料薄壁盒作为填充构件的蜂窝式大跨双向板楼盖的结构型式、设计计算方法和配筋构造 ,并介绍了已建成的聊城地税局大楼采用这种楼盖的计算实例。

水泥混凝土路面脱空及其检测方法

阐述了脱空的机理并介绍目前利用FWD表面弯沉判定脱空的两种方法:截距法和夹角法,以及这两种方法在试验路的验证情况。