超高性能混凝土对轻型组合桥面结构疲劳寿命的影响研究

摘要

正交异性钢桥面板具有重量轻、承载能力高、施工快、整体性强等优点，现已广泛应用于世界各国大跨径钢桥中。然而，大量的工程实践表明，正交异性钢桥面板存在两大技术难题:钢结构疲劳开裂和铺装层损坏。国内外研究人员通过几十年的探索，进行了很多有益的尝试，但仍未能从根本上解决上述难题。为此，笔者所在的研究团队提出将具有高弹性模量、高抗拉强度的配筋超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)引入正交异性钢桥面板中，形成“轻型组合桥面板结构”，以期解决上述两种病害。
　　本文基于虎门悬索桥桥面改造工程，对“轻型组合桥面结构”的疲劳性能进行了研究，主要完成了以下工作:
　　(1)综述了传统钢桥面的使用现状、病害及病害原因，对UHPC材料性能进行介绍，并引入轻型组合桥面结构的概念。
　　(2)系统全面地综述了钢桥疲劳理论:钢桥抗疲劳设计方法、钢桥疲劳寿命评估S-N曲线、钢桥疲劳验算方法等。阐明了钢桥面的三大基本体系。
　　(3)利用ANSYS有限元软件建立了虎门悬索桥钢箱梁局部梁段疲劳分析模型。利用热点应力法，分别对0mm、45mm、60mm厚度UHPC层情形，钢桥面常见焊接和非焊接易疲劳开裂细节，进行应力幅计算。并对采用45mm厚度UHPC层的轻型组合桥面板进行了疲劳寿命评估。分析结果表明:轻型组合桥面板中UHPC层对于面板与纵肋连接细节与纵肋对接细节，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，中车道累计通过8，035，868辆330kN标准疲劳车后，横隔板与U肋相交处将出现隔板疲劳开裂现象。
　　(4)基于虎门大桥桥面板条带足尺模型，设计并开展静载破坏试验与疲劳试验。静载试验表明:UHPC材料在开裂后具有应变强化现象，并且表现出很长一段延性;在受拉线弹性设计中，其弹性模量建议取值40.1GPa。疲劳试验结果表明:在UHPC层应力幅为9.8MPa～24.3MPa的疲劳荷载作用下，历经3，101，389次疲劳循环，UHPC层表面未见可视裂缝，按疲劳极限等效理论换算，此应力幅相当于0.0MPa～21.3 MPa，因而UHPC的抗弯拉疲劳强度折减系数大于0.5，完全能满足虎门大桥UHPC层的抗弯拉疲劳强度要求。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 钢桥面两大技术难题

1．2．1 钢桥面钢结构疲劳破坏—第1类病害

1．2．2 钢桥面铺装病害—第2类病害

1．3 轻型组合桥面板的提出

1．3．1 钢桥面病害研究对策现状

1．3．2 超高性能混凝土

1．3．3 轻型组合桥面板的概念

1．3．4 轻型组合桥面板的抗拉疲劳性能

1．4 本文主要研究目的与主要研究内容

1．4．1 本文主要研究目的

1．4．2 本文主要研究内容

第2章 疲劳基本理论

2．1 疲劳相关参数与概念

2．2 疲劳累积损伤理论

2．3 应力谱及其编制方法

2．3．1 雨流法

2．3．2 泄水法

2．4 钢桥面疲劳设计理论

2．4．1 钢桥抗疲劳设计方法

2．4．2 钢桥面板疲劳分析方法

2．4．3 钢桥疲劳寿命评估S-N曲线

2．4．4 钢桥面板的疲劳验算

2．4．5 钢桥面三大基本体系

2．5 本章小结

第3章 轻型组合桥面板应用于虎门大桥

3．1 虎门大桥介绍

3．2 疲劳验算细节与细节疲劳强度

3．3 有限元建模

3．3．1 热点应力法建模原则

3．3．2 热点应力计算外推方式

3．3．3 钢箱梁局部梁段模型

3．4 UHPC层厚度对钢桥面板疲劳应力幅的影响

3．4．1 加载车辆

3．4．2 钢桥面受力局部性

3．4．3 单轴加载确定细节最不利横向位置

3．4．4 双联轴加载确定最不利细节应力历程

3．4．5 不同厚度UHPC层条件下的细节应力幅比较

3．5 本章总结

第4章 45mm厚UHPC层轻型组合桥面板疲劳寿命估算

4．1 疲劳荷载谱

4．2 轮载横向分布的影响

4．3 45mm厚UHPC层轻型组合桥面板疲劳寿命估算

4．4 本章总结

第5章 桥面结构足尺模型试验

5．1 试验梁介绍

5．2 静载破坏试验

5．2．1 静载破坏试验目的

5．2．2 静载破坏试验装置与试验过程

5．2．2 静载破坏试验结果

5．3 疲劳试验

5．3．1 虎门大桥UHPC层应力计算

5．3．2 疲劳试验目的

5．3．3 疲劳试验装置

5．3．4 疲劳试验荷载上下限的确定

5．3．5 疲劳试验过程

5．3．6 疲劳试验结果

5．3．7 疲劳试验结果讨论

5．4 本章总结

结论与展望

参考文献

致谢