基于正交试验设计的正交异性钢桥面系多因素优化研究

以某大跨悬索桥钢箱梁为研究对象,建立精细化的局部正交异性钢桥面系有限元模型.采用正交试验设计方法,研究了最不利轮载作用下正交异性板结构参数及铺装层材料与结构参数对铺装层力学特性的影响.以钢桥面铺装体系质量最轻和铺装层横向拉应力最小为目标函数,拟合得到各变量间响应面模型,最后对正交异性钢桥面系进行优化设计.结果表明:轮载对称施加在U肋正上方时,铺装层内横向拉应力及弯沉值最大;最不利轮载作用下,铺装层弹性模量变化对铺装层横向拉应力、铺装层与钢桥面板间层间剪应力、铺装层弯沉值影响最为显著,增大铺装层厚度及弹性模量可改善钢桥面系受力状况,钢桥面板厚度变化对钢桥面系力学特性影响较小;基于响应面对正交异性钢桥面系进行多目标优化设计,减小了铺装层横向拉应力的同时,降低了结构自重,具有很好的应用价值.     

新型钢桥面铺装结构的力学性能分析

针对目前正交异性钢桥面铺装层常见的裂缝、推移、局部拥包等破坏形式,应用有限元法对新型桥面铺装结构,分析不同位置的荷载对铺装层最大拉应力和表面最大竖向位移、最大剪应力的影响,并与传统的沥青混凝土铺装结构进行对比分析。分析结果表明：采用新型的铺装结构比沥青混凝土铺装结构的最大拉应力、表面最大竖向位移、铺装层表面和底面的最大剪应力都有一定程度的降低,因此能较好的控制钢桥面铺装层的破坏。在采用新型桥面铺装结构时应以铺装层横向最大拉应力、最大横向剪应力作为铺装层开裂破坏控制指标。研究结果可以为大跨径钢箱梁桥面铺装设计提供理论参考.     

大跨径钢桥UHPC-TPO超薄铺装新体系力学 计算与分析

为了研究超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)-聚合物混凝土薄层铺装(thin polymer overlay,TPO)超薄铺装体系在不同的车辆轴载、水平力大小、TPO铺装层厚度、荷载位置下的力学性能,采用正交试验设计进行有限元计算.研究表明:随着轴载增大,UHPC最大拉应力、TPO最大拉应力、UHPC与TPO层间最大剪应力均显著增大;水平力大小对UHPC-TPO层间最大剪应力影响显著;增大TPO厚度对结构受力有利;考虑超载230%且紧急制动的不利工况,UHPC最大拉应力和TPO最大拉应力均小于各自的开裂强度、UHPC与TPO层间最大剪应力远小于界面抗剪强度.     

简支箱梁桥沥青铺装层层间接触分析

通过ANSYS软件建立了简支箱梁桥足尺模型,桥面铺装层间采用接触方式,分析了简支箱梁桥在中部偏载作用下沥青混凝土铺装上下面层厚度、弹性模量、层间粘聚力以及层间脱空面积变化对铺装层产生的影响.计算分析结果表明:沥青铺装层上下层厚度变化对铺装层内纵横向拉应力影响明显,增加铺装上层厚度可以减少铺装下层的拉应力和剪应力,增加铺装下层厚度对层间抗剪作用影响不敏感;增加铺装上层弹性模量能减小铺装下层拉应力和剪应力,增加铺装下层弹性模量不能提高铺装层抗剪效果;层间粘聚力大于0.25 MPa时,铺装上下层各应力基本不变;随着铺装层间脱空面积的增大,铺装层上下层相关应力增大,在脱空处容易产生破坏.沥青铺装层层间存在脱空时,铺装层上层纵横向拉应力和剪应力大于铺装层下层的对应应力.     

带裂缝桥面铺装内部动水行为仿真模拟

为了解带裂缝桥面铺装在内部动水压力作用下的力学响应情况,采用LS-DYNA有限元分析软件,建立沥青铺装层内部饱水裂缝模型,施加车辆正弦动态荷载,对内部动水行为进行流固耦合仿真模拟分析.结果表明:车辆动载作用下,饱水微裂缝所受最大压、剪应力均位于裂缝尖端,而最大拉应力则位于裂缝周围;饱水裂缝尖端最大压、剪应力与车速和荷载水平都有很好的线性相关性,在120 km/h速度、1.5 MPa荷载水平下,X、Y向最大压应力和最大剪应力分别达到0.472、1.101、0.361 MPa,在如此大应力反复作用下微裂缝将迅速扩展,加速铺装结构破坏.导致沥青铺装层内饱水微裂缝扩展、恶化的最主要因素是车辆的超载,交通管理部门应严格限制超载超限车辆的上路.     

水泥混凝土桥面铺装力学行为数值分析

为了分析桥面铺装层的力学特性及其影响因素,结合桥面铺装的结构形式建立了有限元模型,分析了不同水平制动力系数、铺装上下面层材料模量组合及铺装层厚度变化对铺装层内力学状态的影响规律．结果表明,不同的水平载荷对铺装层内的主应力影响较小,而对铺装层内的剪应力影响较大;随着水平载荷的增加,铺装层及防水粘接层内的最大剪应力呈线性增大的趋势;随着铺装层组合模量的提高,铺装层内的主应力变化较小,而层间剪应力相应减小,但变化的幅度较小;增加铺装层的厚度对主应力的影响很小,随着厚度的增加层间最大剪应力减小．研究结果可为桥面铺装材料的选择和结构设计提供理论参考．     

连续箱梁桥不同厚度铺装层的力学响应分析

应用ABAQUS有限元分析软件整体建模研究了不同厚度铺装层的力学响应变化规律。结果表明:水平荷载对层底剪应力水平影响较大,较厚的铺装层能在一定程度上降低层底剪应力水平。车辆超载、铺装层模量的变化、温度荷载对各不同厚度铺装层力学响应的影响效果接近。较薄的铺装层应提高粘结层的抗剪性能,较厚的铺装层应提高铺装层材料的抗拉强度。桥梁内部最大主应力与最大Mises应力均随着铺装层厚度的增加而呈线性增长,薄层铺装能够在一定程度上改善桥梁受力状况。在实际决策过程中,需要综合考虑力学响应指标与材料实际性能,以达到经济性与功能性双重目的。     

半刚性基层沥青路面U形破坏力学机理分析

沥青路面层间粘结不足易导致层间滑移病害的发生,U形破坏是纵向层间滑移的典型破坏形式,多发生在车辆频繁加速、减速的长大纵坡路段。以半刚性基层沥青路面U形开裂为研究对象,采用有限元分析软件ABAQUS,计算了模型在荷载作用下的力学响应,分析了应力在路面内的分布规律,结合路面实际破坏现象,揭示了U形破坏产生的力学机理。经过分析得知:纵向拉应力和剪应力的分布规律分别与U形裂缝的底部和两侧位置相吻合,且U形底部开裂是拉应力导致的张开型裂缝,U形的两侧开裂是剪应力导致的剪切型裂缝。     

大跨度钢箱梁斜拉桥钢–UHPC组合桥面加固效果评估

为评估钢-UHPC（超高性能混凝土,Ultra-High Performance Concrete）组合桥面对大跨度钢箱梁斜拉桥的加固效果,基于随机车流下应力监测数据,结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）对钢-UHPC组合桥面和ERE（冷拌环氧树脂,Epoxy bond chips layer+ Resin asphalt+ Epoxy bond chips layer）桥面的疲劳性能进行了对比评估。利用Miner线性累积损伤准则计算了两种桥面各疲劳易损细节的剩余疲劳寿命。建立有限元模型,对钢-UHPC组合桥面UHPC层的抗裂性能进行了验算;计算了两种桥面钢桥面板的最大挠度及沥青铺装层的最大拉应力。结果表明： ERE桥面面板-纵肋焊缝纵肋侧、横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝处存在较大应力,剩余疲劳寿命分别为214、186、61年;ERE桥面纵肋对接焊缝处在桥梁设计基准期内有疲劳破坏的风险;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性板各疲劳易损细节最大应力幅值均降低到常幅疲劳极限以下,剩余疲劳寿命增长为无穷大;钢-UHPC组合桥面UHPC层的最大拉应力为4.68MPa,抗裂性能满足规范设计要求;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性桥面刚度提升效果明显;加固后,钢桥面板挠度降幅为34%,最大挠度为0.69mm;沥青铺装层最大拉应力降幅为59%,最大拉应力为0.42MPa。经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能满足规范设计要求,桥面铺装层的抗裂性能也有所改善。     

简支梁正交异性钢桥面铺装层最不利受力分析

正交异性钢桥面板在大跨度钢桥建设中应用的越来越广泛。在实际荷载作用下,正交异性钢桥面铺装内的最大应力应变的位置和大小,是钢桥面铺装材料和结构设计的重要基础。文章围绕正交异性钢桥面板钢桥面铺装早期损坏严重问题,利用有限元方法建立了简支梁桥的整体模型,施加移动荷载确定桥面铺装层最不利受力位置,对简支梁桥的桥面铺装层最不利受力情况进行研究。结果表明:当车辆荷载后轴作用于近跨中21. 4 m处和桥面铺装内纵向22. 6 m处时,产生的纵向应力值最大;铺装层内横向最大拉应力发生在跨中附近腹板处桥面铺装层顶面,竖向最大拉应变位于横桥向3. 5 m,纵桥向最大压应力和压应变位于横桥向3. 8 m处,且铺装层各层的横、纵桥向最大应力均从顶层向下减小,而竖向最大拉应力从顶层向下则依次增大。