单向预应力UHPC连续箱梁桥面体系优化设计研究

为方便布置体内预应力束和进一步改善桥面板受力状态,对大跨单向预应力UHPC (Ultra-high Performance Concrete)连续箱梁桥的桥面体系进行优化设计,提出新型正交异性UHPC矮肋板桥面体系方案。以广东省某桥为工程背景,进行了基于正交异性UHPC矮肋板桥面体系方案的UHPC箱梁结构试设计并开展相关的试验研究。结果表明：①与矩形桥面板方案相比,优化的正交异性UHPC箱梁矮肋板桥面体系自重可减少17.0%,并可在矮肋板纵肋处方便地布置体内束;与华夫桥面板方案相比,可在不明显增加桥面体系自重的前提下,大幅减小桥面板的纵向应力,降幅可达46.8%;②基于正交异性UHPC矮肋板桥面体系的UHPC箱梁方案试设计整体计算满足受力要求,桥面体系计算中标准组合作用下桥面板最大纵向拉应力2.66MPa,横隔板最大横向应力6.09MPa;③试验及计算结果表明,矮肋板试件初裂名义应力8.84MPa,抗裂设计名义应力限值10.70MPa,UHPC箱梁横隔板上弦板底面横向应力达到8.43MPa时仍处于线弹性受力阶段,表明试设计方案能满足设计要求。     

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。     

DBT(Deck Bulb Tee)梁桥的问题及应用

桥梁快速施工（ABC）法使得DBT（Deck Bulb Tee）梁桥在桥梁工程中广泛采用。然而,由于结构设计材料的原因,导致连接问题突出并影响结构性能,因此DBT梁在大跨度和洲际桥梁中的使用仍受到很多限制。本文旨在总结DBT梁结构设计中的典型技术改进,包括解决纵向连接问题、并探索超高性能混凝土（UHPC）在桥梁应用中的使用。结果表明,UHPC的应用有效地解决了与DBT梁相关的几个技术难点,既带来了新的机遇,也带来了挑战。     

轻型组合桥面板球扁钢纵肋-横隔板连接细节局部应力分析

为降低正交异性钢桥面板疲劳开裂的风险,提出带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板方案。以洞庭湖二桥轻型组合桥面板为工程背景,建立钢桁梁局部有限元模型和球扁纵肋-横隔板连接细节的子模型,并基于热点应力法,对横隔板上开孔孔型和厚度进行了参数分析。研究表明：球扁纵肋-横隔板连接处3个典型疲劳细节的疲劳性能受横隔板厚度影响显著|综合比较,苹果型开孔的疲劳性能最优。为进一步验证轻型组合桥面板的球扁钢纵肋-横隔板连接处3个细节的疲劳性能,开展了足尺模型疲劳试验,试验模型采用16mm厚带苹果型开孔的横隔板设计。疲劳试验中,控制细节（横隔板切口自由边缘）的应力幅为90.6MPa,历经250万次循环加载后,试验模型中典型疲劳细节均未出现疲劳裂纹。这表明,带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板关键细节的疲劳性能良好,能满足洞庭湖二桥的工程要求。     

钢-UHPC组合桁式拱桥拱肋与腹杆节点性能试验研究

钢-UHPC组合桁式拱桥的提出,有望解决特大跨径拱桥造价高、难以施工等难题。对1000m钢-UHPC组合桁式拱桥拱肋与腹杆关键节点的受力性能进行了研究,计算表明,在荷载基本组合作用下节点拉、压杆的轴力均超过10000kN,为保证节点处钢和UHPC两种材料牢固结合,通过节点受力分析和优化研究,提出了一种带混合连接件钢接头的UHPC箱型拱肋与钢腹杆新型节点连接构造。对最不利受力的节点制作了1∶5缩尺模型,不考虑箱型拱肋底板和腹板对节点受力的贡献,开展了平面三向加载试验和抗拔试验。试验结果表明：平面三向加载试验中节点的破坏模式为UHPC拱肋一侧开裂,另一侧压溃,但节点连接保持完好;抗拔试验中节点的破坏模式为UHPC拱肋沿钢接头的轮廓剪切破坏;平面三向加载试验中,钢腹杆的极限荷载是设计荷载的2.72倍,且UHPC拱肋的名义开裂应力为13.36MPa,是设计应力的1.85倍,表明节点的承载能力和抗裂性能满足设计要求;钢接头与UHPC拱肋结合面的抗剪性能和抗拔性能满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的要求。     

联台大桥部分斜拉桥振型分析

简述了部分斜拉桥兼有梁桥和一般斜拉桥的结构特点,并以联台大桥为例,基于ANSYS平台建立了联台部分斜拉桥的有限元计算模型,并对其进行模态分析,得出该桥箱梁结构设计合理,有限元计算模型正确,边界模拟条件符合工程实际的结论。     

大跨组合桁梁桥全焊接节点局部应力有限元分析

大跨组合桁梁桥节点采用全焊接形式时,存在局部应力放大现象,可能影响桥梁疲劳性能。针对天津海河吉兆桥,基于有限元软件ANSYS采用热点应力法对焊接节点的疲劳性能进行分析。初步分析结果表明,采用ANSYS自带的Smart划分方式及高阶单元进行有限元分析所得到的结果具有足够的精度,节点焊缝处未产生应力集中现象,模型边界条件对结果影响较大。通过不同工况的对比分析,发现节点处斜腹杆的剪力和弯矩作用对节点板外侧转角处的应力有一定影响,但与轴力相比影响程度较小。通过对该桥焊接节点的局部应力有限元分析,证明节点板关键部位在全桥实际荷载作用下的应力水平处于安全范围内,为结构的设计施工提供可靠依据,并可为今后该类节点的疲劳分析提供参考。     

含小型粗骨料UHPC板抗弯性能研究

研制新型的含小型粗骨料UHPC板,提升传统大跨径组合梁斜拉桥普通混凝土桥面板的抗弯性能。通过对含小型粗骨料UHPC进行基本材料性能研究,以及对含小型粗骨料UHPC板试件进行抗弯试验,材性试验探究含小型粗骨料UHPC材料的本构关系、弹性模量和终凝后的干燥自收缩等,发现在UHPC中添加小型粗骨料后,UHPC在抗压性能方面得到提高,减小终凝后的干燥自收缩,但会降低一定的抗弯拉强度和韧性;含小型粗骨料UHPC板试件的抗弯试验探究了试件的荷载 挠度关系与弯矩 最大裂缝宽度关系。发现UHPC板试件具有较高的开裂强度,结构破坏呈现出多裂缝发展。抗弯试验、有限元分析和承载力公式计算结果表明：含小型粗骨料UHPC板具有较好的抗弯、抗裂性能,但计算承载能力时应充分考虑添加小型粗骨料后对结构拉伸性能降低的影响。     

钢-UHPC组合桥面板分段浇筑矩形接缝的轴拉性能

钢-UHPC(ultra-high performance concrete)组合桥面板中UHPC分段浇筑接缝导致局部的抗拉性能下降,可能引发严重的耐久性及安全问题。以实际工程中的组合桥面板UHPC矩形接缝为对象开展抗拉性能试验研究和理论分析。通过对组合桥面板接缝试件进行轴拉试验,考察了配筋率对矩形接缝区域抗裂性能的影响,揭示了矩形接缝的抗裂机理,探讨了接缝界面的黏结性能。试验结果表明：接缝开裂始于角隅处,接缝区域UHPC裂缝发展不明显,且接缝断裂面相对平整,属于脆性破坏。矩形接缝的抗裂机理分为横边抗裂与纵边抗脱离。接缝的抗裂能力取决于新旧UHPC界面的黏结强度,且接缝在轴拉状态下的界面黏结强度为3. 6～4. 7MPa。根据试验结果,对于处于轴拉状态下的UHPC矩形接缝,在按接缝不开裂或控制开裂宽度小于0.05mm进行设计时,构件的名义拉应力应分别低于3.5MPa或6.0MPa。此外,针对UHPC轴拉本构模型,基于能量等效原理及UHPC塑性简化模型,提出了UHPC软化段的等效残余抗拉强度,进而推导了配筋UHPC轴拉构件的主裂缝间距计算公式及接缝与UHPC主裂缝间距计算公式。对比试验结果,推导的主裂缝间距公式具有较好的精度,以期为实际工程应用提供理论参考。     

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。     

某既有铁路钢板梁桥的疲劳验算与设计

采用新颁布的《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)对某铁路全焊上承式板梁桥的主梁进行疲劳验算,发现该铁路钢板梁桥主梁跨中截面、外层盖板端焊缝处、内层盖板变宽度连接焊缝处的疲劳强度均不满足新规范要求。按照新颁规范对主梁重新进行设计,提出钢板梁外层盖板理论切断点应按疲劳容许应力幅方法来确定的设计原则,并提出预防既有铁路钢板梁桥疲劳破坏的对策。     

FRP-胶合木-UHPC组合梁桥设计与试验

为适应我国桥梁建设环境友好转型发展的需要,并针对传统木-混凝土组合梁自重大、长期变形大及耐久性不足,难以应用到中等跨径桥梁的问题,提出一种可整体预制、整跨吊装的FRP-胶合木-UHPC组合梁桥。对20m、30m跨径的FRP-胶合木-UHPC组合梁桥试设计,并与同等跨径的传统木 混凝土组合梁桥和预应力混凝土梁桥进行材料用量和经济性的对比;对30m跨径的试设计桥梁进行荷载组合效应计算,根据计算结果以中国桥梁设计规范为基础,同时参考欧洲规范5,基于弹性设计法对FRP-胶合木-UHPC组合梁桥的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计计算;对30m跨径的试设计桥梁按照纵向1∶5的比例缩尺,设计制作了2根试验梁模型,并进行试验研究。研究结果表明：20m跨径的试设计桥梁的自重分别减至传统木-混凝土组合梁和预应力混凝土梁的72.7%和48.0%,全寿命造价分别为二者的79.1%及106.4%;30m跨径的试设计桥梁的自重减至预应力混凝土梁的49.3%,全寿命造价为它的134.0%;试设计FRP-胶合木-UHPC组合梁桥具有足够的抗弯与抗剪承载力,活载作用下的结构挠度小于限值,满足工程受力要求;按照欧洲规范5进行设计,结构具有较大安全储备,理论计算偏安全;FRP的植入使组合梁的极限承载能力提高了约8.6%,并能改善其破坏形态、提高延性。     

基于效率系数的组合钢桁梁优化设计方法

组合钢桁梁具有桁架结构的受力特征,同时还受节点性能和板桁组合作用的影响,受力机理复杂。传统有限元优化方法无法兼顾杆件和节点,为对组合钢桁梁设计方案进行快速、准确地优化,提出了一种基于效率系数的优化设计方法。在采用杆系有限元模型进行初步分析基础上,根据结构内力分布相似的假定,以杆件和节点承载力效率系数为优化指标对构件进行优化,再将优化方案代入有限元模型进行验证。以矩形钢管混凝土组合桁梁连续梁桥既有通用图集为依托工程,进行设计方案优化。结果表明:组合钢桁梁空间效应等因素产生的弯曲应力可达组合应力的15%～42%,弯矩产生的影响不可忽略,在计算杆件效率系数时应将弯矩和轴力同时考虑在内; 效率系数可直观反映组合钢桁梁构件应力状态,快速定位优化构件,还可依据杆件截面特征将优化方案细分至板件层面; 所提优化设计方法可对组合钢桁梁的节点和杆件进行统筹优化,避免反复进行有限元试算,显著提高优化计算效率。     

UHPC华夫板在桥面铺装更换中的应用研究

为了解决传统钢筋混凝土桥面铺装开裂破损、工艺复杂、质量难以保证及耐久性差等问题,本文提出一种用UHPC华夫板更换桥面铺装的结构并采用数值模拟的方法对UHPC华夫板的结构设计参数进行对比研究,分析得出在单块UHPC华夫板尺寸一定的情况下,顶板厚度、钢筋直径及纵肋数量对结构受力性能影响幅度较小且平缓,横肋数量对华夫板受力性能影响较大,随着横肋和纵肋数量的增加,结构最大应力及挠度减小幅度在产生一次突变后趋于平缓。本文归纳总结了用UHPC华夫板更换桥面铺装的构造要求、现浇接缝的结构形式和施工要点以期为桥面铺装的病害处治提供一些借鉴。     

#br# 大比例预应力UHPC-T形梁抗弯性能试验研究

为研究预应力UHPC梁的力学性能及结构设计方法,进行了一片大尺寸T梁的弯曲试验,获得了试验梁从加载到破坏全过程的主要结果。利用现有研究成果,考虑UHPC材料的受拉性能影响,给出了修正的受拉应力-应变关系曲线,建议了极限状态下截面应力应变分布模式,由此改进了开裂荷载和极限承载能力的计算方法,并获得了相应结果。分析结果很好地预测了试验梁的荷载-位移曲线及极限承载力大小;基于平截面假定,考虑UHPC材料的非线性性能,编制了UHPC梁全过程非线性分析程序,理论分析和程序计算的结果与试验结果吻合良好。以此为基础,进而分析了预应力配筋率及张拉应力大小,以及高跨比对结构抗弯承载能力的影响规律,为UHPC梁的应用提供参考。结果表明：预应力UHPC梁具有良好的延性和变形性能,其开裂弯矩可按我国桥规公式计算,并宜考虑UHPC的受拉塑性;UHPC的受拉性能对其抗弯承载能力有贡献、但不大;适当增加预应力筋面积,可充分利用UHPC的超高抗压强度,并能有效提高UHPC梁的开裂弯矩、极限承载能力大小。     

桥面吊机与安全平台配合的施工技术

机面吊机与安全平台配合的施工技术主要是针对钢斜拉桥而言的。它是悬臂拼装施工技术的一种，因为斜拉桥钢主梁，不管是开口断面箱梁，还是封闭式断面箱梁，都是在工厂里精加工的，其接头连接型式多为高强螺栓或焊接，桥面吊机可以满足吊装部位钢梁拼接需要，而结构斜拉索的多次张拉，又能保证施工线型满足设计成型的要求。传统的挂篮只剩下施工平台满足施工操作要求，常设计成轻盈的安全平台，多固定在已安装好的梁底轨道上，这样就实现了桥面吊机与安全平台相配合的施工方案。如叠合梁式的南浦大桥、杨浦大桥，混合式桥的徐浦大桥等桥均为如此。     

新型钢-UHPC组合桥面板抗弯承载力模型试验与理论分析方法

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和桥面铺装易损两大难题,提出一种由波形顶板、超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)结构层和改进螺旋线(modified clothoide,MCL)形组合销所构成的新型波形顶板-UHPC组合桥面结构.设计2类共12个足尺模型,对所提出...     

钢板-超薄UHPC-TPO组合桥面静力和疲劳试验研究

为探明钢-超薄UHPC （Ultra-high Performance Concrete）-TPO （Thin Polymer Overlay）组合桥面基本力学性能,设计5块钢-超薄UHPC-TPO组合板进行抗弯静力试验及疲劳试验。静力试验结果表明：在负弯矩作用下,UHPC层的开裂强度为22.1～24.3MPa;TPO先于UHPC进入非线性阶段。疲劳试验结果表明：若将此方案应用于虎门大桥悬索桥,则UHPC层在设计应力幅下疲劳开裂寿命可达925.7万次,TPO层将不会因疲劳而开裂;疲劳加载后,组合板剩余弯拉强度均值为26.9kN,整体抗弯刚度与静力试验结果相比仅下降13%。研究表明,钢桥面-超薄UHPC-TPO组合桥面具有优良的抗弯拉性能。     

Fatigue life estimation of steel girder of Yangpu cable-stayed Bridge due to buffeting

As the main span of modern cable-stayed bridges becomes longer and longer, the buffeting-induced fatigue damage problem of steel girders located in strong wind regions may have to be taken into consideration in the design of the bridge. This paper presents a method in the mixed frequency–time domain for estimating the fatigue life of steel girders of the Yangpu cable-stayed Bridge due to buffeting. In the suggested method, the joint probability density function of wind speed and wind direction at the deck level of the bridge is first established. The power spectra of the critical stress of the girder are then derived from the power spectra of the generalized coordinates of the bridge for different wind speeds and wind directions. The derived stress spectra are no longer a narrow spectrum when the background component of stress response is included. Thus, the time histories of the critical stress are simulated from their power spectra and the stress cycle distributions are estimated in terms of rainflow count method. The formulae derived based on the modified Miner law and the random vibration theory are finally used for estimating the fatigue life of the bridge girder. The results show that the effects of wind direction on the fatigue life of the Yangpu Bridge are significant. The predicted fatigue life due to buffeting is much longer than the design life of the bridge.