循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了环境温度和循环车辆荷载共同作用下钢桥面沥青混合料铺装的疲劳损伤特性,推导出疲劳试验复合梁的损伤场、应力和应变场。以长江一大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。实例分析表明,考虑环境温度和车辆荷载共同作用下钢桥面铺装体系的疲劳寿命要小于单一考虑行车荷载的计算结果,二者相差最大可达44%。研究认为温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化,从而直接影响钢桥面沥青混合料铺装的力学行为和疲劳寿命,因此仅考虑交通荷载的作用进行钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳损伤的分析是过于简化的,应予以重视。此外,指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

温度作用对带铺装层钢桥面板疲劳效应的影响研究

以润扬大桥悬索桥为考察对象,基于实测结果研究了铺装层温度变化对钢桥面板两类焊接细节疲劳效应的影响特征。由于润扬大桥悬索桥疲劳分析模型计算单元数多且耗时大,首先利用模型参数敏感度分析方法确定钢桥面板疲劳效应简化分析模型中的敏感参数,然后利用敏感系数矩阵迭代法计算各个敏感参数的最优取值。在此基础上建立了带铺装层钢桥面板的疲劳效应简化分析模型,并考察了不同温度作用下两类典型焊接细节的疲劳效应。分析结果表明:1)两类焊接细节的日等效应力幅与钢桥面板温度存在较强的线性相关性;2)钢桥面板疲劳效应的简化分析模型为顺桥向支承在横隔板上、横桥向支承在顶板纵肋上的局部受力结构体系;3)带铺装层钢桥面板的疲劳分析方法能够准确计算车辆荷载和温度共同作用下焊接细节的疲劳效应。     

大跨径钢箱梁桥面锌系防腐蚀涂层研究

钢桥面防腐蚀涂层介于钢箱梁桥面板与桥面沥青铺装层2种完全不同的材料之间,既是钢桥面的防腐蚀涂层、防水涂层,又是二者的连接层.因此,对该防腐蚀涂层的腐蚀失效问题及其对钢桥面沥青混凝土铺装层弱化的影响规律进行研究具有实际意义.通过电化学腐蚀试验、涂层结合力试验、XRD分析等方法,研究了在环氧沥青和改性沥青混凝土2种钢桥面铺装层下的无机富锌、环氧富锌和电弧喷锌涂层的腐蚀性能以及涂层与钢桥面板间结合性能,考察了涂层腐蚀对桥面铺装层抗剪切性能的影响.结果表明:喷锌防腐蚀涂层与桥面板之间的结合力受制于钢板除锈预处理方式,喷砂处理的涂层结合力优于抛丸处理;铺装层的抗剪切能力受防腐蚀涂层腐蚀产物影响,锌系涂层的可溶性腐蚀产物破坏了钢桥面铺装体系界面的连续性,锌系涂层腐蚀使铺装层抗剪切强度下降1倍左右,喷锌涂层腐蚀对铺装层结合性能的影响大于富锌涂料涂层.     

基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究

针对钢桥面铺装环氧沥青混凝土出现的疲劳开裂问题,分析现有设计理论和方法的不足之处。基于断裂力学和能量法原理基础上,提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比设计的评价指标,通过试验验证了该指标的可行性;采用剩余劲度模量比来反映环氧沥青混凝土的疲劳性能,并建立起冲击韧性和剩余劲度模量比之间的关系。研究结果表明,冲击韧性和疲劳性能之间有良好的线性相关性,采用冲击韧性指标能够有效地评价环氧沥青混凝土的配合比设计和疲劳性能,该方法操作简单、快捷、准确,为环氧沥青混凝土的设计理论和方法提供一种新的思路。     

桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响

钢桥面板厚度小,铺装层的相对刚度较大,钢桥面板疲劳设计时,应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移,采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。     

复合浇筑式沥青钢桥面铺装层力学计算

钢桥面铺装的病害在大跨径桥梁上仍然很常见,钢桥面铺装已经成为制约大跨径桥梁发展的一个难题。本文采用有限元法对复合浇筑式沥青铺装层进行受力分析,将正交异性钢桥面板、铺装层作为整体,建立有限元模型,研究铺装层在行车荷载作用下的应力、应变规律。     

钢桥面铺装用环氧沥青相容性研究进展

环氧沥青是一类具有优异高温、低温及耐疲劳性能的正交异性钢桥面铺装材料.由于石油沥青在溶解度参数、介电常数、密度等方面均与环氧树脂有较大差异,因此解决石油沥青与环氧树脂间的相容性问题是实现高性能钢桥面铺装用环氧沥青国产化制备的前提.本文从对沥青进行顺酐化改性、选择与沥青相容性好的固化剂以及添加增容剂三个方面综述了近年来环氧沥青相容性的研究现状,最后指出了环氧沥青钢桥面铺装中存在的问题并进一步明确了下一阶段应在耐疲劳性、耐候性以及施工便易性等方面提升环氧沥青的综合性能.     

钢桥面铺装用环氧沥青相容性研究进展

环氧沥青是一类具有优异高温、低温及耐疲劳性能的正交异性钢桥面铺装材料。由于石油沥青在溶解度参数、介电常数、密度等方面均与环氧树脂有较大差异,因此解决石油沥青与环氧树脂间的相容性问题是实现高性能钢桥面铺装用环氧沥青国产化制备的前提。本文从对沥青进行顺酐化改性、选择与沥青相容性好的固化剂以及添加增容剂三个方面综述了近年来环氧沥青相容性的研究现状,最后指出了环氧沥青钢桥面铺装中存在的问题并进一步明确了下一阶段应在耐疲劳性、耐候性以及施工便易性等方面提升环氧沥青的综合性能。     

正交异性钢桥面疲劳开裂研究

正交异性钢桥面板的钢结构桥梁在车辆荷载作用下易出现疲劳开裂,为了解决这一问题,该文采用在正交异性钢桥面板上设置薄层RPC(Reactive-Powder-Concrete)超高性能混凝土层,将钢桥面转变成组合桥面,从而提高了桥面刚度,能有效改善结构受力状态,且不会增加桥梁上恒载重量。通过对某大桥的计算分析表明:采用组合桥面后,车辆荷载作用下的钢桥面应力大幅度下降。钢桥面疲劳敏感点处的拉应力降幅达到71.32%~72.39%,大幅度的提高了钢桥面的抗疲劳寿命;薄层RPC面板的高强度和高韧性,完全能满足组合桥面的最大拉应力10.08MPa的强度要求,成为钢桥面上的永久结构层,可以大幅度降低钢桥面板的开裂风险。     

Effect of pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading

This study evaluated the effect of the pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading using a three-dimensional finite element model. Four types of paving materials were considered in this analysis: polymer concrete, epoxy asphalt concrete, polymer-modified stone mastic asphalt concrete and mastic asphalt concrete. The maximum transverse tensile strain was developed at the bottom of the pavement under a tyre of dual tyres or on top of the pavement between two tyres. From the sensitivity analysis, better interface bonding between the deck plate and pavement led to a significant enhancement of bottom-up fatigue cracking resistance, especially for 40-mm-thick pavements. As pavement temperature increased from ? 20 to 60°C, critical tensile strain increased significantly, and corresponding locations moved from the bottom to the top of the deck pavement.     

运营状态下悬索桥钢桥面板疲劳效应监测与分析

基于润扬大桥悬索桥7个月的长期疲劳效应监测结果,建立了铺装层-钢桥面板一体化疲劳分析模型,并研究了两类关键焊接细节的疲劳效应与车流量、环境温度间的相关性关系。结果表明,两类焊接细节的应力循环次数与车流量线性相关而与环境温度无关,等效应力幅与环境温度线性相关而与车流量无关。由疲劳设计指南推荐的疲劳效应计算模型得到的应力循环次数较监测结果偏低,顶板-纵肋焊接细节的等效应力幅与监测结果吻合良好而纵肋对接焊接细节的结果较为保守。上述分析结果为疲劳设计指南的进一步改进和完善提供参考和依据。     

环氧沥青混凝土桥面铺装材料研究与应用进展

随着桥梁设计理念、结构分析、施工技术等不断更新发展与完善,目前桥梁正逐渐朝着大跨度、高强度、长寿命、高耐久等方向发展,同时,未来桥梁也将面临更复杂的建设环境、更多的功能需求,因此必须加强研发与新型桥梁设计体系相匹配的特种桥面铺装材料。环氧沥青混凝土桥面铺装材料以高强度、耐高温、抗疲劳、抗老化等优异路用性能脱颖而出,逐渐受到关注。然而,环氧沥青混凝土制备工艺复杂、施工条件严苛、耐久性不足等问题日益凸显,这些缺点使得其在桥面铺装领域的推广受到一定阻碍。为此,研究者们针对如何提升环氧沥青混凝土使用品质及耐久性进行了深入研究并取得了一定成果。这一系列成果先后在大量桥面铺装实体工程中得以应用,良好的使用效果也为环氧沥青混凝土的进一步推广奠定了基础。环氧沥青混凝土在桥面铺装领域的研究成果可以概括为三个方面:铺装结构组合优化、制备工艺优化、混凝土原材料优化。其中铺装结构组合从早期的单质单层结构逐渐过渡到单质双层、异质双层结构,趋于合理的铺装结构组合使环氧沥青混凝土材料的性能得以充分发挥。制备工艺从热拌法发展到温拌甚至冷拌,在保证环氧沥青混凝土使用性能的同时减少了对环境的污染,并且在一定程度上降低了施工难度。而在原材料应用方面,研究者们不断对双组分环氧沥青与三组分环氧沥青的性能进行对比分析;同时,环氧沥青的改性方式趋于多样化,从单独使用改性沥青发展到同步使用改性环氧树脂,改性剂从纤维发展到高分子聚合物、超支化聚合物等。这些措施不仅改善了沥青与环氧树脂的相容性,也增强了环氧沥青混凝土的相关性能。此外,为使环氧沥青混凝土具有更好的稳定性,在级配优化方面也进行了深入研究。然而目前环氧沥青混凝土的一系列研究成果较为散乱,缺乏对其系统的总结与梳理,且环氧沥青混凝土的性能评价指标及要求仍需深入研究与完善。为进一步确定环氧沥青混凝土桥面铺装材料科学合理的性能评价指标及要求,本文全面梳理了国内外环氧沥青混凝土相关规范,系统调查了大量实体工程及研究动态,对比分析了不同主要原材料的环氧沥青混凝土对其路用性能的影响,最终推荐了环氧沥青混凝土桥面铺装结构组合、原材料类型、级配范围和性能评价指标及要求,为环氧沥青混凝土桥面铺装材料规范完善与质量控制奠定了基础。     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明:解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。     

车桥耦合下钢桥面沥青铺装层动力响应研究

为了研究钢桥面沥青铺装层的动力响应,将车辆车体看成刚体并以匀速进行运动,车辆悬架与车轮均视为由弹簧和阻尼器所组成,将桥面沥青铺装层和钢板视为双层连续粘弹性薄板,并以铺装层表面不平度作为系统的附加激励,车辆和桥面铺装层间采用点接触模型,最终建立车辆-沥青铺装层-钢桥耦合动力学模型,进而采用Wilson-θ法求解系统方程组。在此基础上,应用Fortran语言实现模型的计算,并结合现场测试结果验证程序的准确性和可靠性。研究结果表明:对于钢桥面沥青铺装层,移动车辆产生的动力效应显著,随着后轴轴重的增加,铺装层表面应变幅值和铺装层与钢板间的最大剪应力呈线性增加;随着行车速度增加,铺装层表面应变幅值和铺装层与钢板间的最大剪应力上下波动变化,但两者均在60 km/h的行车速度下数值达到最大;桥梁跨径和桥面宽度对铺装层表面应变幅值和铺装层与钢板间最大剪应力的影响较为显著,桥梁跨径的影响尤为明显。     

Fatigue behaviour of asphalt concrete beams reinforced by glass fibre-reinforced plastics

The aim of this study was to evaluate the enhancement effect of asphalt concrete beams reinforced by glass fibre-reinforced plastics (GFRP). First, the Cooper fatigue test machine was used to conduct the four-point bending fatigue tests. The test results showed that the mean fatigue life of hot mixture asphalt (HMA) beams had been extended to more than 8.81 times with 3-mm thick GFRP sheets pasted on the top. Second, the stress and strian behaviour of the four-point bending fatigue test specimen was simulated by the finite element method. The results showed that flexural stiffness of HMA beams had increased significantly with GFRP sheets pasted on the top. Finally, the fatigue failure process of the HMA beam with GFRP sheet pasted on the top was predicted by the theory of damage mechanics. The predicted results matched well with those obtained in the fatigue tests.Therefore, pasting a GFRP sheet of a certain thickness on a steel bridge deck could greatly improve the overall stiffness of the pavement layer and form a kind of durable steel bridge deck surfacing structure. The research results had important theoretical significance and value in engineering applications.