先张法折线预应力技术在桥梁工程中的应用研究

先张法预应力技术具有施工工序简单、材料节省、质量可靠等优点,先张法折线预应力使梁的受力和预应力用量更加合理,并能适应更大的跨径。先张法折线预应力桥梁构件在国外应用较为广泛,在国内随着工业化建造水平不断提高也日益受到重视,多个省市开展了技术研究和工程应用。预应力弯折是先张法折线预应力构件的重要工艺环节,介绍了常用预应力弯起方式和弯起器构造。研发了一种新型预应力弯折工艺和配套的分体组合式下压锚具,具有操作简便、标准化程度高、节省材料等特点。

后结合预应力组合梁桥的抗裂性能试验

为研究后结合预应力组合梁桥的预压应力分布和负弯矩区抗裂性能,设计2根连续组合试验梁,其中一根为负弯矩区设计成全预应力混凝土板的后结合组合梁,另一根为无预应力的普通组合梁。测试了试验梁在张拉预应力筋和静力加载过程的受力性能,得到负弯矩区截面的应力状态和裂缝分布。试验表明:因钢梁和混凝土板不连接,预压应力由混凝土板承担且混凝土截面的预压应力沿着横向的分布不均匀。后结合预应力组合梁的初始开裂荷载和群钉孔外的开裂荷载分别是普通组合梁的3.1和5.0倍。后结合预应力组合梁抑制裂缝沿着横向贯穿混凝土板,提高了负弯矩区的抗裂性能。混凝土平均裂缝间距约等于横向钢筋间距。后结合预应力组合梁在开裂后的受力状态与普通组合梁类似。

橡胶-焊钉组合连接件对钢-混组合梁受力性能影响分析

为了研究橡胶-焊钉组合连接件力学性能及其对组合梁受力性能的影响,设计制作了5组15个推出试件,通过静力加载试验测试了橡胶-焊钉组合连接件的受力性能,并采用有限元模型针对组合焊钉连接件对于组合梁受力性能的影响进行了分析。试验及有限元分析结果表明:组合焊钉连接件在不改变推出试件承载能力的情况下有效减小了试件的抗剪刚度,且橡胶-焊钉组合连接件对连续组合梁挠度以及钢梁应力的影响很小,但对中支点位置的混凝土应力降低作用明显。对于布置直径为22和19 mm焊钉的组合梁桥,采用组合连接件后组合梁负弯矩区混凝土应力降低比例可达26%以及13%。针对刚度变化位置产生较大的应力突变问题,在正弯矩区与负弯矩区的交接部分设置2 m的过渡区域能够使应力突变大小减小30%,有效改善了变刚度区域应力突变的现象。

钢-UHPC组合桥面板分段浇筑矩形接缝的轴拉性能

钢-UHPC(ultra-high performance concrete)组合桥面板中UHPC分段浇筑接缝导致局部的抗拉性能下降,可能引发严重的耐久性及安全问题。以实际工程中的组合桥面板UHPC矩形接缝为对象开展抗拉性能试验研究和理论分析。通过对组合桥面板接缝试件进行轴拉试验,考察了配筋率对矩形接缝区域抗裂性能的影响,揭示了矩形接缝的抗裂机理,探讨了接缝界面的黏结性能。试验结果表明:接缝开裂始于角隅处,接缝区域UHPC裂缝发展不明显,且接缝断裂面相对平整,属于脆性破坏。矩形接缝的抗裂机理分为横边抗裂与纵边抗脱离。接缝的抗裂能力取决于新旧UHPC界面的黏结强度,且接缝在轴拉状态下的界面黏结强度为3.6~4.7MPa。根据试验结果,对于处于轴拉状态下的UHPC矩形接缝,在按接缝不开裂或控制开裂宽度小于0.05mm进行设计时,构件的名义拉应力应分别低于3.5MPa或6.0MPa。此外,针对UHPC轴拉本构模型,基于能量等效原理及UHPC塑性简化模型,提出了UHPC软化段的等效残余抗拉强度,进而推导了配筋UHPC轴拉构件的主裂缝间距计算公式及接缝与UHPC主裂缝间距计算公式。对比试验结果,推导的主裂缝间距公式具有较好的精度,以期为实际工程应用提供理论参考。

粗骨料UHPC的基本力学性能及弯曲韧性评价方法

为探究粗骨料UHPC的基本力学性能及自由收缩性能,进行基本力学性能试验及自由收缩试验,并与钢纤维混凝土、UHPC的性能进行对比。评议现有纤维混凝土弯曲韧性评价方法的优点和不足;提出可量化确定UHPC梁弯拉初裂点的偏移法;分别从能量和等效弯拉强度两个角度优化UHPC弯曲韧性的评价方法,并对3种混凝土的弯曲韧性进行评估。研究结果表明:相比于UHPC,粗骨料UHPC的弹性模量提高了10%,立方体抗压强度降低了15%,抗弯拉强度降低了6%;粗骨料UHPC的抗弯拉强度为钢纤维混凝土的1.8倍。0~91d龄期范围内,粗骨料UHPC的自由收缩量与钢纤维混凝土基本相同;3d和91d龄期的粗骨料UHPC的自由收缩量相比UHPC分别降低了63%和55%;通过添加粗骨料可降低UHPC早期收缩开裂的风险。提出的UHPC弯曲韧性评价新方法,克服了现有评价方法的不足,适用性强,可评价UHPC梁受荷全过程的弯曲韧性。粗骨料UHPC和UHPC的弯曲韧性明显优于钢纤维混凝土;相比UHPC,粗骨料UHPC的峰前弯曲韧性指数与峰前弯曲韧性比最大降幅分别为28%和22%;峰后弯曲韧性指数与峰后弯曲韧性比降幅均在11%以内。

基于工业化建造的整体预制连续架设型钢-混凝土组合梁设计

钢-混凝土组合梁便于实现预制装配化,是一种与工业化建造要求相适应的桥型。基于工业化建造思路,采用最大高度1.1 m左右的重型H型钢,提出了一种整体预制、连续架设的型钢-混凝土组合梁。以5×30 m连续梁为例,介绍了设计构思、结构构造和施工步骤,通过计算分析研究了结构受力性能,包括结构承载力、整体稳定、局部稳定、刚度、桥面板横向受力以及负弯矩区裂缝宽度。型钢-混凝土组合梁工厂制造效率高,现场施工速度快,受力性能良好,具有很强的经济性和竞争力。通过采取适当的结构措施,其跨径可在30 m的基础上进一步扩展。

混合桥面横向连接构造静力性能

将大跨度桥梁外侧车道及车道以外部分桥面的正交异性钢板替换为超高性能混凝土(UHPC)华夫板而形成混合桥面系统,提出连接2种桥面的横向连接构造。对横向连接构造进行静力弯曲试验和理论分析,得到正、负弯矩作用下的破坏模式、极限承载力、抗裂性能、两侧桥面的协同受弯性能。最后,给出了考虑UHPC开裂后残余应力的断面塑性极限承载力计算方法。结果表明:该横向连接构造有较好的塑性变形能力并协同两侧桥面共同受力,弹性阶段横向连接构造两侧的正交异性钢板和UHPC华夫板断面应变符合平截面假定。由提出的断面承载力理论计算方法预测的正弯矩作用试件极限承载力误差在8%以内,负弯矩作用试件承载力由板件局部屈曲控制,断面承载力理论计算方法须考虑局部稳定的影响。

钢-UHPC组合桥面板中焊接栓钉的疲劳性能及设计布置方法

钢-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)组合桥面板中焊接栓钉在实现UHPC层协助正交异性钢桥面板受力进而缓解疲劳开裂方面发挥着重要作用。为探究组合桥面板中栓钉的疲劳性能,开展了钢-UHPC组合桥面板足尺节段梁式疲劳试验,揭示了栓钉的疲劳破坏模态。基于梁式疲劳试验结果,分别采用线性回归法及考虑溜号样本影响的极大似然法建立了栓钉抗剪S-N曲线,并与UHPC层中栓钉推出疲劳试验的S-N曲线进行了对比。探讨了现有设计规范中栓钉抗剪S-N曲线与所建立的S-N曲线的差异。针对混凝土材料性能对栓钉疲劳性能的影响,提出了可量化该影响因素的栓钉抗剪统一的S-N曲线。研究结果表明:疲劳破坏发生在栓钉-钢顶板焊接热影响区附近;破坏模态可分为单一型模态及复合型模态,破坏模态不受混凝土材料性能、试验方法(梁式试验或推出试验)及栓钉几何尺寸的影响。基于极大似然法具有95%存活率的S-N曲线略高于线性回归法,且2种方法200万次疲劳寿命对应的抗剪疲劳强度分别为162、158 MPa,远高于推出疲劳试验值103 MPa。现有设计规范在应用于钢-UHPC组合桥面板栓钉的设计时过于保守。根据栓钉抗剪统一的S-N曲线得到的200万次疲劳寿命对应的抗剪疲劳强度与试验值的偏差在10%以内,证明了该曲线具有较好的预测精度。此外,基于组合作用及栓钉抗疲劳2个控制条件,提出了钢-混组合桥面板中栓钉的设计布置方法;该方法可考虑U肋几何尺寸、横隔板间距及混凝土力学性能的影响,并给出了计算实例。

大跨度网状吊杆拱桥拱-梁节点局部应力分析

为明确大跨度网状吊杆拱桥拱-梁节点处的板件传力特点,以主跨420 m网状吊杆钢箱梁拱桥——济南齐鲁黄河大桥为背景,建立全桥板壳-杆系混合有限元模型,分析不同荷载工况下拱-梁节点板件的受力特性,以及拱肋轴力在拱-梁节点的传力机理。结果表明:该桥拱-梁节点各板件受力主要由恒载控制,活载响应约占总荷载响应的10%;系梁横桥向分区中,拱区是拱-梁节点传递拱肋轴力的最主要位置,传递的总轴力占比为50%,拱区中腹板是最主要的传力板件,其传递该区域的轴力占比达到60%以上,该区域应作为设计主要关注对象。

正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的压弯性能

针对传统正交异性钢桥面板疲劳开裂及沥青铺装破损桥梁工程两大难题,对有望应用于大跨度桥梁中的正交异性钢-混凝土组合桥面板的力学性能进行了试验及理论研究。为探究适用于组合梁斜拉桥的正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的受力性能,设计并制作了6个带U肋的正交异性钢-混凝土组合桥面板足尺试件,进行了轴向压力和弯矩加载试验,研究了不同轴向压力、不同混凝土等级对该组合桥面板受弯承载力、延性及塑性发展的影响,并提出了考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式。研究结果表明:当轴向压力恒定时,组合桥面板在压弯荷载作用下的最终破坏形态均为跨中区域下部混凝土板的横向开裂及上部混凝土的压溃;轴压力对正交异性钢-混凝土组合桥面板的初始弹性抗弯刚度影响较小;不同轴压力下抗弯承载力降低值随着轴力的增大并未呈现显著递减趋势,这与轴向压力加载出现偏心距有关;轴压力会显著降低正交异性钢-混凝土组合桥面板的延性及塑性发展过程;将混凝土强度等级从C60提高到C80,并没有显著提高组合桥面板的初始弹性刚度、抗弯承载力、延性及延长其塑性发展过程;此外,提出的考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式精度较高,可有效预测正交异性钢-混凝土组合桥面板的压弯承载力,为实际工程应用提供理论参考。

混合桥面斜拉桥试设计及体系验证

针对大跨度斜拉桥中正交异性钢桥面疲劳开裂问题,基于对大跨度桥梁中重车分布情况和疲劳开裂位置的研究,提出将两侧重车道的正交异性钢桥面更换为疲劳性能较好的UHPC华夫板或钢UHPC组合板,组成混合桥面系统。采用混合桥面后斜拉桥加劲梁的自重、抗弯、抗扭等特性将发生变化,因此需要从结构体系的角度分析采用混合桥面后斜拉桥的静、动力特性与常规正交异性钢桥面斜拉桥的异同。设计了三座斜拉桥(分别采用两种混合桥面和正交异性钢桥面),基于目标函数与索力变量之间的函数关系往往为凸函数这一特征,采用凸函数优化算法确定三座斜拉桥的合理成桥状态。最后比较了三座斜拉桥的静、动力特性,发现混合桥面斜拉桥主梁具有较高的面外抗弯惯性矩和抗扭惯性矩,当横向作用起控制作用时,具有更高的承载能力。同时可以提高结构纯扭转振型的基频,有助于提高结构颤振稳定性。但采用混合桥面的斜拉桥加劲梁单位长度自重会增加7%~10%。

济南齐鲁黄河大桥420m跨网状吊杆系杆拱桥设计

济南齐鲁黄河大桥主桥采用(95+280)m+420 m+(280+95)m三连拱网状吊杆系杆拱桥。420 m主跨拱肋矢高69.5 m,矢跨比1/6,拱轴线为抛物线。拱肋在拱脚分离,在拱顶连接交汇成整体,拱肋横撑采用一字撑。系梁采用钢-混组合梁,钢梁采用扁平钢箱梁,机动车道范围正交异性钢桥面上铺设厚120 mm的C50纤维混凝土桥面板,轨道交通及人行道、非机动车道区域均为钢桥面系。主跨共88根吊杆,吊杆在梁上标准间距9 m,顺桥向倾角约60°。吊杆均采用55-∅15.2 mm高应力幅环氧涂层钢绞线,钢绞线标准抗拉强度1860 MPa。吊杆在拱上采用销接式叉耳板锚固,在梁上张拉端采用带球铰的冷铸锚锚固。该桥具有跨度大、桥面宽、公轨合建等特点,采用网状吊杆布置、高应力幅吊杆体系、组合桥面板系梁等创新设计,桥梁结构安全、合理、经济。

宁波三官堂大桥钢桁梁设计

宁波三官堂大桥主桥为三跨连续钢桁梁桥,跨径布置为(160+465+160)m,主跨桥面宽45.9 m,边跨桥面宽37.9 m。主桁采用2片变高N形桁,跨中桁高14.5 m,中墩墩顶桁高42.0 m,边墩墩顶桁高15.0 m。2片主桁横向间距33.7 m,基本节间距15.0 m,中墩墩顶附近节间距18.75 m,主桁杆件均采用板肋加劲箱形断面。主桁上平联采用菱形布置,V撑处下平联采用K形布置,平联杆件采用箱形或H形断面。桥面系采用正交异性钢桥面板,板桁结合,共同参与受力。为解决边墩支座负反力及优化主桁杆件受力,采用边墩支座顶升技术,并在边墩附近部分主桁杆件及桥面系设置压重混凝土。边跨及三角区钢桁梁采用支架拼装工艺施工,中跨采用悬臂拼装工艺施工。

一种自浮式防撞装置的防船撞性能分析

通过数值模拟研究了松浦大桥上采用的自浮式防撞装置的防船撞性能,建立了1 000t轮船及自浮式防撞装置的精细化有限元模型,研究了自浮式防撞装置材料强度、滚滑组件个数、耗能钢筒屈服强度对自浮式防撞装置防船撞性能的影响。结果表明,自浮式防撞装置能延长撞击时间,显著削减撞击力峰值,同时,采用强度相对较低的材料、增加滚滑组件个数有利于进一步降低撞击力峰值,对于耗能筒屈服强度,存在一个最优值使得撞击力峰值最低。