型钢-UHPC轻型组合桥面板及其抗弯性能研究

正交异性钢桥面是目前800m以上国内外特大跨径钢桥的唯一选择,主因是自重轻、强度高、架设方便。但其存在疲劳开裂风险大、运维成本高的缺点。随着高性能材料UHPC的研发和应用,为构建自重轻、病害少、经济性好的桥面新结构提供了可能性。经过多年研究,作者提出一种新型桥面板结构——型钢-UHPC轻型组合桥面结构,将型钢、钢板条与UHPC组合,桥面板的形成无任何板件焊接,因而具有高抗疲劳性,且与传统钢桥面相比,自重持平、造价减半,可作为除“正交异性钢桥面”外的“第二种”大跨径钢桥的桥面结构方案。该文研究这种轻型组合桥面板预制板及横向接缝的抗弯性能,制作4个条带模型(包括2个预制板试件和2个接缝试件),开展三点弯曲的横向接缝负弯矩试验和预制板正弯矩试验,并对试验结果进行分析;基于“条带法”建立预制板试件极限承载力计算模型,提出接缝试件的UHPC开裂名义拉应力计算方法;基于某斜拉桥应用实例,进行整体计算和局部计算,验证新型组合桥面结构在实桥上应用的可行性。研究结果表明:(1)型钢与UHPC间在极限状态前相对滑移非常小,具有良好的协同受力性能;(2)预制板试件的正弯矩极限承载力以型钢屈服控制,而接缝试件负弯矩极限承载力以UHPC开裂和加密钢筋断裂控制;(3)接缝试件的“T形”接缝、加密钢筋、燕尾形的企口、交错式切割型钢钢条等构造设计对接缝整体抗弯拉性能有很好的提高效果;(4)预制板试件极限承载力计算模型所得计算值与试验值吻合良好,该模型搭配名义拉应力计算方法,可帮助工程实际问题的设计与应用;(5)试验结果与实桥的有限元计算值相比,新型桥面结构均有1.3倍以上的安全系数,新型组合桥面应用于实桥具有可行性。

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%.

超高性能轻型组合桥面铺装体系基本力学性能研究

为解决大跨径钢桥面疲劳开裂和铺装层早期损坏这两大难题,提出薄层聚合物混凝土(TPO)铺筑于超高韧性混凝土(STC)-钢桥面板的超高性能轻型组合桥面铺装体系。基于马房大桥的有限元模型,分析STC+TPO铺装体系的受力和变形特点。计算结果表明:采用STC+TPO铺装体系,钢桥面板中的拉应变平均降幅达76.4%,铺装层中的拉应变峰值和竖向位移峰值降幅均大于49.0%;此外,车辆荷载、环境温度和铺装层厚度等对STC+TPO铺装体系的受力状况有较大影响,60℃时STC-TPO界面抗剪强度可达2.56 MPa;STC+TPO铺装体系能大幅提高桥面系刚度,降低铺装层和桥面板的应力应变幅值,从而减小桥面板和铺装层疲劳开裂的风险;同时,STC和TPO的抗拉强度及界面抗剪强度均满足重载和高温环境下的使用要求。

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.

轻型组合桥面板中小栓钉连接件的静力及疲劳性能

为探究轻型组合桥面板UHPC薄层中小尺寸栓钉连接件的静力和疲劳性能,对总计6个试件进行了静力加载和疲劳试验。基于显式动态分析方法,采用ABAQUS软件进行了静力推出试验的数值分析;随后又设计9个正交试验开展了栓钉参数分析及特征值影响因素显著性分析。最后,基于一个实际工程,对轻型组合桥面板中小栓钉连接件的疲劳强度进行验算。结果表明:(1)UHPC薄层中的小栓钉仍具有较好的承载力,其承载力设计值可偏安全地按照Eurocode-4规范的计算式取值,即P_d=0.8A_sf_u/γ_v。(2)UHPC薄层中的小栓钉承载力主要受栓钉的直径和屈服强度影响,滑移特征值主要受栓钉的高度影响,抗剪刚度主要受栓钉的直径影响。(3)疲劳试件破坏前的很长一段时间内,滑移量增长缓慢且增量较小,在试件疲劳破坏阶段,滑移值增速较快且增量明显。基于断裂力学方法的栓钉疲劳寿命估算值与实测值基本吻合。(4)小栓钉连接件的疲劳强度满足洞庭湖二桥轻型组合桥面板的设计要求。

轻型组合桥面板球扁钢纵肋-横隔板连接细节局部应力分析

为降低正交异性钢桥面板疲劳开裂的风险,提出带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板方案。以洞庭湖二桥轻型组合桥面板为工程背景,建立钢桁梁局部有限元模型和球扁纵肋-横隔板连接细节的子模型,并基于热点应力法,对横隔板上开孔孔型和厚度进行了参数分析。研究表明:球扁纵肋-横隔板连接处3个典型疲劳细节的疲劳性能受横隔板厚度影响显著;综合比较,苹果型开孔的疲劳性能最优。为进一步验证轻型组合桥面板的球扁钢纵肋-横隔板连接处3个细节的疲劳性能,开展了足尺模型疲劳试验,试验模型采用16mm厚带苹果型开孔的横隔板设计。疲劳试验中,控制细节(横隔板切口自由边缘)的应力幅为90.6MPa,历经250万次循环加载后,试验模型中典型疲劳细节均未出现疲劳裂纹。这表明,带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板关键细节的疲劳性能良好,能满足洞庭湖二桥的工程要求。

基于实桥试验的轻型组合桥面动力性能研究

为了研究薄层超高性能混凝土(UHPC)-钢轻型组合桥面结构的车桥动力性能,依托广东佛陈新桥工程(一幅桥采用轻型组合桥面,另一幅桥采用传统沥青铺装钢桥面)。在钢桥易出现疲劳的位置布置动态应变传感器,进行了大量的跑车动力试验,记录标定车驶过桥面时各测点的时程应变,采用雨流法统计各疲劳细节处的应变幅,汇总试验结果并结合有限元模型,分析了两种钢桥面体系在车辆动力作用下的受力特性。结果表明:轻型组合桥面各测点时程应变的变化规律与传统沥青铺装钢桥面相同;相比于传统钢桥面,轻型组合桥面的车桥动态受力水平较低,其中弧形切口的应变幅降幅最大,达到了23.8%。总体表明:轻型组合桥面未改变传统沥青铺装钢桥面车桥动力受力形式,但能够有效地降低钢桥面的车桥动力响应。

超高性能轻型组合桥面设计指标近似计算方法

在有限元建模的基础上,通过正交试验设计,分别得到UHPC层最大拉应力、表面局部挠跨比和栓钉最大剪应力等结构设计指标的关键影响因素.采用拉丁超立方抽样方法,探究结构设计指标与各自的关键因素之间的内在联系,建立UHPC最大拉应力、表面局部挠跨比和栓钉最大剪应力的近似计算公式.对近似计算公式进行统计检验、经验判断及足尺模型、推出模型试验检验.研究表明:本文提出的设计指标近似计算公式,其线性相关与回归效果显著,且定性分析与一般工程经验相符,3个指标计算值与试验实测值的相对误差小于10%.

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。

闭口肋轻型组合桥面板疲劳性能研究

以洞庭湖二桥闭口肋轻型组合桥面板为对象,研究了焊接疲劳开裂细节,并引入热点应力法计算得到其应力幅值。对比分析后发现,与横梁相关的疲劳细节仍然有较高的应力幅值。针对国内外规范中典型横梁闭口肋开孔形式以及不同横梁厚度,开展有限元分析,从而进一步优化各疲劳细节的受力状态。数值分析结果表明:与传统钢桥面板相比,闭口肋轻型组合桥面板能大大降低各典型疲劳细节的应力幅值,降幅可达23.2%~86.1%;Eourcode3规范推荐的铁路桥梁孔型较优;横梁厚度的变化能大大改善横梁处相关疲劳细节的应力水平。足尺模型疲劳试验表明,洞庭湖二桥横梁圆弧过渡处疲劳细节强度满足设计要求;通过对STC层与钢顶板之间三种不同黏结方式的分析表明,界面黏结性的增强能改善轻型组合结构的受力性能。

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.

含小型粗骨料UHPC板抗弯性能研究

研制新型的含小型粗骨料UHPC板,提升传统大跨径组合梁斜拉桥普通混凝土桥面板的抗弯性能。通过对含小型粗骨料UHPC进行基本材料性能研究,以及对含小型粗骨料UHPC板试件进行抗弯试验,材性试验探究含小型粗骨料UHPC材料的本构关系、弹性模量和终凝后的干燥自收缩等,发现在UHPC中添加小型粗骨料后,UHPC在抗压性能方面得到提高,减小终凝后的干燥自收缩,但会降低一定的抗弯拉强度和韧性;含小型粗骨料UHPC板试件的抗弯试验探究了试件的荷载-挠度关系与弯矩-最大裂缝宽度关系。发现UHPC板试件具有较高的开裂强度,结构破坏呈现出多裂缝发展。抗弯试验、有限元分析和承载力公式计算结果表明:含小型粗骨料UHPC板具有较好的抗弯、抗裂性能,但计算承载能力时应充分考虑添加小型粗骨料后对结构拉伸性能降低的影响。

具有短钢筋连接件的超薄轻型组合桥面结构抗剪性能初探

钢—超薄UHPC轻型组合桥面板中UHPC层太薄难以采用常规剪力连接件,笔者团队提出一种新型短钢筋剪力连接件替代常规连接件。首先对短钢筋连接件静力抗剪性能进行初步研究,研究方法采用常用静力推出试验方法。共设计3组(5个)短钢筋推出试件,其中焊缝长度包含15、20、30 mm。试验结果表明:试件存在2种破坏模式,分别为焊缝剪断和超高性能混凝土局部破坏模式;短钢筋连接件承载力随着焊缝长度增加而提高;短钢筋连接件抗剪承载力比栓钉更高。然后对实验模型采用ABAQUS有限元软件进行仿真分析。其中短钢筋连接件、钢板和超高性能混凝土均采用C3D8R单元,钢筋网采用C3D2桁架单元进行模拟。计算结果与试验值符合较好。在模型与试验相验证的基础上,进行了不同焊缝长和不同短钢筋直径的静力推出试件的有限元参数分析,探明了焊缝长和短钢筋直径对荷载-滑移曲线的影响规律。

钢简支梁桥面连续结构抗弯性能试验与参数分析

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。以海南铺前大桥为背景,结合钢-超高韧性混凝土STC (Super Toughness Concrete)轻型组合桥面技术,对跨断裂带引桥提出了受力性能优良、震后易修复的简支变桥面连续结构。为探明简支变桥面连续结构的受力性能,对方案开展负弯矩足尺模型试验,结果表明,裂缝开展集中于螺栓连接带区域,破坏模式为螺栓剪断,U肋未屈服。这意味着在地震荷载下简支变桥面连续结构先破坏,从而保护钢箱梁主体结构。在此基础上,建立了实桥ANSYS有限元模型和试验方案的有限元精细化模型,有限元模拟与试验值吻合良好。最后根据前述试验和有限元计算结果,进行了参数分析,另外提出了2种桥面连续方案—端隔板开孔方案(方案1)和增加短肋方案(方案2),并进行了有限元计算。结果表明,2种方案均能满足正常使用极限状态的使用要求。与试验方案相比,方案1和方案2均可以实现保护箱梁主体结构的目的。方案2由于增加了短肋,从而减小了局部轮载下STC层的纵向拉应力,使整体+局部计算结果仅12. 1 MPa,小于方案1的计算结果 21. 3 MPa和试验方案的计算结果19. 7 MPa。从承载力来看,试验方案1和方案2的承载力基本相同,方案1最小。综合来看,方案2更优。

轻型组合桥面板层间剪应力计算及栓钉连接件的布置设计

以洞庭湖二桥轻型组合桥面板为工程背景,在分析局部轮载对轻型组合桥面板层间剪应力影响的基础上,提出了纵向层间剪应力的简化计算模型——悬臂叠层梁模型,基于悬臂叠层梁模型得到的纵向层间剪应力比有限元值大30.4%;同时修正了基于简支叠层梁模型的横向层间剪应力计算方法,得到的横向层间剪应力解析值比有限元值大1.5%。最后,进一步提出了轻型组合桥面板中栓钉连接件剪力的计算模型,用以指导栓钉连接件的布置设计。

两种纵肋形式的轻型组合桥面板的对比分析

以在建洞庭湖二桥为工程背景,建立两种纵肋形式的轻型组合桥面板局部有限元模型,对比分析了两类结构的静力和疲劳性能。结果表明:与传统正交异性钢桥面板相比,轻型组合桥面板的静力和疲劳性能均有一定程度的改善,且全寿命经济效益显著;带开口肋的轻型组合桥面板基本消除了传统开口肋正交异性钢桥面板的纵肋过柔,荷载横向分配能力较差等缺点,应用前景广阔。

桥梁动态称重系统在自锚式独塔悬索桥轻型组合桥面中的试验研究

将桥梁动态称重(BWIM)系统应用在采用球扁钢-超高性能混凝土(STC)轻型组合桥面的自锚式独塔悬索桥中,根据球扁钢-STC轻型组合桥面局部受力显著的特点,通过标定球扁钢加劲纵肋来获取桥梁应变响应,基于BWIM系统算法反算车辆轴重信息。为最大化局部受力效应,选取桥塔截面为测试断面。实桥试验结果表明:采用各趟自身标定影响线的单轴轴重及总重识别误差要优于采用平均影响线的识别误差,但这2种情况均具有较高的轴重识别精度;BWIM系统可以高精度识别车辆单轴轴重以及总重,单轴轴重识别误差平均值为1.8%,总重识别误差平均值为0.2%;BWIM系统应用在采用球扁钢-STC轻型组合桥面的自锚式独塔悬索桥中能有效识别车辆速度、轴数、轴距以及轴重,为车辆超载监管和桥梁健康监测提供了一种有效方法。

桥面结构中螺栓连接带的弯拉受力性能研究

对含有螺栓连接带的钢U肋条带和钢-STC(Super Toughness Concrete)轻型组合条带先后进行负弯矩试验,结果表明:(1)由于螺栓连接带区域截面抗弯刚度较低,导致通过螺栓连接的拼接结构整体刚度远小于完整的通长结构,螺栓连接带对于结构整体刚度的不利影响不容忽视;(2)钢—STC轻型组合条带整体刚度虽较钢U肋条带得到了有效提升,但受螺栓连接带的不利影响更大。为在设计计算中充分考虑上述螺栓连接带的不利影响,提出了一种简化计算方法,即螺栓连接带区域不考虑钢U肋部分参与实际受力,并近似认为此时简化后的截面受弯变形符合平截面假定,将螺栓连接的原拼接结构转化为完整的通长变截面结构按一般材料力学公式进行计算。经试验验证,上述简化算法准确性较高,可大大降低设计计算难度。同时,亦提出了一种优化设计方案,即将STC层中的部分纵向受拉钢筋与拼接钢板在螺栓连接带两侧接头区域局部焊接。经试验验证,当此优化方案被采用时,不仅开裂荷载得到提升,还可有效规避螺栓连接带区域STC层最先开裂的风险,使得设计计算中无需再考虑螺栓连接带的不利影响,大大方便设计计算。上述优化方案现已被广东礐石大桥桥面维修工程所采用,效果良好。

型钢开口肋-UHPC轻型组合桥面新结构静力与疲劳性能

为解决传统正交异性钢桥面疲劳开裂、铺装层破损难题,研究团队于2010年研发成功钢-UHPC轻型组合桥面体系,并在中国的钢桥上获得了规模化的应用。鉴于UHPC层大幅度提高了钢面板的局部刚度,为简化施工和降低造价,可对传统正交异性钢桥面进一步优化。为此,提出了型钢开口肋-UHPC轻型组合桥面结构,首次应用在某大跨度拱桥主梁结构中,以实桥为背景展开了桥面方案比选和有限元计算。在此基础上,进行了型钢组合桥面关键部位负弯矩条带静力试验,对UHPC裂缝进行观测和宽度验算;对型钢组合桥面抗疲劳性能做了计算与分析,并针对桥面纵横肋重要连接焊缝开展了负弯矩条带疲劳试验。研究结果表明:负弯矩区UHPC表现出优良的受弯拉韧性,抗拉强度是实桥应力的1.4倍;型钢组合桥面通过新型的纵横肋连接构造,将所有连接焊缝均置于低应力区,将非焊接型钢母材置于高应力区,以达到提高桥面抗疲劳能力目的,型钢组合桥面包含10个钢结构疲劳细节,所有疲劳细节计算应力幅均在常幅疲劳极限以下;型钢组合桥面纵横肋新型连接焊缝在设计疲劳应力幅下等效加载4840万次才发生疲劳破坏,疲劳强度满足实桥应用需求。综上表明,型钢组合桥面具有优良的静力与疲劳性能,加工制造简便,建设成本低,是一种具有竞争力的新型桥面方案。

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。