基于超短栓钉的钢-超薄UHPC轻型组合桥面结构研究

摘要

为了解决正交异性钢桥面所存在的病害问题，课题组研发了钢-UHPC轻型组合桥面结构。在此基础上，为满足对自重敏感的大跨柔性钢桥、开启桥等钢桥面的翻修与加固需求，本文提出了采用超短栓钉作为连接件的钢-超薄UHPC轻型组合桥面结构。该结构的UHPC层厚度仅有35mm，通过超短栓钉与钢板进行连接。为探究该结构的基本性能并验证方案的可行性，本文主要完成了以下工作：　　(1)通过9个静力推出试件，研究了栓钉直径、加载方式以及界面处理方式等对超短栓钉抗剪性能的影响，并且采用有限元分析方法，对超短栓钉的抗剪性能进行参数分析，主要得到以下结论：试件破坏模式为栓钉钉杆剪断；超短栓钉的抗剪承载力主要与栓钉直径有关，与界面处理方式以及加载方式等基本无关；荷载-滑移曲线分为三个阶段：弹性阶段、塑性损伤阶段和破坏阶段，并且提出了曲线拟合公式，公式拟合曲线与实测曲线吻合较好。　　(2)通过11个静力拉拔试件，研究了栓钉高度、栓钉直径以及界面处理方式等对拉拔性能的影响。结果表明：试件破坏模式为栓钉完好拔出，UHPC发生锥形破坏，且破坏时的界面分离量在0.6mm左右；增大栓钉直径和高度可以有效地提高栓钉的拉拔承载力，与直径为13mm的栓钉相比，直径16mm栓钉的拉拔承载力提升了22%，且栓钉高度由24mm提高到32mm时，拉拔承载力增加了30%。　　(3)通过14个钢-超薄UHPC组合板负弯矩试验，研究了主要设计参数对超薄体系横向受弯性能的影响。结果表明：当最大裂缝宽度不大于0.15mm时，最大裂缝宽度的增长近似呈线性；当最大裂缝宽度达到0.2mm或钢筋屈服以后，裂缝宽度迅速增大；配筋率和钢筋直径对名义开裂应力的影响较为显著，而钢板厚度影响不大。　　(4)在试验的基础上，以某特大跨径悬索桥为工程背景，建立了整桥和局部有限元模型，进一步验证基于超短栓钉的超薄体系应用于实际工程的可行性。计算结果表明：采用超薄体系替换常规钢桥面铺装时，主缆和吊索应力变化在2.1%以内，桥塔应力水平、主索鞍抗滑安全系数、加劲梁挠度等均满足规范要求；超薄体系对钢桥面的受力性能改善明显，钢桥面各典型疲劳细节应力降幅为10.1%~52.0%，且降幅后的最大应力幅均小于200万次疲劳强度；实桥中超薄UHPC层应力以及超短栓钉内力均远小于试验值，结构具有十分充足的安全储备，表明超薄体系应用于实际工程是完全可行的。

目录

声明

目 录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 正交异性钢桥面的常见病害

1.2.1 钢桥面疲劳开裂

1.2.2 铺装层破损

1.3 钢-UHPC 轻型组合桥面

1.3.1 钢-UHPC 轻型组合桥面简介

1.3.2 钢-超薄 UHPC 轻型组合桥面简介

1.4 钢-UHPC 轻型组合桥面研究现状

1.4.1 钢-UHPC 轻型组合桥面受弯性能研究现状

1.4.2 钢- UHPC 轻型组合桥面抗剪连接件研究现状

1.4.3 本文方案—基于超短栓钉的钢-超薄 UHPC 轻型组合桥面结构

1.5 本文主要研究目的与主要研究内容

1.5.1 本文主要研究目的

1.5.2 本文主要研究内容

第2章 超短栓钉静力抗剪性能研究

2.1 本章概述

2.2 试件设计及制作

2.3 材料参数

2.4 试验装置与加载方案

2.5 试验结果与分析

2.5.1 破坏模式和试验现象

2.5.2 抗剪承载力及计算公式

2.5.3 实测荷载-滑移曲线及拟合公式

2.5.4 抗剪刚度计算方法

2.6 有限元计算分析

2.6.1 ABAQUS 材料本构

2.6.2 有限元模型

2.6.3 有限元计算结果

2.6.4 参数分析

2.7 本章小结

第3章 超短栓钉拉拔性能研究

3.1 本章概述

3.2 试验装置与加载方案

3.3 试件设计及制作

3.4 材料参数

3.5 试验结果与分析

3.5.1 破坏模式和试验现象

3.5.2 拉拔极限承载力及影响因素

3.5.3 实测荷载-分离量曲线及拟合公式

3.5.4 拉拔刚度计算方法

3.6 本章小结

第4章 钢-超薄 UHPC 组合桥面横向受弯性能研究

4.1 本章概述

4.2 试件设计及制作

4.3 材料参数

4.4 试验装置与加载方案

4.5 试验结果与分析

4.5.1 荷载-挠度曲线

4.5.2 构件开裂特征及裂缝规律

4.5.3 钢板和 UHPC 界面滑移

4.5.4 名义开裂应力计算及对比

4.5.5 最大裂缝宽度计算公式

4.6 本章小结

第5章 钢-超薄 UHPC 轻型组合桥面可行性验证

5.1 本章概述

5.2 工程背景介绍

5.3 全桥整体有限元分析

5.3.1 铺装设计方案

5.3.2 整体有限元模型

5.3.3 整体计算结果

5.3.4 结果对比与分析

5.4 钢桥面局部有限元分析

5.4.1 疲劳验算细节

5.4.2 疲劳验算方法及疲劳强度

5.4.3 局部有限元模型

5.4.4 计算荷载及工况

5.4.5 计算结果与分析

5.5 本章小结

结论与展望

1 本文结论

2 本文存在的不足与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录