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。     

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。     

钢主梁拱桥组合桥面系力学性能分析

钢-混凝土组合结构桥面系近几年开始在拱桥结构中使用,拱桥中组合桥面系受力复杂,其力学性能受钢与混凝土是否连接、是否张拉系杆以及混凝土的浇注顺序等影响。该文采用空间有限元模型,开展了钢主梁拱桥组合桥面系的力学性能研究。研究表明:在钢主梁拱桥结构中混凝土桥面板与钢主梁是否结合对桥面系的整体受力影响甚微,只对桥面系局部位置的混凝土桥面板应力分布有所影响;拱桥中是否安装系杆对桥面系的受力影响较大,而且桥面系的受力与系杆张拉力有密切关系;对于组合桥面系的拱桥采用一次浇筑混凝土桥面板施工方法的桥面系受力要明显优于采用分段浇筑混凝土桥面板的方法。     

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。     

大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型研究

建立了考虑整桥变形的局部梁段模型,对钢桥面铺装在整桥及车载作用下的应力进行了计算,得到整桥变形的影响系数为1.17。建立初拟的两种协同作用试验方案的有限元模型,以局部梁段模型中铺装的最大应力应变值为参考值,对两种协同作用试验方案中相关结构参数进行了修正;在此基础上,为保证设计的协同作用试验模型与原型的一致性,将修正后的试验模型与局部梁段模型在控制点位应力值进行了对比;最终得到大跨径钢桥桥道系协同作用试验模型。研究成果可为钢桥面铺装室内试验模型的设计提供理论依据。     

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。     

带开孔板剪力键的钢-UHPC组合板受弯性能试验研究及数值模拟

研究了一种采用开孔板(PBL)剪力键的钢-超高性能混凝土(UHPC)组合板,可用作大跨度桥面板或楼板。基于某特大跨度组合梁斜拉桥的桥面板设计,完成了3块钢-UHPC组合板和1块钢-C60组合板的足尺模型试验,探究剪力连接件种类、数量和混凝土材料对组合板受力性能的影响。试验结果表明：在集中荷载作用下,钢-UHPC组合板发生典型的弯曲破坏,而钢-C60组合板发生冲切破坏;钢-UHPC组合板的承载力、刚度和延性均远优于相同厚度的钢-C60组合板;在3块钢-UHPC组合板试件中,含较多开孔板剪力键的试件表现出最佳的受力性能。基于ABAQUS建立钢-UHPC组合板的精细有限元模型,模型的预测结果与试验得到的荷载-位移曲线吻合良好,进一步利用有限元模型开展了参数分析。     

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。     

列车动力荷载作用下大跨度斜拉桥局部振动响应研究

为研究列车动力荷载引起的大跨度斜拉桥主梁和桥面板局部动力响应,基于车-桥耦合动力学理论建立了列车-轨道-斜拉桥空间耦合动力学模型。采用固定界面模态综合法和等效正交异性板法建立大跨度斜拉桥精细化三维有限元模型,车辆简化为具有二系悬挂的31自由度弹簧-质量模型,轮轨关系采用可分离的三维轮轨滚动接触模型。以主跨为1 092 m的沪通长江大桥为例,研究了轨道不平顺激励条件下高速列车行驶引起的桥面板和主桁架梁的动力响应特征及分布规律。研究结果表明:固定界面模态综合法既可以有效减少模型自由度数目,又可以反映桥梁局部动力响应;等效正交异性板法虽能较好地反映桥面板的局部振动,但由于没有考虑等效前后主梁整体刚度的一致性,故所计算的主梁振动位移偏差较大;由于桥面板局部竖向刚度较小,桥梁行车线正下方的桥面板竖向加速度远大于主梁桁架节点竖向加速度,建议我国相关铁路桥梁规范在评估大跨度板桁斜拉桥振动加速度时,考虑桥面板局部振动的影响;列车动力荷载作用下主梁桁架杆件应力冲击系数较小,动力效应不显著。     

列车动力荷载作用下大跨度斜拉桥局部振动响应研究EI北大核心CSCD

为研究列车动力荷载引起的大跨度斜拉桥主梁和桥面板局部动力响应,基于车-桥耦合动力学理论建立了列车-轨道-斜拉桥空间耦合动力学模型。采用固定界面模态综合法和等效正交异性板法建立大跨度斜拉桥精细化三维有限元模型,车辆简化为具有二系悬挂的31自由度弹簧-质量模型,轮轨关系采用可分离的三维轮轨滚动接触模型。以主跨为1 092 m的沪通长江大桥为例,研究了轨道不平顺激励条件下高速列车行驶引起的桥面板和主桁架梁的动力响应特征及分布规律。研究结果表明:固定界面模态综合法既可以有效减少模型自由度数目,又可以反映桥梁局部动力响应;等效正交异性板法虽能较好地反映桥面板的局部振动,但由于没有考虑等效前后主梁整体刚度的一致性,故所计算的主梁振动位移偏差较大;由于桥面板局部竖向刚度较小,桥梁行车线正下方的桥面板竖向加速度远大于主梁桁架节点竖向加速度,建议我国相关铁路桥梁规范在评估大跨度板桁斜拉桥振动加速度时,考虑桥面板局部振动的影响;列车动力荷载作用下主梁桁架杆件应力冲击系数较小,动力效应不显著。     

正交异性折形钢板-混凝土组合桥面板基本性能研究

针对工程中混凝土桥面板和钢桥面板的结构特点和具体使用状况,提出了一种钢与混凝土组合桥面板。通过对截面参数的优化,得到合理的组合桥面板截面形式。与混凝土桥面板和钢桥面板的受力对比分析,从理论上验证了正交异性钢板-混凝土组合桥面板应用于某些工程可行性。采用足尺桥面板的加载试验,得到了组合桥面板的抗弯极限承载力为规范车辆荷载效应的5.67倍,证实了其应用到桥梁结构中具有较大的安全储备。根据试验结果,在正常使用阶段可以按照平截面假定计算组合桥面板受力性能。     

基于截面应力法的钢-UHPC组合板初裂荷载计算方法研究

负弯矩作用下钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板结构层的局部受拉开裂问题,是该类新型组合桥面板结构体系应用和发展的基础性研究课题。基于平截面假定和双折线UHPC拉伸本构模型,提出了能够描述UHPC结构层实际应力分布的截面应力法,用于计算这种新型结构在纯弯曲作用下的开裂荷载。通过2组4个模型试验并结合相关文献试验结果对所提出的计算方法进行了验证,研究结果表明:利用截面应力法能够较为准确的描述钢-UHPC组合板在纯弯曲作用下的开裂行为,计算给出的开裂荷载与实测值比值平均为0.95;UHPC的开裂强度仅取决于其自身材料特性,钢-UHPC组合板开裂荷载的提高不会影响UHPC层的开裂强度;UHPC层在可视裂缝出现时的应变硬化高度是组合效应及配筋对其约束的直观体现;减小纵筋保护层厚度或提高配筋率能够提高UHPC应变硬化区域高度,提高钢-UHPC组合板抗弯性能。     

连续钢箱梁桥面铺装层结构应力分析

正交异性钢桥面的构造复杂,用理论算法对铺装层进行力学计算,较难得到精确的计算结果。本文利用有限元通用软件对曲线钢箱梁桥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,研究铺装层受力变形特点。根据钢桥面铺装层常出现的病害,并结合超载及刹车产生的水平荷载对铺装层受力的影响,提出相应的桥面铺装层破坏的综合控制指标。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳验算的应力分析模型评估

以天津塘沽海河大桥的正交异性钢桥面板为例,建立钢箱梁节段的有限元分析(FEA)模型、简化FEA模型和基于钢箱梁节段的子模型进行肋-面板焊缝疲劳应力分析模型的评估。计算结果表明:对于远离纵腹板处的肋-面板焊缝,通过提高简化FEA模型中横隔板高度和约束横隔板底部翼缘的方式可减小与钢箱梁节段FEA模型结果的误差;对于靠近纵腹板处的肋-面板焊缝,所有简化FEA模型的应力计算结果均低于钢箱梁节段FEA模型的结果,且误差超过23%。基于钢箱梁节段的三跨子模型可以准确地给出钢桥面板任意位置的肋-面板焊缝的疲劳应力。它具有钢箱梁节段FEA模型的计算精度和简化FEA模型的计算效率,因此它可作为正交异性钢桥面板任意位置处肋-面板焊缝疲劳应力分析的准确和高效计算模型。     

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。     

基于平钢板连接件的钢-RPC组合桥面板抗剪试验研究

该文提出了采用平钢板剪力连接件连接的钢-RPC组合桥面板结构,该结构不仅能解决公路钢桥沥青铺装层的病害,还能有效地提高桥面横向刚度,有助于缓解U肋加劲处应力集中和疲劳开裂现象。为了掌握该组合结构界面抗剪性能,连接件板厚分别取10 mm和4 mm,进行了两组平钢板连接件的推出试验,试验考察了平钢板连接件厚度对抗剪破坏形态及承载力的影响。结果表明:平钢板厚度较小时,表现为平钢板连接件根部受拉屈服;厚度较大时表现为连接件附近混凝土被压碎,工作机理类似于型钢连接件。10 mm板厚连接件相比4 mm板厚抗剪承载力提高了43.6%,抗剪刚度提高了35%,同时延性略有下降,但两组试件的延性系数均大于3.5。最后给出了平钢板连接件的抗剪承载力简化计算公式,计算结果相比试验结果偏于安全,可供设计参考。     

界面剥离钢-混凝土组合结构应力波传播谱元法模拟研究

建立钢-混凝土组合结构截面二维谱元法模型,针对钢-混凝土界面完好以及存在界面剥离时模型在单点激励下弹性应力波场进行模拟分析,探究弹性应力波的传播规律。采用去除混凝土单元的方法反映组合结构中钢板与混凝土之间的界面剥离。通过对比分析表明界面剥离的存在对弹性应力波场以及模型上不同位置的位移响应产生影响。通过改变界面剥离程度,得到测点位移的变化规律。通过模拟,谱元法可以有效模拟钢-混凝土组合结构中弹性波的传播规律,为研究基于应力波测量的钢-混凝土组合结构界面缺陷检测机理提供帮助。     

钢桥面铺装损伤病害的调查及分析

钢桥面铺装病害产生的原因包括外部因素和铺装自身因素,外部因素主要是铺装温度、交通荷载、桥面板刚度;铺装内部自身因素主要包括混合料的胶结料性能、混合料级配类型、混合料配合比、施工控制质量等因素。本文针对我国典型的钢桥面铺装:双层SMA、浇注式、环氧沥青铺装进行病害调查,分析引起病害的原因,为制定病害处治方案提供依据。     

环氧沥青铺装对钢桥面板受力影响试验研究

某悬索桥钢箱梁采用正交异性钢桥面板,运行数年后钢桥面板构件连接部位出现了4种疲劳裂纹,为考察新换环氧沥青混凝土铺装对疲劳敏感部位受力影响,建立了有限元模型,开展了长达6年的现场试验,试验涵盖原铺装、铺装铲除、新铺装三种状态,测试了疲劳敏感部位的受力及构件变形规律,开展了考虑温度影响的疲劳寿命改善效果分析研究。结果表明:6年试验期内环氧沥青混凝土铺装与钢桥面板组合受力处于稳定状态,在低温环境下,疲劳敏感部位1～4应力改善效果分别为80%、14%、32%、46%;4个疲劳敏感部位应力与温度线性关联,线性速率分别为-4.00、0.64、1.89、1.91;将实测应力统一至年均温度后,新铺装对部位1疲劳寿命相对改善较大,约提高了2.95倍,对部位4疲劳寿命改善次之,约提高1.64倍,对于部位2、3疲劳寿命改善效果不明显,高温环境下部位2、3开裂可能性仍较大。     

钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能对比试验研究

采用超高性能混凝土（UHPC）板与钢梁结合的钢-UHPC组合梁,具有自重轻、抗裂性和耐久性好的优点,对于钢-混凝土组合梁的发展具有重要意义。为了解钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能的差别,本文以某钢-普通混凝土简支组合梁桥为工程背景,进行了钢-UHPC组合梁桥的试设计,在此基础上,制作钢-UHPC组合梁和钢-普通混凝土组合梁模型进行抗弯性能的对比试验研究。结果表明,两种组合梁的受力特点类似,破坏模式均表现为钢梁底板先屈服,然后桥面板顶部混凝土被压碎。在极限抗弯承载力相等的情况下,钢-UHPC组合梁的桥面板厚度可以减小28%,且延性更好。钢-UHPC组合梁桥面板的剪力滞效应、钢梁与桥面板间的水平相对滑移均小于钢-普通混凝土组合梁。此外,钢-UHPC组合梁弹性阶段抗弯刚度与钢-普通混凝土组合梁相差不大,但由于组合梁总高度减小,后期刚度小于钢-普通混凝土组合梁刚度。研究结果可为钢-UHPC组合梁的进一步研究与工程应用提供参考。