正交异性钢桥面-RPC薄层组合铺装体系研究

为了综合解决钢桥面疲劳开裂和铺装层易损坏两大棘手问题,本文提出薄层活性粉末混凝土(RPC)钢桥面组合结构.正交异性钢桥面铺装有限元模型计算结果表明:相对于柔性铺装,组合铺装体系中铺装层最大拉应力、剪应变、竖向位移降幅分别为54.8%,78.9%和39.1%;组合铺装体系结合面抗剪试验及钢桥面-RPC悬臂梁抗拉疲劳试验结果表明:在高温(60℃)不利条件下,RPC与沥青磨耗层界面抗剪强度为1.3MPa;RPC与钢板抗剪栓钉承载力为66.75kN;在拉应力幅值7.5～14.5MPa条件下,钢桥面-RPC悬臂梁承受200万次疲劳荷载没有出现裂缝.研究结果显示,薄层组合桥面铺装体系,有效降低了铺装体系应力应变幅值以及局部竖向变形,且铺装层各结合面抗剪强度可以满足使用要求.     

基于Timoshenko梁及能量变分原理的薄壁箱梁挠度计算分析

基于Timoshenko梁理论和能量变分原理,对单箱单室混凝土薄壁箱梁的翘曲位移函数进行修正,合理构造考虑各翼板翘曲位移函数幅值关系、横截面轴力平衡以及剪切变形影响的翘曲位移函数,建立了体系总势能函数表达式.利用Euler-Lagrange方程得到了薄壁箱梁剪力滞效应计算理论的微分方程,推导了考虑剪力滞效应影响的简支梁挠度计算公式.结合ABAQUS有限元数值模型算例,对比分析了简支梁在不同荷载工况下挠度沿梁轴向的分布规律.结果表明:针对不同荷载工况下的单箱单室薄壁简支箱梁,文中提出的挠度计算公式的结果与ABAQUS有限元数值吻合较好.同时选取目前工程应用较为广泛的一般梁挠度简化计算方法进行对比分析.由于此类简化计算方法忽略了剪力滞效应存在而产生的附加挠度,导致误差较大,最高达到32.06%,误差范围为21.39%~32.06%.文中所提出的挠度计算方法的结果与有限元数值模拟的结果吻合良好,能较好地反映结构在外荷载作用下的变形规律,且不受加载工况影响,从而验证了文中挠度计算方法的正确性及适用性.     

钢桥面沥青铺装层疲劳损伤分析与车辆轴载换算

采用力学近似方法,对钢桥面沥青混合料铺装层在循环荷载作用下的力学行为和疲劳损伤特性进行了理论分析.采用粘弹性损伤模型的能量转换方法对钢桥面沥青混合料铺装层应力场、应变场及损伤场分布状况进行研究.依据钢桥面沥青混合料铺装体系复合结构的应力场、应变场和损伤场在疲劳过程中的动态演变规律以及疲劳裂缝的形成机理,推导出钢桥面沥青铺装层疲劳性能方程和车辆轴载换算公式.结合南京长江第二大桥钢桥面铺装工程,应用所建立的疲劳性能方程以及轴载换算公式对钢桥面铺装层使用寿命进行预测.     

移动荷载作用下三跨钢-混组合连续梁桥面铺装动态响应

为研究移动荷载作用下三跨钢-混组合连续梁桥面铺装层响应,建立了一种三跨钢-混组合连续梁模型,桥面铺装层采用沥青混合料黏弹属性,移动荷载采用DLOAD与UTRACLOAD子程序实现.结果表明,上面层、下面层、水泥混凝土层及钢板层的最大垂向挠度值比纵梁大17%.由于纵梁与横梁支撑,纵梁的最大垂向挠度比非纵梁小6.6%,横梁最大垂向挠度比非横梁小3.1%.剪力钉与混凝土全接触时的竖向挠度最大,黏结与接触共同作用时的竖向挠度次之,全黏结时的竖向挠度最小.桥面铺装层承受垂向压应力,上、下面层承受横向压应力,钢板层承受横向拉应力,上面层与水泥混凝土层承受纵向压应力,下面层既承受纵向压应力又承受纵向拉应力,钢板层承受纵向拉应力.     

裂缝对钢桥面铺装受力性能的影响

钢桥面铺装开裂破坏是沥青铺装最典型的病害类型,铺装层开裂不仅仅影响到钢桥面铺装层路用性能,而且对钢桥面板的受力也相当不利.本文采用ANSYS通用有限元软件,建立了典型的正交异性钢桥面板结构以及其上的ERS铺装体系的有限元模型,研究车轮荷载作用下表层裂缝对钢桥面铺装体系受力性能的影响,并进一步分析裂缝宽度对钢桥面铺装体系主要受力指标的影响.结果表明裂缝对与其垂直方向的应力影响较大,而对平行方向的应力影响较小,裂缝宽度对各项应力的敏感性影响较高.     

多车激励下波形钢腹板连续梁桥沥青铺装动力学响应

为研究多车激励作用下大跨径桥梁桥面铺装层的动力学响应,建立含有Fiala轮胎的多刚体实车模型以及大跨径桥梁有限元精细模型,考虑桥面随机不平顺激励,构建包含桥面铺装层的车-桥刚柔耦合系统动力学模型。计算准静态条件下桥梁控制截面的挠度,并与现场静载试验进行对比,验证了所建车-桥耦合模型的正确性与计算结果的有效性。研究不同编队多车荷载作用下波形钢腹板连续箱梁桥铺装的动力响应,不同工况对于车辆后轴悬架力和垂向轮胎力的影响,结果表明：多车荷载相比于单个车辆荷载所引起的动力响应更大,更容易引起桥面铺装和桥梁结构的早期损伤;在车辆数量相同、车速相同、前后车距相等的情况下,车辆行驶编队不同时所引起的桥面铺装层最大挠度、最大纵向应力和最大横向剪应力分别增大了19.7%、23.5%和8.0%,且最大纵向拉应力和剪应力均发生在防水混凝土-混凝土梁之间,容易产生早期疲劳开裂;车辆后轴悬架力随着载重增加而增大,垂向轮胎力随着速度和载重增加而增大。     

GA+EA钢桥面铺装复合结构的高温性能与力学特性

研究钢桥面浇注式沥青混凝土与环氧沥青混凝土(GA+EA)复合铺装结构在荷载和温度耦合下的高温性能及力学特性。分析GA层的高温流变参数,采用多尺度与子模型有限元技术建立分析最不利温度下复合铺装层结构的压应力、剪应力分布状态,并预估连续变温条件下复合结构的车辙深度及蠕变应变随时间变化情况。研究结果表明:EA层扩散了荷载中心GA层压应力,但其底受剪应力较大。双轮中央处GA层由于荷载叠加作用处于不利状态,其层底压应力达0.85 MPa。最不利连续变温条件下,EA层变形量较小,GA层占铺装结构永久变形90%以上,但总体车辙深度仅为0.32 mm。铺装结构永久变形主要产生于夏季10:00-16:00高温时段。GA+EA结构较好地利用了各自材料的优点,具有良好的高温抗永久变形性能。     

钢桥面复合铺装结构的大比例模型试验

在钢桥面板与沥青铺装层之间设置轻质混凝土层,组成了一种新型钢桥面复合铺装体系。为研究这种新型铺装体系的力学特性,制备了大比例模型试件,实测了不同车位下钢桥面及铺装结构的力学响应。结果表明：钢桥面板最大横向拉应力为90MPa,而设置加劲肋后最大拉应力降至为43MPa,即设置加劲肋有利于改善钢桥面板的受力。浇筑轻质混凝土铺装层后,钢桥面板顶板和加劲肋底板的应力峰值、位移都降低,最大应力降幅达48%,最大位移降幅达18%,而且钢桥面板中的应力分布也更加均匀。作为铺装结构,轻质混凝土铺装层也与桥面板共同参与结构受力,使得桥面铺装体系的结构刚度得到提高。     

高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力简化计算方法

为研究高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力简化计算方法,采用ANSYS有限元分析,探讨钢-STC-SMA结构厚度、环境温度、桥面纵坡等对层间应力的影响规律,建立轻型组合桥面铺装层间应力估算模型,提出层间最大剪应力、最大法向拉应力简化计算公式. 研究结果表明： SMA厚度、STC厚度、环境温度、桥面纵坡等对层间应力有不同程度的影响;在最不利荷载组合下,不计桥面纵坡时,层间最大剪应力变化范围为0.38~0.55 MPa（常温）、0.35~0.55 MPa（高温）;层间最大法向拉应力变化范围为0.18~0.23 MPa;层间应力随着桥面纵坡的增加而线性增加,纵坡从0%增加到8%,层间最大剪应力升幅为9.4%（常温）、12.0%（高温）,层间最大拉应力升幅为12.0%（常温）、12.5%（高温）;通过纵坡坡度修正,建立高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力通用计算公式,并与实桥有限元计算结果对比,误差在9%以内,说明本文提出的计算方法可用于估算不同纵坡下高韧性混凝土组合桥面铺装层间应力.     

环氧沥青混凝土在大跨径钢桥面铺装中的应用

大跨径钢桥面铺装是大跨径桥梁建设中的难点，本文研究环氧沥青混凝土应用于钢桥面的铺装技术，包括材料组成设计，粘结层强度，混合材料料特性和路用性能，钢板与铺装层复合梁抗疲劳性能，环氧沥青混合料生产和摊铺等方面，研究表明环氧沥青混凝土是优良的钢桥面铺装材料，研究成果首次在南京长江第二大桥上的成功应用，为我国大跨径钢桥桥面铺装提供了新的铺装类型，有广阔的应用前景。     

大跨径连续钢箱梁钢桥面铺装设计研究

采用三阶段力学分析方法对崇启大桥大跨径连续钢箱梁钢桥面铺装受力特点进行分析,结合崇启大桥的使用环境和国内钢桥面主要铺装类型的调研,推荐双层环氧沥青铺装作为崇启大桥的钢桥面铺装方案.针对崇启大桥大跨径连续钢箱梁桥面铺装的受力特点,进行了崇启大桥钢桥面铺装关键材料及性能、防水黏结层性能以及钢桥面铺装组合结构疲劳性能研究,同时从崇启大桥桥面铺装疲劳耐久性角度对富沥青环氧沥青混凝土进行了研究.结果表明:铺装下层采用富沥青环氧沥青混凝土能够更好地满足崇启大桥钢桥面铺装的性能要求.     

波形钢腹板预弯工形梁的试验研究

对新型结构波形钢腹板预弯工形梁的制作工艺和承载性能开展了探索性研究.通过制作缩尺试验梁,着重分析了波形钢腹板钢梁在预弯力作用下的挠度和反弹后一期混凝土的压应力,并采用静载试验测试了对称集中荷载作用下的梁体变形、开裂弯矩、破坏形态和极限承载力等.试验结果表明,在预弯力作用下波形钢腹板具有良好的稳定性.释放预弯力后波形钢腹板钢梁能够有效地将预应力施加在一期混凝土上,跨中下缘混凝土的压应力为12.9 MPa.试验梁具有良好的抗弯刚度、延性和抗裂性能,其开裂荷载约为极限承载力的47%.理论与实测结果表明,波形钢腹板预弯工形梁的竖向剪切挠度占总挠度的22.4%,在计算挠度时需考虑剪切变形的影响.     

竖向荷载下新型住宅复合结构试验研究

通过对用于住宅的一榀新型复合结构模型在竖向荷载作用下的试验,研究了复合结构在正常使用阶段和承载力极限状态时梁柱及支撑的各截面应力、裂缝、变形和破坏形态.结果表明,一榀六层复合结构,在梁柱截面为250 mm×250 mm,支撑截面为120 mm× 120 mm,承载面积为4.2 m ×4.2 m的情况下,荷载达到一般住宅竖向荷载标准值,梁的裂缝和挠度均小于规范值;当达到设计值时,支撑和底层柱所需要的配筋仅为构造配筋,而梁最大弯矩截面的配筋率仅需0.25%,即新型复合结构满足住宅结构在竖向荷载组合下可靠性要求.复合结构在竖向荷载作用下的破坏形态为梁铰机构体系.     

钢桥面复合铺装结构永久变形预估

针对浇注式与环氧沥青混凝土两种铺装材料组成的5类铺装结构,采用恒高度剪切疲劳试验对铺装材料的流变特性进行试验研究,根据试验结果,利用多元非线性回归方法获得基于Bailey-Norton模型的铺装材料高温蠕变参数;而后,建立正交异性钢桥面铺装复合结构有限元模型,仿真模拟60℃下铺装的永久变形;最后,利用等厚度修正的车辙试验对5类铺装结构的永久变形仿真结果进行了试验验证.研究表明:浇注与环氧组成的异性铺装结构中,铺装永久变形贡献率大部分是浇注式沥青混凝土,而环氧沥青混凝土的贡献率很小;浇注或环氧组成的双层同质铺装结构中,铺装车辙变形主要发生在上面层.研究内容为钢桥面铺装结构与材料的高温变形设计提供理论支撑.     

移动荷载下钢桥面铺装表面拉应力粘弹性分析

正交异性钢桥面铺装体系的受力复杂,铺装表面承受较大的弯拉应力。沥青铺装层具有明显的粘弹性特征,其应力应变与时间、温度的关系密切。钢桥面铺装使用的荷载与温度条件相对恶劣,因此采用粘弹性材料模型,利用试验数据计算得到的材料计算参数,对钢桥面沥青铺装表面的拉应力进行了粘弹性有限元计算分析,相关结论供铺装设计进行参考。     

变截面梁(轴)变形的简便数值解法——平均弯矩法

本文提出了计算变截面梁(轴)变形的平均弯矩数值解法。应用该法,可求出任一截面的挠度、转角、极值点坐标及最大挠度的近似解或精确解。亦可用于求解静不定梁的变形。便于在工程中应用,适于电算。变截面梁(轴)在机械、建筑工程中获得广泛应用,计算变截面梁(轴)变形的方法,目前推荐采用的有虚用法、初参数法、等效(当量)直径法、叠加法、有限差分法等。其中有的方法计算准确度高、但求解过程较烦,有的则误差较大,且不能估算出误差大小,因此在一定程度上限制其应用。 本文提出一种简便的变截面梁(轴)变形的数值解法——平均弯矩法。具有计算公式和计算过程简单,适于电算,并且可事先计算出误差值等优点,可求解梁上任一截面的挠度、转角、极值点坐标及最大挠度的近似解或精确解。亦可求解静不定梁的变形。     

UHPC铺装加固斜拉桥正交异性钢桥面板

针对正交异性钢桥面板存在的桥面铺装破损及钢桥面疲劳开裂这一系列问题,以长期被该病害困扰的天津海河大桥为研究对象,分析此类病害的分布特征及产生机理;根据病害形成的原因提出采用超高性能混凝土铺装层(UHPC)与钢桥面通过剪力钉形成组合结构的加固方法,并将该方法首次应用于大跨径斜拉桥的加固;基于有限元计算和加固前后实桥比对试验,对UHPC层及桥面板关键部位应力情况进行分析,并连续2年对加固后桥梁的状况进行监测。研究结果表明:桥梁病害产生的主要原因是自身刚度不足,在重载车辆的长期作用下出现疲劳开裂;采用UHPC铺装加固后,钢桥面转变成钢-UHPC组合桥面,可大幅度提高桥面板整体刚度,其受力状态得到明显改善,钢箱梁U肋、横隔板、顶板在标准车荷载下的应力分别降低52.7%、39.2%、28.3%,UHPC铺装加固能有效抑制疲劳裂缝的产生和发展,UHPC材料的抗拉强度能满足活载作用下最大拉应力的要求;在重载交通的运营状况下桥面铺装依旧完好,钢箱梁无新增裂缝。采用UHPC铺装加固正交异性钢桥面板在改善其受力状况方面具备优越性和技术可行性。     

寒冷地区桥面铺装层层间工作状态

为了研究寒冷地区桥面铺装结构在交通荷载和温度应力耦合作用下复杂的层间受力状态,探究层间受力与各因素的响应关系,定量计算不同工况对层间力学响应的影响权重,最终得到基于实际工况下桥面铺装层层间工作状态,达到指导桥面铺装层间的设计、施工及检测目的。以北方寒冷地区的典型桥面铺装结构建立力学分析模型,引入针对沥青混凝土桥面铺装力学分析的有限元软件BISAR3.0程序,计算分析桥面铺装层层间剪应力分布特征。选取桥面铺装层在实际工作中层间剪应力影响因素中的桥面铺装层厚度、模量、桥梁纵坡、桥梁圆曲线半径、气温、超载6个主要实际工况,以最不利荷载位置为计算点位,分析了不同工况下铺装层层间力学行为。采用主客观赋权法相结合的层次-变异系数法综合评价不同工况条件对桥面铺装层层间剪应力的影响程度,引入桥面层间组合工况评价指数I,建立基于实际工作环境下桥面铺装层层间组合工况分级标准,评价其层间工作状态。研究结果表明:桥面铺装层和桥面板层间承受很大应力,桥面铺装层层间最不利荷载位置位于力学计算模型(1.0δ,1.5δ,0.11m)处(δ为轮胎当量半径);6种实际工况对层间影响程度差异明显,温度对层间剪应力影响所占比例最大,约为36.56%,铺装层模量的影响最小,仅为5.53%;组合工况分级共分3个等级,将评价指数I在0~50划分为1级,代表层间组合工况较差,层间剪应力代表值为0.26 MPa;3级时评价指数I为80~100,代表层间组合工况良好。     

纤维聚合物筋混凝土梁正截面性能的研究

试验研究表明,纤维聚合物筋混凝土梁荷载挠度曲线以截面初裂为界限点分为两个线性阶段.正截面开裂前,荷载挠度曲线基本为线性,截面刚度较大;正截面开裂时,裂缝先在纯弯段出现,荷载挠度曲线出现转折点.随着荷载增加,纯弯段正裂缝发展,剪跨段斜裂缝产生并向梁的受压区加荷点扩展,梁的刚度较截面开裂前减少,荷载挠度曲线基本为线性直到梁破坏.在试验研究的基础上,探讨了纤维聚合物筋混凝土梁的非线性全过程数值分析方法,用计算机模拟了试验梁的跨中弯矩-挠度关系曲线,并用试验数据进行了验证.     

桥面铺装对中小跨径PC梁桥校验系数影响分析

为了研究中小跨径预应力混凝土梁桥桥面铺装层对桥梁结构荷载试验校验系数的影响,以114座预应力混凝土连续箱梁及空心板桥作样本,分别计算在不考虑桥面铺装、考虑一半铺装和考虑全部铺装下桥梁结构的横向分布系数的变化,基于不同的保证率给出了3种情况下桥梁结构应变和挠度校验系数的统计规律及统计参数,最后分析了铺装层对桥梁结构校验系数的影响程度,并提出了中小跨径预应力混凝土梁桥考虑铺装不同作用程度的常见校验系数范围.分析结果表明:混凝土铺装厚度对预应力混凝土梁桥横向分布影响很小,而对其结构校验系数的影响程度较大.对于预应力混凝土空心板桥,与不考虑混凝土铺装相比,考虑全部混凝土铺装时的应变校验系数提高约24%,挠度校验系数提高约45%;对于预应力混凝土箱梁桥,与不考虑混凝土铺装相比,考虑全部混凝土铺装时的应变校验系数提高约11%,挠度校验系数提高约21%.其结论可为同类梁桥荷载试验承载能力评定作参考.