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。     

基于悬吊系统的钢-混凝土组合桥面系试验

新型抗拔不抗剪T型连接件（T型连接件）能有效改善组合梁负弯矩区混凝土的抗裂性能。为研究悬索桥桥面系受力状态,同时探究T型连接件对组合桥面系力学性能的影响,该文开展了钢-混凝土组合桥面系的悬吊试验研究,并建立了ANSYS有限元模型对试验结果展开分析。构件采用工字型截面,在构件北侧南侧分别设置T型连接件和栓钉。试验中采用悬吊装置将构件吊起,加载方案包括弹性工况、扭转工况及极限工况加载。研究结果表明T型连接件能有效降低混凝土拉应力。在正常使用阶段T型连接件对桥面系刚度影响较小,在屈服荷载后才会因显著的界面滑移导致刚度下降;此外T型连接件也会一定程度降低桥面系扭转刚度。T型连接件的使用会增大钢结构压应力,设计时需注意钢结构的防屈曲设计。为充分释放钢-混凝土界面剪力,T型连接件在设计时塑料泡棉的厚度应满足正常使用阶段界面最大滑移量的要求。此外,试验结果也体现出悬索桥桥面系与连续梁受力状态的差异。该文研究成果能为T型连接件的后续理论分析及工程应用提供支撑,基于悬吊系统的试验方法可为悬索桥试验研究提供借鉴。     

钢桁腹杆-劲性骨架混凝土(SRC)组合拱极限承载力及简化计算研究

钢桁腹杆-劲性骨架混凝土（SRC）弦杆组合拱是一种新型的组合结构型式,结合了劲性骨架施工方便快捷和组合结构能大幅减轻结构自重的优点,有望进一步提高拱桥的跨越能力,具有良好的应用前景。该文以跨径为420 m钢桁腹杆-SRC组合拱桥的试设计为基础,进行了组合拱极限承载力的模型试验,试验结果表明,模型拱没有出现面外失稳破坏,结构呈整体破坏;组合拱沿拱轴线方向塑性变形速度要远大于沿截面高度方向,最后因塑性区域开展过大而丧失承载能力,破坏模式接近于钢管混凝土拱的极值点失稳破坏。而后对影响组合拱受力性能的参数进行有限元分析表明,组合拱极限承载力随着混凝土外包系数的增加而增大;腹杆与弦杆钢管的外径比可以提高组合拱的极限承载能力,但超过一定范围时,提高不显著;钢腹杆布置形式对组合拱极限承载力影响较大。最后建立了组合拱的极限承载力简化计算公式,可为此类新型组合拱结构的应用提供参考。     

桥面板约束条件对钢筋混凝土拱桥力学性能影响的试验研究

针对某服役30余年的六跨钢筋混凝土拱桥制作了有机玻璃单跨缩尺模型,考虑桥面板不同约束情况(连续和分段)对拱桥模型开展了静、动力力学性能的试验研究。讨论了不同桥面板约束条件对结构静、动力力学性能的影响。研究表明,桥面板的约束情况对结构的刚度有很大程度的影响,桥面板约束越强,结构的频率越高,结构的动力性能越好;桥面板的约束情况对结构水平向动力特性(包括频率和振型)的影响高于竖直方向;桥面板中部的约束情况对整个结构基本频率的影响最为显著。通过试验结果与原型观测结果的比较,确定了能够较好反映原型结构力学性能的模型结构;为进一步开展钢筋混凝土拱桥损伤识别的模型试验和理论分析研究建立了基础。     

梁拱组合体系桥梁稳定性研究

由拱肋、系梁以及吊杆和横粱,冉加上桥面系组合起来一起受力的预应力混凝土连续梁拱组合体系桥梁,是一种结构较为合理,外形较为美观,形式较为新颖的结构体系。一般来说,拱桥的稳定问题分为平面内以及平面外稳定。连续梁拱组合体系桥的吊杆布置若是较密,在一般情况下基本不会发生面内失稳,这是因为系梁通过吊杆将与失稳方向相反的力施加给了拱圈。在本文中只是将组合体系桥平面外稳定进行简单的研究。     

钢管混凝土拉索组合拱桥索力优化研究

钢管混凝土拉索组合拱桥是一种施工中以桁受力为主,成桥后以拱受力为主的新桥型,采用柔性拉索代替传统桁式组合拱桥中混凝土斜杆,使结构成为可调体系。基于钢管混凝土拉索组合拱桥施工过程中和成桥后的受力特点,采用恒载"零弯矩"法,确定悬臂施工过程中的拉索索力;以拱肋恒载弯矩分布最优为控制目标,以拉索索力为控制变量,借助影响矩阵,确定结构的合理成桥索力。最后,通过对已建成的天子山桥的计算分析表明该方法优化效果明显。     

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。     

建筑结构用再生混凝土水平受力构件研究进展

建筑结构水平构件混凝土用量较大,且对混凝土力学性能要求相对不高,更适合再生混凝土的结构化应用。本文总结分析了国内外学者及笔者所在课题组近年来在再生混凝土材料性能、钢-再生混凝土黏结性能以及钢筋再生混凝土板、梁和钢-再生混凝土组合板、组合梁等水平受力构件力学性能方面的研究成果。结果表明:研究学者针对再生混凝土的材料性能进行了三十余年的试验研究与机理分析,积累了充足的试验数据,并提出了相对可靠的预测模型,为其在建筑结构中的应用奠定了基础;通过对钢筋再生混凝土板与梁的受弯、受剪以及长期性能的试验研究与理论分析,提出了成套的钢筋再生混凝土水平受力构件设计方法,现已纳入了再生混凝土结构技术规程;近十年来,研究学者对钢-再生混凝土组合板与组合梁的受弯、受剪以及长期性能进行了试验研究与有限元分析,发现再生混凝土在组合结构中的应用是可行的,但相关研究尚待深入。未来仍需对再生混凝土水平受力构件设计方法的可靠度进行系统研究,并拓展再生混凝土水平受力构件的疲劳性能、耐久性能及抗火性能等研究。     

钢管混凝土拱桥混凝土灌注阶段的受力仿真分析

以一座308米跨的钢管混凝土拱桥为背景,采用平面杆系整体分析与空间实体局部分析相结合的方法来分析混凝土泵注阶段钢管的受力情况。在施工仿真分析的有限元建模中,引入了“单元生死技术”,使得分析过程简单快捷;在处理施工荷载时,充分考虑了泵送液态混凝土复杂的力学性质,提出了分配液态混凝土自重荷载的新方法,并通过温度荷载等效模拟混凝土的自膨胀效应及水化热效应对结构内力的影响。计算分析结果与施工控制中的实测结果吻合较好。     

波形钢腹板(钢腹杆)-混凝土组合箱抗扭承载力试验与计算

为研究波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱抗扭特性,进行了构件的抗扭承载力试验,结果表明:混凝土底板首先出现斜向裂缝,裂缝与混凝土主拉应变垂直,顶底板裂缝呈螺旋状开展,裂缝方向与主梁纵轴线约成45°;底板出现宽度较大的主斜裂缝,钢筋受拉屈服,组合箱受扭破坏。采用有限元软件ANSYS对扭转试验构件进行了非线性有限元分析,有限元分析结果与试验结果吻合良好。参照混凝土箱梁的开裂扭矩计算公式,建立了组合箱开裂扭矩的计算公式;应用混凝土箱梁变角度空间桁架理论,根据波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱达到极限扭矩时可能出现三种破坏形式,建立了组合箱极限扭矩的计算公式。通过与试验结果和实桥截面有限元分析结果的比较表明,建立的波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱抗扭承载力简化计算公式具较高精度,最大误差不超过10%,可运用于实桥计算。     

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。     

Fatigue analysis of concrete bridge deck slabs reinforced with E-glass/vinyl ester FRP reinforcing bars

FRP composites have been widely used as internal reinforcement for concrete bridge deck slabs. However, experimental researches on the behavior of such FRP-reinforced elements in general have been limited, especially those on fatigue performance. This research is designed to investigate the fatigue behavior of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP bars. A total of six full-size deck slabs were constructed and tested under concentrated cyclic loading conditions. Different reinforcement types, ratios, and configurations were used. Also, different schemes of cyclic loading were applied till failure. Finite element modeling was used to investigate the effect of different parameters on the ultimate static capacity. The results showed the superior fatigue performance and longer fatigue life of concrete bridge deck slabs reinforced with GFRP composite bars compared to the steel reinforced ones.     

钢-超高性能混凝土组合箱梁静力性能试验研究与数值模拟

以云南红河特大桥为工程背景,设计2个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)组合箱梁节段模型试验,主要关注组合箱梁的承载力、破坏模式和抗裂性能等。基于通用有限元软件ABAQUS建立组合箱梁的精细有限元模型,通过试验结果验证模型并开展参数分析,研究UHPC板厚度、配筋率、栓钉间距以及箱梁横隔板厚度对组合箱梁受力性能的影响,给出各参数的设计建议取值范围。研究结果表明:钢-UHPC组合箱梁承载力高、抗裂性能好;按最大裂缝宽度进行验算,等效为180 mm厚UHPC桥面板的承载力超过车辆荷载标准值的8倍;UHPC板厚度以及钢箱梁横隔板厚度对组合箱梁破坏模式影响较大;综合考虑经济性及受力性能,建议实际工程中UHPC桥面板厚度不宜超过210 mm,配筋率不宜超过1.4%,栓钉间距最大不超过450 mm。     

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。     

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。     

Quasi-static and fatigue performance of a cellular FRP bridge deck adhesively bonded to steel girders

This paper describes the quasi-static and fatigue performance of hybrid bridge girders composed of cellular FRP bridge decks and steel girders. The FRP bridge deck is connected adhesively to the steel girders and acts as the top chord of the hybrid section. Compared to a reference steel girder, the stiffness and quasi-static load-carrying capacity of the hybrid girders were considerably increased due to composite action between the FRP decks and the steel girders. Failure due to quasi-static loading occurred in the FRP decks during yielding of the bottom steel flanges. The adhesive bond between the FRP decks and the steel girders showed no signs of damage due to fatigue loading. The results of the investigation showed that the well-established design method for steel–concrete composite girders with shear stud connections can essentially be used for the design of such FRP-steel girders. The principal modifications necessary for design are proposed.     

聚氨酯-钢板夹层正交异性桥面板试验研究

通过2个不同纵向加劲肋间距的聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的钢箱梁模型试验,结合有限元计算分析方法建立多种加劲肋间距桥面板的钢箱梁计算模型进行计算对比,研究该种桥面板的受力性能,试验模型按实桥同种材料的箱梁缩小1/4制作,按汽车荷载在跨中及支点截面产生最大弯矩时测试截面各关键点的纵向、横向应变和挠度。结果表明:桥面板各点应变试验值与计算值基本吻合;采用聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板可大幅削减局部应力集中峰值,从而可大幅减少加劲肋数量,减少程度主要取决于夹层板厚度;板面有些部位要同时承受两个正交方向的反号应力;相应截面中间加劲肋底部纵向应力最大;夹层桥面板的应力和挠度随着芯层厚度减小,增幅加大。     

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。     

冷弯薄壁型钢组合楼盖振动性能及静力挠度研究

对冷弯薄壁型钢-压型钢板楼盖和冷弯薄壁型钢—石膏基自流平砂浆组合楼盖足尺模型进行了人行荷载和激励锤冲击下的振动试验以及1 kN集中荷载作用下的静载试验,研究楼面板形式以及钢丝网布置对组合楼盖自振频率、阻尼比以及跨中竖向挠度的影响。研究表明:在压型钢板上浇筑石膏基自流平砂浆会降低组合楼盖的自振频率、阻尼比以及跨中竖向挠度,而在石膏基自流平砂浆中加入钢丝网并不会显著增加楼盖的动力特性以及减小楼盖的竖向挠度。采用ABAQUS有限元软件对试验模型进行模态分析,并对验证后的有限元模型进行了变参数分析,研究表明:增大楼盖梁腹板高度、楼盖梁板厚以及楼盖面板厚度,加强楼盖端部约束会提高冷弯薄壁型钢组合楼盖的基频、减小楼盖跨中挠度。理论计算时,可将楼盖等效为具有均匀质量和刚度的简支梁模型用于预测冷弯薄壁型钢组合楼盖的基频;推荐使用加拿大木楼盖挠度计算公式用于预测冷弯薄壁型钢组合楼盖在1 kN集中荷载作用下的跨中挠度。     

钢管混凝土拱肋徐变研究

根据钢管混凝土拱桥的特点,从变形协调条件出发,通过引入混凝土换算弹性模量,推导了钢管混凝土拱肋应力重分布计算公式。根据相似比的原则制作了钢管混凝土拱桥节段模型,在正常使用极限状态下,将试验结果与基于现行规范的计算结果比较分析证明公式正确可行,同时得出由于徐变导致混凝土承担的荷载逐渐转移为钢管承受的量值,混凝土的应力最大变化量达到52.7%,而钢管应力变化达到27.3%。并对荷载水平、含钢率和矢跨比等参数对结构长期力学性能影响规律进行研究。接着跟踪了钢管混凝土拱肋在承载能力极限状态下的徐变发展规律。