对正交异性钢桥面板构造抗疲劳设计方法的分析

国内近年来正交异性整体钢桥面体系不仅在公路钢桥,而且在铁路钢桥上得到大量的应用。首先介绍国内对正交异性钢桥面板应用的总体情况,包括还在建造和设计中的一些新桥。对正交异性钢桥面板疲劳构造细节进行分析,重点分析疲劳裂纹易发生部位和形成的原因。根据分析结果,设计出经简化且能包络实际受力最不利状态的试件进行疲劳试验。所涉及的构造细节包括桥梁实际工艺下的U肋与桥面板焊缝、U肋与横隔板之间有过焊孔和没有过焊孔时横隔板与桥面板焊缝、U肋嵌补段焊缝、U肋与横隔板之间挖孔焊缝,共计有6个构造细节。提出采用准热点应力统计方法确定正交异性钢桥面板构造细节名义应力的观点,对制定抗疲劳设计方法的研究技术路线作出归纳,进而提出正交异性钢桥面板疲劳设计方法的建议。     

正交异性钢桥面板受力特征研究

论述正交异性钢桥面板的结构受力特点,对易出现裂纹的构造受力情况进行分析。通过ANSYS有限元软件,分别对公路正交异性桥面和铁路正交异性桥面建立模型,在移动荷载作用下,对桥面的竖向变形、横隔板部位的面外变形,以及U肋与腹板交叉部位构造的应力变化规律进行分析。研究结果表明:弧形缺口处面外和面内的变形、U肋与面板、U肋与横隔板交叉焊缝的起焊点和弧形缺口部位的最小净截面处的应力是引起正交异性板疲劳的主要因素,其主要受相邻2个横隔板范围内荷载的影响;荷载在桥宽方向只影响与其相邻(左右两侧)的两个U肋的肋角应力。     

超大跨径单向预应力UHPC连续箱梁桥概念设计与初步实验

提出一种超大跨径超高性能混凝土(UHPC)连续箱梁桥新体系。新体系梁桥将超高性能混凝土(UHPC)、密集横隔板薄壁箱梁和部分体外预应力有机结合,变传统三向预应力为纵向单向预应力结构,不仅提升了梁桥跨径,而且可消除传统大跨径PC梁桥的主梁过度下挠和梁体开裂两类病害,通过对跨径400m的UHPC连续箱梁桥试设计,结果表明,新体系箱梁桥各种板件的厚度大幅度减小,密集横隔板有效降低了箱梁的横向应力,上部结构自重可减轻约50%,具有良好的经济性,单向预应力完全可行。进行了UHPC梁的徐变性能和腹板抗剪性能模型试验。试验结果表明:UHPC梁的徐变变形仅为常规梁的20%,密集横隔板进一步提高了腹板的抗剪能力。超大跨径UHPC连续箱梁桥是一种在安全、经济、耐久各方面极具竞争力的梁桥方案,可适用于400m级跨径的连续体系梁桥。     

横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋组合3种缺口类型的横隔板,建立正交异性闭口加劲钢桥面板有限元实体模型进行加载,用ANSYS程序计算分析了横隔板不同缺口形式的正交异性钢桥面板力学性能、正交异性钢桥面板、纵肋、横隔板三者连接处的应力状态以及不同缺口形式的正交异性钢桥面板疲劳性能,研究了横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板静力力学性能以及疲劳性能的影响。     

大尺寸纵肋顶板-U肋构造细节的受力分析

为研究正交异性钢桥面板横隔板无外切口大尺寸U肋-顶板焊接构造细节的疲劳性能,建立有限元模型,计算得到该构造细节在轮载作用下的应力随轮载位置变化的规律和相应应力幅,并与传统尺寸正交异性钢桥面板的受力情况进行对比。研究表明:大尺寸U肋正交异性钢桥面板的应力影响线较长,受力性能与传统正交异性钢桥面板有差别;当轮载作用在U肋上方面板的面积越多时,构造细节的应力越大;构造细节面板处的面外弯曲应力较大,而U肋腹板处的面外应力很小。     

城轨钢箱梁U肋正交异性钢桥面板疲劳应力的 正交化计算方法

针对城轨钢箱梁正交异性桥面板关键构造疲劳应力问题,基于有限元方法提出正交化计算方法。首先计算典型正交异性钢桥面构造疲劳应力在城轨A型车和B型车作用下的纵向影响范围及最不利加载位置,并分析减振垫、吊点横隔板、轨下纵梁和道床板等参数的影响。然后根据大量工程实桥设计参数统计提出轨道交通桥梁正交异性板钢箱梁基准计算模型,并建立基准计算模型的空间有限元模型,通过数值计算得到顶板厚度、横隔板高度、横隔板间距、轨下纵梁高度及2种常见开孔形式等关键设计参数的影响系数,基于正交化方法提出不同设计参数条件下正交异性桥面板结构细节的疲劳应力计算公式。最后通过算例验证了正交化计算方法的可靠性和适用性。结果表明:城轨A型车在疲劳荷载作用下结构受力最不利; 轨下纵梁刚度对疲劳应力有显著影响。     

重度疲劳开裂钢桥桥面的UHPC加固技术

武汉军山长江大桥在服役17年后,桥面板出现了严重的疲劳开裂问题,难以修补,为此提出一种钢桥面板不修补,上铺带横向钢板条的UHPC桥面加固方案。以军山长江大桥为研究背景,应用子模型技术对比计算了钢面板重度开裂时纯钢梁和加固后钢面板的应力状态;制作了双层钢筋网+UHPC的传统轻型组合桥面结构与钢板条+UHPC及三层钢筋网+UHPC两类新型加固结构,开展了横向抗弯静力试验及疲劳试验。研究结果表明：采用UHPC加固技术后,正交异性钢桥面的疲劳应力大幅度下降,其中钢面板-U肋焊趾处的横向拉应力沿纵、横桥向的分布降幅达78.8%～86.4%;UHPC拉应力方面,由于钢面板不修补,UHPC层下缘拉应力高达12.9MPa,UHPC层下缘布置80mm宽间距200mm的钢板条后,其底面名义开裂应力可达43.2MPa,远高于设计拉应力,钢板条+UHPC的钢桥面加固方案经过应力幅22MPa的1000万次疲劳试验,UHPC层具备800万次疲劳寿命(裂缝宽度小于0.05mm),且刚度无折减,因此可作为永久结构层与重度开裂的钢桥面构成轻型组合桥面结构,经UHPC加固后,原钢桥面的疲劳裂缝有望不再发展。     

大纵肋正交异性组合桥面板混凝土结构层的有效宽度研究

大纵肋正交异性钢桥面板在疲劳性能和经济性等方面具有突出优势,但局部强度不足的问题突出,在钢桥面板上设置混凝土结构层而发展的大纵肋正交异性组合桥面板,是有效改善新型大纵肋正交异性钢桥面板关键疲劳易损部位抗疲劳性能的新型结构体系。大纵肋正交异性组合桥面板在剪力滞效应的影响下,混凝土层纵向应力沿横向分布不均匀,有效宽度是该类结构设计和计算的基本参数。文章建立大纵肋正交异性组合桥面板参数化有限元模型,研究荷载形式、刚性铺装厚度、刚性铺装材料强度、跨中横隔板等因素对混凝土结构层在弹性极限状态下有效宽度的影响。研究结果表明:在不同的加载模式下,有效宽度沿梁跨表现出不同的变化规律;混凝土强度等级和混凝土厚度对有效宽度的影响不显著;跨中设置横隔板能够在一定程度上改善横隔板附近区域混凝土结构层的剪力滞效应。     

正交异性钢桥面板U形肋与横隔板连接处弧形缺口几何参数优化研究

纵肋与横肋交叉连接处弧形缺口的疲劳裂纹是钢箱梁正交异性钢桥面板最典型的疲劳裂纹之一。该部位受力复杂,欧洲、日本和美国规范基于不同的侧重点,针对该构造细节的设计建议差别较大。通过精细化的有限元计算,对钢箱梁正交异性钢桥面板U形肋与横隔板交叉连接部位横隔板腹板上弧形缺口的形状、弧形缺口高度等进行参数分析,比较横隔板腹板上弧形缺口构造细节的合理性,选定最优设计几何参数。     

某悬索桥钢箱梁疲劳病害及处治方法研究

针对柔性铺装正交异性钢桥面板的疲劳病害难以克服、横隔板弧形切口处疲劳裂纹主要由面外变形所致等认知问题以及横隔板疲劳裂纹的合理处治方法,以某悬索桥为工程背景,通过构造尺寸、运营荷载、疲劳病害等信息的汇集,移动轮载横隔板应力及其规律分析,以及横隔板疲劳裂纹处治方案比较研究,得到以下结论：①柔性铺装正交异性桥面板采用合理的结构形式与构造细节,可确保其通常运营荷载下的疲劳寿命|②横隔板弧形切口部位轮载应力主要为面内应力,该区域疲劳开裂主要原因为面外变形的传统结论值得商榷|③弧形切口区域轮载应力幅最大加载位置为纵向距关注横隔板0.3m,横向位于横隔板关注锯齿块正上方|④轮载对弧形切口处应力幅的影响范围为：纵向两端各1.5倍横隔板间距,横向两侧各2.0倍U肋间距|⑤横隔板疲劳裂纹处治可采用“优化弧形切口”或“优化弧形切口+双面补强钢板”方法,且弧形切口和补强钢板形状可全桥统一。     

公路悬索桥正交异性板钢箱梁桥面局部应力简化计算方法初步研究

选取公路悬索桥正交异性板钢箱梁典型结构,根据顶板厚度、主梁高度、横隔板间距以及吊杆纵向间距内横隔板节间数等4个参数对结构进行研究。用有限元法试算确定最不利荷载位置后,分别对各结构的节段模型进行加载计算,研究钢箱梁桥面的顶板纵向最大拉应力与最大压应力、顶板横向最大拉应力与最大压应力、纵肋纵向最大拉应力与最大压应力,并由计算结果推导出公路悬索桥正交异性板钢箱梁桥面局部应力简化计算公式,初步验证该公式具有一定的计算精度与简便性。     

UHPC华夫板在桥面铺装更换中的应用研究

为了解决传统钢筋混凝土桥面铺装开裂破损、工艺复杂、质量难以保证及耐久性差等问题,本文提出一种用UHPC华夫板更换桥面铺装的结构并采用数值模拟的方法对UHPC华夫板的结构设计参数进行对比研究,分析得出在单块UHPC华夫板尺寸一定的情况下,顶板厚度、钢筋直径及纵肋数量对结构受力性能影响幅度较小且平缓,横肋数量对华夫板受力性能影响较大,随着横肋和纵肋数量的增加,结构最大应力及挠度减小幅度在产生一次突变后趋于平缓。本文归纳总结了用UHPC华夫板更换桥面铺装的构造要求、现浇接缝的结构形式和施工要点以期为桥面铺装的病害处治提供一些借鉴。     

面向未来的高性能桥梁结构研发与应用

为从根本上解决混凝土桥、钢桥及钢 混凝土组合桥中的共性技术难题,并提升桥梁结构的性能与品质,笔者团队以超高性能混凝土（UHPC）为基础,研发了面向未来的高性能桥梁结构体系。介绍了笔者团队研发的4类高性能桥梁结构:①钢-超高韧性混凝土（STC）轻型组合桥面结构,其中的STC是钢桥面专用的UHPC;②钢 UHPC华夫板轻型组合桥梁结构;③单向预应力UHPC薄壁连续箱梁结构;④全预制快速架设UHPC城市桥梁结构。通过大量静力和疲劳试验,掌握了各类UHPC桥梁结构的基本受力性能,并建立了计算理论和设计方法。列举了钢 STC轻型组合桥面结构已推广应用于中国的17座钢桥,涵盖了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类基本桥型,典型应用包括湖南岳阳洞庭湖二桥等重大工程。到目前为止,各实桥运营状态良好,钢 STC未出现任何病害问题。综合而言,高性能桥梁结构有望突破现有桥梁中的技术瓶颈,具有广阔的应用前景。     

装配式钢箱梁桥面刚柔复合铺装结构力学分析

选择钢箱梁刚柔复合桥面铺装体系为研究对象,建立正交异形板以及铺装层的三维有限元模型,探索车轮荷载作用下刚柔复合铺装层及其与钢桥面板界面上力学响应的分布规律。分析表明,刚柔复合铺装结构整体刚度较好,铺装层受力的局部效应减弱;纵向拉应力为刚柔复合铺装中拉应力的主要控制指标;正交异性板的刚度突变位置易出现最大应力值。研究结果可对钢桥面铺装设计提供理论依据。     

纵肋截面形式对正交异性钢桥面板性能的影响

采用通用有限元分析软件ABAQUS建立某钢桥箱梁的计算模型,分析了几种不同的纵肋截面形式对正交异性钢桥面板构造细节处应力分布的影响,并根据分析结果推荐相对较优的钢桥面板布置形式。     

钢箱梁正交异性板受力性能分析

针对钢箱梁正交异性板结构,建立有限元模型,并进行计算分析和实测对比。结果表明,相对于传统解析法,有限元法能较好地模拟钢箱梁正交异性板的实际受力状态;在钢箱梁正交异性板局部加载中,横向最不利荷载位置为加载在U肋之上,且轮位中心处应力值最大;纵向最不利荷载位置为横隔板中间处,最大应力值在中间轮外侧;钢箱梁正交异性板整体刚度较大,横向车辆增加时对应的应力增加并不明显。     

Precast steel–UHPC lightweight composite bridge for accelerated bridge construction

In this study, a fully precast steel–ultrahigh performance concrete (UHPC) lightweight composite bridge (LWCB) was proposed based on Mapu Bridge, aiming at accelerating construction in bridge engineering. Cast-in-place joints are generally the controlling factor of segmental structures. Therefore, an innovative girder-to-girder joint that is suitable for LWCB was developed. A specimen consisting of two prefabricated steel–UHPC composite girder parts and one post-cast joint part was fabricated to determine if the joint can effectively transfer load between girders. The flexural behavior of the specimen under a negative bending moment was explored. Finite element analyses of Mapu Bridge showed that the nominal stress of critical sections could meet the required stress, indicating that the design is reasonable. The fatigue performance of the UHPC deck was assessed based on past research, and results revealed that the fatigue performance could meet the design requirements. Based on the test results, a crack width prediction method for the joint interface, a simplified calculation method for the design moment, and a deflection calculation method for the steel–UHPC composite girder in consideration of the UHPC tensile stiffness effect were presented. Good agreements were achieved between the predicted values and test results.     

Long-term effect analysis of prestressed concrete box-girder bridge widening

To make an analysis of long-term effect of prestressed concrete box-girder bridge widening, a revised method of shrinkage and creep is presented by incremental method on base of energy principle. Continuous change of stress aroused by concrete shrinkage and Young’s modulus of concrete over each time interval is considered, and creep effect due to constrained shrinkage strain is also taken into account. A calculating program was compiled according to this method, which was validated by test results. Then an example of prestressed concrete box-girder bridge widening was analyzed by use of this program. According to calculated results, longitudinal tensile stress at the flange of the new girder can reach 2.84 MPa due to shrinkage and creep effects of new box girder after 10 years, which may lead to crack of concrete. It is suggested that bridge widening should be performed 6 months after new girder is cast. Compared with new box girder not widened which is in service independently, the total prestressing loss of the widened new box girder decreases 31–35% 10 years after bridge widening. However, prestressing loss of the old box girder aroused by shrinkage and creep of the new box girder can be neglected.     

重庆丰都长江二桥主桥钢箱梁设计

重庆丰都长江二桥主桥采用(70.5+215.5+680.0+245.5+70.5)m钢箱梁斜拉桥结构,为双向四车道公路桥,桥面全宽26.5m。主梁采用正交异性桥面板流线型扁平钢箱梁,沿纵向分别设有两道外侧纵腹板、两道中间纵隔板及标准间距为3m的实腹式横隔板。斜拉索在钢箱梁上的锚固采用锚拉板结构形式。钢箱梁架设采用在桥塔两侧对称、同步进行梁段悬臂拼装的施工方案,先边跨合龙,后中跨合龙。