钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构疲劳性能研究

以含U型肋的钢-薄层超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构为对象,开展了稀疏栓钉布置下的组合桥面三点弯曲疲劳试验,研究了栓钉抗剪和薄层UHPC抗弯拉、疲劳性能,并进行了剩余强度试验.疲劳试验结果表明,累计经历3200万次疲劳加载后,UHPC顶面的最大裂缝宽度仅为0.05 mm,且钢-薄层UHPC界面未见显著滑移.剩...     

免蒸养UHPC钢桥面铺装层施工技术

正交异性钢-UHPC组合桥面板是解决正交异性钢桥面板病害的有效手段,但现有施工工艺多采用蒸养工艺,工序繁多、施工周期较长。在对蒸养、免蒸养等不同UHPC试件进行强度试验、干燥收缩试验的基础上,对免蒸养UHPC钢桥面铺装层施工关键技术进行了分析,对免蒸养工艺的适用范围、工艺原理、施工流程、操作要点与质量控制等进行了详细论述。试验结果表明：免蒸养UHPC较蒸养UHPC力学性能和收缩性能有所降低,但均能满足设计和施工要求。在正交异性钢-UHPC组合桥面板施工过程中采用免蒸养UHPC可降低施工难度,免去蒸养设备及相关措施,减少施工环节,降低施工成本,具有良好的经济和社会效益。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹的维修加固方法

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹是既有钢桥的常见病害,其维修加固难于新桥建设,必须遵守耐久性等基本原则。钢桥面板的维修加固方法分为三类:第一类是改进铺装层结构,减小整个钢桥面板所有部位的应力;第二类是局部补强或者改进纵向加劲肋的构造;第三类是直接对发生疲劳裂纹的局部进行维修。如果疲劳裂纹比较严重,如纵向加劲肋与横肋之间的连接失效、或者纵向加劲肋与面板的连接焊缝处裂纹向上贯穿面板等,则需要同时采用第一类和第三类加固方法。     

不同UHPC一钢桥面铺装体系的研究进展综述

超高性能混凝土(UHPC)虽然在钢桥面铺装体系应用中表现出良好的效果,但其钢桥面组合的形式多、特点各异、标准不统一,给推广该类铺装体系造成了困扰.为解决此类问题,梳理与总结了钢-UHPC(剪力钉+钢筋网)、钢-UHPC-TPO、钢-UHPC-沥青混凝土类和钢-黏结层-UHPC-沥青混凝土类(或无沥青混凝土类)等4种铺装...     

钢桥面横隔板弧形切口维修加固与寿命评估

正交异性钢桥面板弧形切口在使用中经常发生开裂,不合理的弧形切口设计导致的应力集中是产生疲劳开裂的主要原因。热切割改进弧形切口能有效地降低横隔板所受车载应力,但过程中会产生高水平的残余应力影响疲劳寿命。为此,提出了热维护+冷维护的疲劳维护方案,以热切割优化改进切口,并在纵肋与横隔板连接处粘贴钢板加固。采用ABAQUS软件建立钢箱梁节段模型计算维护前后车载应力,开展热切割残余应力测试试验,并通过数值模拟分析热切割弧形切口切向残余应力分布规律,基于钢材的本构模型对车载应力与热切割残余应力进行耦合,结合实测交通数据、采用线疲劳累计损伤理论计算了考虑热切割残余应力影响的弧形切口疲劳寿命,并对比分析了不同维护方案的效果。结果表明：采用热切割改进弧形切口后可明显改善应力集中问题,车辆荷载作用下的压应力峰值降低50%;但改进弧形切口会产生高水平的残余应力,显著影响其疲劳性能,疲劳寿命仅为67.75年,低于桥梁设计使用寿命;在改进切口上粘贴钢板进行冷维护,可进一步减小弧形切口的车载应力峰值,双面粘贴10mm钢板应力峰值降低79%,并显著增加其疲劳寿命;当采用相同厚度的补强钢板时,单面粘贴的疲劳维护效果优...     

正交异性钢桥面铺装层疲劳寿命的断裂力学分析

计算和分析正交异性钢桥面铺装层表面裂缝应力强度因子,在此基础上应用Paris扩展公式预测铺装层疲劳寿命。将奇异单元布置在铺装层表面裂缝前沿,建立正交异性钢桥面系三维断裂力学有限元模型,计算铺装层表面裂缝的应力强度因子;分析裂缝应力强度因子随轴载作用位置的变化规律,确定了带裂缝铺装层轴载作用的最不利荷位;以最不利荷位作为轴载作用的标准荷位,计算应力强度因子随裂缝扩展深度的变化,并数值拟合得到了应力强度因子与裂缝深度的关系式;将应力强度因子的深度关系式代入Paris公式,积分得到铺装层的疲劳寿命。计算结果表明,基于钢桥面铺装层带裂缝工作的事实,应用断裂力学方法预测钢桥面铺装层疲劳寿命是可行的。     

正交异性钢桥面横梁疲劳性能研究

为研究正交异性钢桥面横梁的疲劳性能,以某钢桁梁柔性拱铁路桥为背景,设计制作了2个正交异性钢桥面横梁足尺模型试件,试件材料、构造细节和制作工艺等与实桥一致,2个足尺模型试件进行静载和高周疲劳承载试验,并与钢桥面试件的有限元计算结果进行对比分析。研究结果表明:横梁腹板两个不同半径的切口圆弧相交处为疲劳裂纹易发处,试件1在此处产生了疲劳裂纹;横梁腹板切口处的裂纹对局部区域有一定影响,但对钢桥面试件的整体刚度和钢桥面横向受力性能影响不大;试件1和试件2的疲劳试验结果显示:横梁腹板切口处应力循环200万次时的疲劳强度都超过71 MPa,建议该类铁路钢桥面疲劳设计可采用Eurocode3规范规定的71级。     

UHPC提升钢桥面板纵肋-横隔板连接疲劳性能研究

文章采用有限元方法分析了钢桥面板纵肋-横隔板连接四个典型构造细节在有无UHPC铺装情况下的轮载应力响应,并对比UHPC铺装层对其疲劳性能的提升效果。研究结果表明,在无刚性铺装情况下,构造细节H、HD、LS和LZ的最不利应力分别为-82.1 MPa、28.3 MPa、43.3 MPa和-42.9 MPa;在采用50 mm厚UHPC铺装后,构造细节H、HD、LS和LZ的最不利应力分别下降为-45.6 MPa、13.0 MPa、14.7 MPa和-12.0 MPa;UHPC铺装层对钢桥面板纵肋-横隔板连接各构造细节的疲劳性能提升明显,其中构造细节LZ的疲劳寿命提升高达45.4倍。     

某炼钢厂钢吊车梁的开裂分析与加固处理

吊车梁是炼钢厂房非常重要的结构构件,钢吊车梁的破损开裂以疲劳开裂为主,对于焊接钢吊车梁的常见疲劳开裂,已经有了较为深入的剖析和了解,然而,实际使用过程中,仍有一些其他的疲劳裂缝产生。通过某炼钢厂房钢吊车梁的开裂分析及加固处理,表明吊车梁连接构造设计时,必须充分考虑其端部转角位移,只有采取合理的连接构造形式,才能保证吊车梁的安全正常使用。     

现代钢桥新型结构型式及其疲劳问题分析

随着各种形式的钢桥在我国得到大规模建设,特别是一些新型结构型式和制造工艺不断出现在现代钢桥中,钢桥构件的疲劳性能在设计时需特别关注。在对钢桥疲劳性能影响因素、钢桥疲劳设计关键参数以及疲劳荷载分析的基础上,对现代钢桥中的一些典型构造细节的疲劳性能进行了分析,并对防止钢桥疲劳的方法进行了总结,最后指出了目前我国钢桥疲劳研究中存在的一些问题,这对有效地防止钢桥疲劳破坏事故的发生,提高我国钢桥的设计和制造水平具有重要的意义。     

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。     

正交异性钢桥面板顶板竖向加劲肋焊接接头疲劳性能试验研究

正交异性钢桥面板的疲劳问题是目前研究的主要热点之一。该文针对国内钢桥面板顶板竖向加劲肋焊接接头的构造细节,通过振动型疲劳试验机开展了18个试件的弯曲疲劳试验,研究了普通角焊缝和熔透角焊缝在不同加载应力幅下的疲劳性能,分析了焊接接头的应力集中系数,并与有限元分析结果进行了对比,得到了普通角焊缝和熔透角焊缝焊接接头疲劳寿命大小;同时采用BS5400、JSSC、Eurocode 3以及我国钢结构设计规范（GB 50017—2003）规定的S-N曲线对试验结果的疲劳强度进行了评定。研究表明：钢桥面板竖向加劲肋焊接接头熔透角焊缝的疲劳性能总体上优于普通角焊缝,对我国钢桥面板竖向加劲肋焊接接头的开裂前的疲劳性能建议采用BS5400-F2的S-N曲线（35MPa）进行设计和评价;并且两者焊接接头的应力集中系数约为2.4左右,其中熔透角焊缝受到焊接工艺的影响其应力集中系数较大,须在焊接后对其进行焊趾表面处理,以进一步提高疲劳性能。     

钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性的损伤力学分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了单纯的沥青混合料铺装层矩形截面梁疲劳损伤特性,推导出梁的应变场和疲劳寿命预测公式。按抗弯刚度等效简化原则,将疲劳试验复合梁模型中的实际桥面用钢板简化为沥青混合料铺装层叠加到下面的沥青混合料铺装层上,共同组成准单纯的沥青混合料铺装层矩形截面梁,应用该原理及方法推导出梁底缘的应变场,以南京长江第二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。通过实例分析,表明损伤力学原理及方法可用于分析钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳特性,其疲劳寿命预测结果是较为精确的,它的实际应用还需给出相应的修正,此外指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

Fatigue cracking investigation on diaphragm cutout in a self-anchored suspension bridge with orthotropic steel deck

Abstract

To investigate the mechanism of base-metal cracking on diaphragm cutout in a self-anchored suspension bridge with orthotropic steel deck (OSD), multi-scale finite element models were established to obtain stress response at cutout detail under the passage of wheel loads. Fatigue life was evaluated based on nominal stress method and hot-spot stress method. The results indicated that the length of the longitudinal influence line for detail stress to wheel loads approximately equalled to twice the diaphragm spacing. The wheel loading location of maximum stress was the front wheel of middle-axle group 0.3?m from the diaphragm, and the stress was dominated by in-plane stress. The nominal stress was hard to define at cutout detail for high stress concentration, and the hot-spot stress was preferred to fatigue assessment based on S-N curve of FAT125, also nominal stress should be extracted at the location 5.0?mm from cutout edge. Cutout shape of Highway Bridge in Eurocode was suggested, and diaphragm thickness should not be below 12?mm. The cutout cracking was caused by poor cutout shape, thin diaphragm, high truck traffic volume and overloaded wheel loads, while undesirable fabrication control and large residual stress might also contribute to the cracking.     

Innovative steel-UHPC composite bridge girders for long-span bridges

Steel and steel-concrete composite girders are two types of girders commonly used for long-span bridges. However, practice has shown that the two types of girders have some drawbacks. For steel girders, the orthotropic steel deck (OSD) is vulnerable to fatigue cracking and the asphalt overlay is susceptible to damage such as rutting and pot holes. While for steel-concrete composite girders, the concrete deck is generally thick and heavy, and the deck is prone to cracking because of its low tensile strength and high creep. Thus, to improve the serviceability and durability of girders for long-span bridges, three new types of steel-UHPC lightweight composite bridge girders are proposed, where UHPC denotes ultra-high performance concrete. The first two types consist of an OSD and a thin UHPC layer while the third type consists of a steel beam and a UHPC waffle deck. Due to excellent mechanical behaviors and impressive durability of UHPC, the steel-UHPC composite girders have the advantages of light weight, high strength, low creep coefficient, low risk of cracking, and excellent durability, making them competitive alternatives for long-span bridges. To date, the proposed steel-UHPC composite girders have been applied to 14 real bridges in China. It is expected that the application of the new steel-UHPC composite girders on long-span bridges will have a promising future.     

钢箱梁横隔板疲劳裂纹特征与实桥试验的轮载应力

弧形切口处横隔板母材开裂是正交异性桥面板钢箱梁常见的疲劳病害。因研究方法的局限性,对其疲劳机理尚缺乏公认的认识。对此,考察并给出了两个背景工程的横隔板疲劳裂纹特征;针对无裂纹横隔板,进行了现场多种纵横向移动布载工况的轮载试验及相应的FEA计算,给出了结果及其规律。研究表明：①横隔板母材开裂常出现在远离U肋的上起弧点附近;开裂后,裂纹两侧的横隔板常有平面外的错动;②远离U肋的上起弧点附近横隔板的轮载应力始终为压应力,且应力绝对值最大;与U肋交界附近横隔板的轮载应力始终为拉应力,应力值次之;③横隔板平面外弯曲变形引起的应力相对膜应力很小,特别是弧形切口周边的潜在起裂处,两表面应力差几乎为0;④横隔板母材起裂处的压应力方向与裂纹方向几乎垂直;⑤顶板厚16mm、U肋厚10mm的背景工程,紧邻横隔板的U肋轮载应力不超过22MPa,应力幅小,几乎无疲劳开裂风险;⑥弧形切口周边轮载应力的最不利纵向加载位置为纵向距该横隔板约1倍的U肋间距;稍远处轮载应力的最不利纵向加载位置为其正上方。     

带钢板-混凝土组合桥面板的组合梁疲劳性能试验研究

为研究带钢板-混凝土组合桥面板的组合梁在疲劳荷载下的受力性能,对2个试件进行静力试验研究,并对6个试件进行等幅疲劳试验研究。疲劳试验试件按承受正弯矩和承受负弯矩两组类型试件分别考虑,在各组试件中均主要考察疲劳荷载上、下限值及疲劳荷载幅值等因素对带钢板-混凝土组合桥面板组合梁的疲劳破坏模式及疲劳累积损伤的影响。疲劳试验过程中对组合梁试件在各主要循环加载次数下的动挠度、残余挠度、混凝土应变、底部钢板应变、试件钢梁应变及试件受弯刚度进行试验测量和分析。疲劳试验结果表明:正弯矩组合梁试件的疲劳破坏形态为组合梁底部钢梁疲劳断裂破坏,进而受压区混凝土压碎破坏,试件疲劳寿命主要与试件疲劳应力幅有直接关系,而疲劳荷载的上、下限值对疲劳寿命影响较小;负弯矩组合梁试件在200万次循环荷载下均未发生疲劳破坏且仍具有较高承载能力和刚度,表现出了良好疲劳性能。研究成果可为该类型组合梁设计应用提供依据。     

Shrinkage and cracking studies of high performance concrete for bridge decks

Restrained shrinkage cracking is a critical issue that raises the concern of widespread use of high-performance concrete (HPC) in bridge deck. Present studies were undertaken to compare the different HPC and propose concept to use local field data to define a threshold for cracking potential. We developed 18 HPC mixtures, suitable for bridge decks in shrinkage-prone locations, using supplementary cementitious materials - fly ash, slag, silica fume, and metakaolin; and local aggregates with three different w/cm: 0.40, 0.35, and 0.30. Basic properties as well as shrinkage and cracking properties were evaluated. In addition to comparing among HPC performance, a correlation was made between commonly measured parameters such as strength, shrinkage, and modulus of elasticity with cracking onset obtained from ring tests. Finally, field data from no-crack and well performing bridges were used to define a threshold safe limit. This concept can be used for design of HPC mixtures to reduce cracking potential from materials point of view for any other locations.     

大跨径斜拉桥钢桥面防水铺装层修复方案分析与设计

针对主跨为618 m的大跨径斜拉桥——武汉白沙洲长江大桥钢箱梁桥面铺装的破坏情况,分析了铺装层发生病害的原因。采用高温稳定性能优异的新型防水粘结层材料和界面进行粗糙化处理技术对铺装层的破坏部位实施了抗滑移修复方案,应用有限元法分析了轮载作用下的正交异性钢桥面板铺装层剪应力的变化规律,同时对防水粘结层材料的粘结强度、抗剪强度和弯曲变形性能进行了室内试验,并且成功实施了白沙洲大桥钢桥面铺装修复工程试验段。