闭口肋轻型组合桥面板疲劳性能研究

以洞庭湖二桥闭口肋轻型组合桥面板为对象,研究了焊接疲劳开裂细节,并引入热点应力法计算得到其应力幅值。对比分析后发现,与横梁相关的疲劳细节仍然有较高的应力幅值。针对国内外规范中典型横梁闭口肋开孔形式以及不同横梁厚度,开展有限元分析,从而进一步优化各疲劳细节的受力状态。数值分析结果表明：与传统钢桥面板相比,闭口肋轻型组合桥面板能大大降低各典型疲劳细节的应力幅值,降幅可达23.2%~86.1%|Eourcode3规范推荐的铁路桥梁孔型较优|横梁厚度的变化能大大改善横梁处相关疲劳细节的应力水平。足尺模型疲劳试验表明,洞庭湖二桥横梁圆弧过渡处疲劳细节强度满足设计要求|通过对STC层与钢顶板之间三种不同黏结方式的分析表明,界面黏结性的增强能改善轻型组合结构的受力性能。     

设内隔板正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验

针对U肋内侧增设内隔板的构造形式,开展正交异性钢桥面板足尺模型的静力及疲劳试验,分析内隔板对正交异性钢桥面板连接细节的力学性能及疲劳强度的改善。试验结果表明:内隔板对U肋与横隔板开孔根部连接位置的应力集中改善明显,对其他易发生疲劳破坏的连接细节应力水平亦有所改善,静力分析数值模型计算结果与静力试验结果吻合;常幅疲劳加载至230万次时,在U肋腹板位置发现3条明显的顺桥向裂纹,以距离焊趾10 mm位置的测点应力下降作为判断疲劳破坏的依据,无内隔板U肋腹板连接处疲劳强度高于Eurocode 3和AASHTO所规定的疲劳强度,而受焊接初始缺陷的影响,增加内隔板后U肋腹板连接处疲劳强度高于Eurocode 3而低于AASHTO中所规定的疲劳强度;U肋与横隔板开孔根部的焊缝质量对疲劳裂纹的产生和发展影响显著。     

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。     

轻型组合桥面板的疲劳性能研究

疲劳性能是钢桥面板设计的主要关注点,为研究轻型组合桥面板的疲劳性能,以广东虎门大桥为背景,建立局部有限元模型,利用热点应力法,对不同厚度超高性能混凝土(UHPC)层情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节,进行应力幅计算。然后,对采用45mm厚UHPC层的轻型组合桥面板进行UHPC层及栓钉应力(剪力)分析,并依据前人和二次疲劳足尺模型试验对UHPC层的抗弯拉疲劳性能进行评价。研究结果表明:轻型组合桥面板中UHPC层对于钢面板与纵肋连接细节,应力幅改善作用很大,而对其余细节,其改善程度相对较小;采用45mm厚UHPC层时,前者应力降幅高达51%~82%,后者降幅为21%~28%;面板与纵肋连接细节、纵肋对接细节及横隔板弧形切口细节的疲劳开裂风险可完全消除;UHPC层峰值拉应力为11.91MPa,两次疲劳试验表明其抗弯拉疲劳性能远超虎门大桥的要求。     

纵肋与横隔板新型构造细节疲劳性能研究

为提升纵肋与横隔板构造细节的疲劳性能,将横隔板在一定区域范围内与纵肋底板进行焊接连接,加强两者的协同受力,进而改善其疲劳性能,在此基础上发展了两种纵肋与横隔板新型构造细节并对其疲劳性能进行系统研究。结果表明：在纵向移动荷载作用下,纵肋与横隔板普通开孔构造细节的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板围焊焊趾开裂并沿纵肋腹板扩展且以承受拉-拉循环应力为主;两种纵肋与横隔板新型构造细节的主导疲劳开裂模式均以承受压-压循环应力为主,其中以新型构造细节1的受力最为合理,其主导疲劳开裂模式为纵肋底板围焊端部焊趾开裂并沿纵肋底板扩展,相较于纵肋与横隔板普通开孔构造细节,其应力幅值降低约12.4%,疲劳性能得到有效提升。     

钢箱梁新型构造对横隔板弧形缺口部位疲劳应力影响研究

根据国内外钢箱梁的设计经验,选取3种不同的横隔板优化结构形式,通过有限元方法建立钢桥面板的空间有限元模型,计算U肋与横隔板连接焊缝末端和横隔板弧形缺口2种构造细节在车轮荷载作用下的应力幅值,得出不同横隔板优化结构形式对横隔板弧形缺口部位疲劳应力的影响。研究结果表明:设置横隔板间小横肋可有效降低两处构造细节的应力幅,但该优化结构对横隔板弧形缺口细节的影响较U肋与横隔板连接焊缝末端细节小;设置内隔板后两处构造细节的应力幅均有所下降,其中采用内隔板上缘距桥面板顶板20 mm、下缘距U肋与横隔板焊接末端20 mm的设计形式效果最佳;设置弧形缺口加劲肋对焊缝末端和弧形缺口两处构造细节的应力幅均有较大影响,减小了构造细节发生疲劳开裂的可能性。     

正交异性钢桥面板横隔板局部模型疲劳试验研究

正交异性钢桥面板U型加劲肋与横隔板连接处是该类结构较为重要的疲劳易损部位之一。以横隔板弧形切口最小截面处的疲劳细节为研究对象,针对性地提出一种简化的横隔板局部试验模型,通过数值模拟与桥面系足尺模型进行对比,验证了试验模型的合理性。采用该试验模型对3种常用横隔板孔型进行疲劳试验,分析了该试验模型的疲劳破坏模式以及细节处的疲劳性能,最后得到S-N曲线并与各国规范进行比较。结果表明,不同孔型条件下疲劳裂纹容易在弧形切口最小截面处发生。Eourcode3推荐的铁路孔型和传统椭圆孔在弧形切口最小截面处的疲劳性能十分接近,均优于Eourcode3推荐的公路孔型,并且三种孔型的疲劳细节均高于我国钢桥规范和Eourcode3的71类细节等级。综合建议采用Eourcode3推荐的铁路孔型,在考虑保证率为97.7%的前提下,该细节的循环200万次的疲劳强度可取135 MPa。     

正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力幅分析

建立全桥模型和简化的钢桥面板局部节段模型,通过子模型法插值得到横隔板疲劳细节模型的边界条件,计算不同车轮横向分布对应的疲劳细节局部应力,研究横隔板参数变化对横隔板疲劳细节损伤的影响。结果表明:混合单元模型与钢桥面板简化模型对应的应力幅相差小于5.0%,采用钢桥面板简化模型分析横隔板疲劳细节受力简单合理。横隔板疲劳细节在车轮偏离中心位置150 mm时应力幅最大,随着车轮偏离中心位置距离的增大,应力幅下降明显。横隔板间距增大,横隔板疲劳细节应力幅上升,增加横隔板厚度可有效改善其疲劳受力性状。     

正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于包含多疲劳破坏模式的结构体系疲劳问题。基于这一本质特性,以典型的正交异性钢桥面板结构体系为研究对象,由结构体系的主导疲劳破坏模式出发,提出正交异性钢桥面板结构体系疲劳抗力评估的新方法。以纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节为主要研究对象,设计8个足尺节段模型,主要包括传统纵肋与顶板焊接细节、新型镦边纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节,通过模型试验研究了两类重要构造细节的主导疲劳破坏模式和实际疲劳抗力,在此基础上结合切口应力评估方法探讨正交异性钢桥面板构造细节切口应力S-N曲线方程、结构体系的主导疲劳破坏模式等关键问题。研究结果表明：传统纵肋与顶板焊接细节和新型镦边纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳破坏模式均为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,二者的实际疲劳抗力基本相同;纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳破坏模式为焊趾开裂沿纵肋腹板方向扩展;对于研究对象而言,萌生于纵肋与顶板焊接细节焊根并沿顶板厚度方向扩展的疲劳破坏模式为控制结构体系疲劳抗力的主导疲劳破坏模式。     

制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应

纵肋与横隔板焊接细节是正交异性钢桥面板中的典型疲劳易损细节。受到制作焊接技术等因素的制约,该处构造细节的制作误差难以完全规避。为探究其对关注细节疲劳抗力的劣化效应,针对模型试验中产生的制作误差,基于线弹性断裂力学的扩展有限元方法(XFEM),建立含裂纹有限元模型。通过对构造细节的第一主应力场以及断裂力学计算结果的分析对比,得到制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应。研究结果表明:试验模型中产生了横隔板犄角切割垂直度误差(Ⅰ区)与横隔板开孔切割断面凹陷误差(Ⅱ区),其中I区制作误差的产生难以改变疲劳裂纹开裂模式;Ⅱ区制作误差削弱了横隔板开孔犄角处的纵向刚度,减轻了横隔板对围焊下方的约束;Ⅱ区制作误差一旦产生,横隔板弧形开孔处Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值均会迅速增大,随着制作误差的增加,Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值増势减缓。相对于无制作误差工况,Ⅱ区初始制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了21.4%,试验制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了28.5%。     

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。     

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。     

隔板挖孔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,分析了几种不同的横隔板挖孔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。     

Experimental investigation on behaviour of steel-concrete composite bridge decks with perfobond ribs

This paper introduces a test program conducted for steel-concrete composite bridge decks with perfobond rib shear connectors. The composite deck consists of profiled steel sheeting, perfobond ribs, steel reinforcements, and concrete. To provide longitudinal shear resistance between the profiled sheeting and the concrete, perfobond ribs were used. For a prototype steel-box girder bridge, two types of deck profiles with deck-to-girder connections were designed. To validate the effectiveness of the proposed deck system for bridge application, push-out, full-scale flexural, and deck-to-girder connection tests for each deck profile have been conducted. The results of tests have shown that the perfobond ribs can be effectively used for shear connection in the steel-concrete composite decks.     

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。     

大跨径桥梁钢桥面铺装设计

由于大跨径钢箱梁桥面铺装的使用条件、施工工艺、质量控制与要求的特殊性,因此对于特定的桥梁的桥面铺装均需作针对性的专题研究,以保证铺装设计和施工成功。总结了作者近10年对大跨径钢桥面铺装设计理论与方法设计的研究成果,包括铺装材料与结构、钢桥面铺装体系受力特性、疲劳特性、设计指标、轴载换算原则与方法、铺装体系整体优化设计方法、工程实施等技术,研究成果已在南京长江第二大桥、南京长江第三大桥、润扬长江公路大桥、苏通长江大桥和杭州湾大桥等10多座大型钢箱梁桥桥面铺装设计和铺装工程中应用。     

九江长江大桥钢箱梁制作创新工艺设计及应用

本桥设计为双塔双索面斜拉桥,主桥结构为六跨不对称混合梁,其中钢梁为单箱三室结构的扁平钢箱梁。结合主桥钢箱梁的结构特点,进行了26项重点工艺方案设计,有多项工艺进行了创新设计,本文列举几项,例如梁段间预留间隙设置尺寸的加大,保证了梁段端口焊缝的焊接质量;对横隔板上、下接板的对中及变形控制采用一些列的工艺措施,保证了横隔板与顶板、横隔板上下接板间的焊接质量及尺寸精度;对桥面衔接构造无过焊孔的工艺处理进行改进,并提出组焊顺序,提高了钢箱梁的使用寿命。