文摘

正交的钢甲板(osd)被广泛应用于大跨度桥梁由于他们的优点是轻量级的,高容量,并允许快速施工。然而,由于OSD的局部刚度不足,疲劳开裂和路面损害全球OSD的常见问题。它严重影响大跨度桥梁的安全性和耐久性。因此,为了解决这个问题,本文介绍了一种创新的钢ultrahigh-performance混凝土(steel-UHPC)轻质复合甲板(LWCD)。LWCD可以减少传统的疲劳应力OSD高达80%,延长疲劳寿命设计要求的两倍。此外,工程实践证明,在中国LWCD可以有效地降低制造成本和维护成本在整个生命周期的结构。因此,对大跨度桥梁的设计和维护提供参考,本文介绍了结构设计、施工技术,联合建筑设计、修复方法和经济效益的LWCD细节。此外,介绍了数值模拟和实验室测试来验证LWCD的优越性。

1。介绍

正交的钢甲板(osd)已成为大跨度桥梁的主梁的首选结构近几十年来因为osd有很多优势,如被轻,强度高,允许快速建设(1- - - - - -4]。OSD的发展始于1920年代。美国工程师第一次使用钢板铆接大桥钢梁作为大型活动的桥梁。1938年,美国钢结构研究所(出版社)命名这样的甲板甲板甲板“战斗”,因为觉得有战舰(一样的力量5]。Cornelis博士在1948年,德国工程师,注册专利名为“道路桥梁与平坦的盘子。“这标志着现代OSD的出生6]。1950年,首次应用于Mulheim OSD桥在科隆,德国(7]。在1963年,美国国际留学中心向发行第一OSD的设计手册(8]。后来,从1960年到1980年,osd是广泛应用于发达国家,如美国、日本(9)、荷兰(10,11),德国和英国12]。如今,osd已成为一个全球钢桥甲板的标准结构。然而,随着服务时间增加,osd被发现有许多裂纹,如图1(13]。研究[14,15)发现开裂的一个重要原因是osd的局部刚度不足。图2显示轴载荷作用下的卡车,大局部变形将出现在加载区域,这眼泪沥青路面的疲劳寿命,减少OSD [13]。

为了减少疲劳裂纹的发生,研究人员从1998年开始,讨论解决方案。一群荷兰军官,土木工程师和学者们发起了一项研究OSD疲劳裂纹的修复和预防方法。1999年,他们提出了铺设超薄沉重的钢筋高性能混凝土(UTHRHPC)上的一种OSD解决开裂问题[16]。之后,UTHRHPC首次铺的OSD Van Brienenoord桥在荷兰铺平道路面积60米²(17]。根据现场试验结果,50毫米厚UTHRHPC显著降低疲劳应力的OSD Van Brienenoord桥从124 MPa 23 MPa。从那时起,硬覆盖的研究和实现OSD飙升。2001年,沥青路面Rio-Niteroi大桥在巴西被钢筋混凝土板所取代(rcs) osd的解决开裂问题18,19]。2002年,德容和Kolstein建议使用双组分环氧层铝土矿连接OSD和钢筋高性能混凝土(RHPC)层。然后,这种技术被应用于Caland桥于2003年。现场试验结果表明,压力Caland桥面和肋骨甲板焊接降低了80%和60%,分别为(20.]。2004年,德容提出各种OSD加强方法使用不同的材料和结构在他的博士论文11]。2005年,沥青路面在日本湘南大桥桥取代70毫米厚的钢纤维增强混凝土(10)层。此外,碳纤维增强塑料(CFRP)网是用来加强筋层(9]。2011年,沥青路面在法国Illzach桥取代预制ultrahigh-performance纤维增强混凝土(UHPFC)板21]。UHPFC板是在工厂预制和安装到位。剪力钉和UHPFC用于连接板和OSD。更换的压力显著降低甲板板和U-rib 50%和30%,分别。2013年,De Freitas等人提议使用钢板加强OSD,如图3(22]。2020年,陈等人提出了一个crack-fixing方法改造了隔膜的断路和加强加固钢板的隔膜(1]。

后面那些OSD开裂的预防方法,有大量的实验研究,包括剪切试验、静载荷试验和疲劳试验。朱等人研究了剪切行为steel-UHPC复合梁在华夫格桥面23]。测试结果表明,剪切跨度会改变steel-UHPC复合梁的破坏模式。和格子板肋的高度是重要的比板的厚度对提高复合梁的剪切强度。王等人进行了顶出测试的可拆卸的螺栓剪切连接器在steel-UHPC复合结构(24]。测试结果表明,领导的可拆卸的螺栓剪切连接器是强大到足以被用于实践,并可回收利用,环保。张等人研究了静态和疲劳行为rubber-sleeved螺栓剪切连接器(25]。结果表明,rubber-sleeved螺栓抗剪连接件有足够的变形能力及其滑能力是普通螺栓剪切连接器的1.5倍。赵等人研究了剪切性能的短型连接器steel-UHPC复合甲板(26]。结果表明,短型连接器有更高的刚度比传统的连接器。u形钢的强度影响的高度认真连接器。陈等人进行了疲劳试验UHPC-orthotropic复合甲板(27]。测试结果表明,UHPC能够有效改善复合梁的剪切疲劳寿命,和UHPC-orthotropic复合梁的剪切疲劳寿命远远大于设计要求。

到目前为止,已经提出了各种OSD加强方法。然而,先前的设计将硬覆盖视为附属组件,只是用来改善当地的OSD的刚度。在这篇文章中,一个创新steel-UHPC轻质复合甲板(LWCD)用于自吊桥(枫溪桥)介绍了在中国。LWCD需要UHPC层顶板的一部分。这样的设计不仅增加甲板的局部刚度,还降低了钢材的厚度OSD的顶板。因此,LWCD不仅可以显著降低疲劳应力的甲板也减少钢铁消费的甲板上。此外,由于UHPC施工缝加固方法和修复技术很少出现在文献中,本文介绍了两个创新UHPC加固方法施工缝和UHPC桥面修复方法。此外,数值模拟和实验室检测进行了验证LWCD的设计,介绍了。最后,LWCD的施工技术和经济效益进行了讨论。

2。工程背景

枫溪桥是垂悬桥位于株洲城市,湖南省,中国南方。它提供了6车道和两个人行道上两个不同的方向。它是一个重要的城市交通链接连接株洲市天元区和Lusong区,如图4。枫大桥全长570米,主跨300米。张成的空间配置是3×45米+ 300米+ 3×45米。边跨主梁部分主要包括混凝土箱形梁在跨部分是UHPC-steel轻质复合梁,如图5。两个塔是由混凝土和形状的门户。北银行是97.4米高,在南岸是102.4米高,如图6。枫溪大桥的主梁是高3.5米,宽32米,如图7。主电缆的33 91包ф5.1 aluminum-rare地球合金镀锌- 5%高强度钢丝平行。每个主缆的直径是312.5毫米的孔隙比为20%,如图8。两个电缆的中心之间的距离是22.5米,和电缆的矢跨比是1/5。枫溪大桥的建设开始于12月26日,2011年,完成于2016年。项目总投资7.9亿元人民币(≈1.18亿美元)。

3所示。LWCD设计

枫溪桥是第一个使用LWCD桥面系统。数据9和10显示的细节LWCD用于枫溪桥。的顶板LWCD由石头沥青砂胶(SMA)层,UHPC层,剪力钉,钢筋净和钢板。UHPC层和SMA层的厚度都是50毫米。力霸净了Φ10 HRB 400钢筋横向和纵向距离的50毫米。它是用来加强UHPC层。剪力钉40毫米的高度和直径13毫米被drawn-arc焊焊接在钢板上。横向和纵向螺栓之间的距离是150毫米。梯形肋的厚度8毫米被焊接的底部顶板的横向距离600 mm。钢横隔膜的厚度12毫米焊接顶板和肋骨的纵向距离3000 mm。

主要有两个创新LWCD。首先,UHPC LWCD层是由一种特定类型的活性粉末混凝土具有高强度和长期耐久性[29日]。机械参数的UHPC LWCD表列出1。第二个创新是LWCD结合OSD和UHPC创建一个新类型的核心筒混合结构(28]。这种复合结构继承了传统核心筒混合结构的优点,但重量更轻。在LWCD UHPC层不仅增强了当地OSD的刚度,但也提高了梁的纵向强度。因此,OSD的顶部钢板的厚度可以减少。在枫溪桥,通过采用LWCD, OSD的顶部钢板从16毫米减少到14毫米,这救了202吨钢材。因此,与传统的osd相比,LWCDs刚度高的优点,较轻的重量,并降低生产成本。

4所示。LWCD的数值和实验分析

验证LWCD的有效性和优越性,数值模拟,静载荷试验和疲劳试验进行了这项研究。本节介绍了测试和结果。

4.1。数值模拟

在本研究中,有限元模型(FEM) LWCD和有限元法建立了传统的OSD,分别如图11。模型建立了研究LWCD在减压的效果。两者都是12米长,等于电缆之间的间隔长度的衣架枫溪桥。模型的宽度是16米,高度为3.5米,等于枫溪桥的实际尺寸。传统的顶板厚度OSD模型和LWCD模型是16毫米和12毫米,分别。前板都是加强U-ribs高度为280毫米和600毫米的间距。UHPC层厚度为50毫米LWCD模型的应用上。元素类型,所有钢部件被壳模拟63个元素的弹性模量2.06×10⁵0.3 MPa和泊松比。UHPC部分被壳模拟181个元素的弹性模量4.26×10⁴0.2 MPa和泊松比。

为负载设置,根据中国公路桥梁设计规范(30.),列出了标准的死和实时负荷表2。死者和实时负荷都适用于这两种模型在同一时间。比较LWCD和OSD模型之间的应力水平,五大裂缝压力观察点常见于OSD被选中,如图12。

仿真结果如图所示13和表3。可以看到它的拉伸应力的OP-5 OP-1 LWCD小于传统的OSD的84.6%,51.5%,34.3%,89.4%,和19.3%,分别。的压应力的OP-5 OP-1 LWCD OSD的不到89.7%,40.6%,43.9%,75.4%,和31.9%,分别。因此,数值分析表明,在设计荷载下,LWCD上的应力水平比传统的OSD的要少得多。

4.2。LWCD静载荷测试

静态加载试验是验证得出的结论进行数值模拟。在测试,全面OSD段和全面LWCD段和测试。的细节部分和装入位置如图14和15。两段的大小是5.2米长,4.2米宽,1.06米高。模拟重型车辆的轮载荷,载荷的大小面积的大小将车轮和路面之间的接触面积。加载区域的长度和宽度是0.2米和0.6米,分别为(30.]。静载荷的大小设置为100 kN [30.),加载应用垂直段由一个液压千斤顶。测力计是安装在液压千斤顶的尖端测量实时加载力。为了避免任何动态的影响,负载应用非常缓慢。整个加载过程消耗大约20分钟。测量样品的临界压力,六段选择压力观察点,如图16。应变式是用来捕获压力和压力。测试结果表中列出4。

表4表明,在LWCD rib-to-deck焊接连接的压力降低了66%到90%。rib-to-diaphragm焊接连接的压力降低了31%到65%。肋骨底部的压力降低了51%。因此,静态加载测试与仿真结果是一致的。他们坚定的证明上的压力水平LWCD比传统的OSD的少得多。减少的原因是UHPC层显著增加当地LWCD的刚度。因此,在相同载荷下,当地LWCD变形远小于传统的OSD的局部变形。少地方变形导致应力集中。1点到6点是点一般应力集中发生的地方。因此,采用LWCD将大大减少1点到6点的压力甚至整个结构。

4.3。疲劳试验的LWCD

测试LWCD的疲劳寿命,疲劳试验进行了全面LWCD段的50 mm UHPC层。根据有限元分析,550 kN标准车辆荷载下的中国公路桥梁设计规范30.),断路边缘附近的压力负载(如区域# 3和# 5所示图17)大约是68.2 MPa。因此,引起周期性68.2 MPa的压力器隔膜边缘附近的车辆荷载、周期性负载产生的致动器是放在段,如图17。U-rib 3号和5号在图17被选为观察点。应变式是用来捕捉应变和应力,如图18。

测试结果显示,在592万年之后周期性负载,没有裂缝出现在整个LWCD模型。观测点的变形仅增加8.5%,如图19。结果表明,疲劳损伤和刚度衰减的LWCD是次要的。在设计荷载下,疲劳寿命的LWCD至少500万倍,远远超过设计要求的200万倍。

5。设计LWCD的施工缝

建设关节最弱,但UHPC大桥的关键部分。施工缝的耐久性决定UHPC大桥的耐久性。然而,根据文献综述(31日),很少提出了加固方法施工缝。因此,在本研究中,两种建筑提出了联合加固技术。首先是提高钢筋的关节和关节之间的中点横隔膜,如图20.。这种方法的地方150毫米短钢筋之间的普通钢筋。左派和右派的钢筋UHPC部分重叠的50 mm,焊接在一起。第二个方法是加强焊接在甲板上一个s形钢板沿着关节和关节膜片之间的中点。一半的s形钢板是嵌入在第一次UHPC部分,另一个一半的s形钢板是嵌入在施工缝,如图21。原因设置关节之间的中点横隔膜是最小的甲板设计荷载下的应力区域膜片之间的中间区域,如图22。

两个模型试验的有效性进行了测试,加强方法,如图23和24。第一加强方法,测试结果表明,短钢筋直径12毫米时,接头的抗拉强度可达到21.8 MPa,如表所示5。s形板的方法,试验结果表明,s形钢板可以使接头的抗拉强度达到17.9 MPa。根据有限元模拟,设计负载下,拉应力之间的中点横隔膜大约是8.65 MPa。因此,采用的加固方法和把膜片之间的关节可以确保关节的安全,安全系数达到2.07 ~ 2.52。

6。建设和LWCD UHPC层的修复技术

6.1。UHPC层施工技术和过程

根据UHPC的收缩特性32),使用的LWCD UHPC层的施工技术在枫溪桥如下(见图25)。步骤1:建立OSD的部分传统OSD大梁。步骤2:把生锈的顶部OSD零部件和焊接OSD的剪力钉。步骤3:油漆防锈涂层甲板的边缘区域。因为UHPC层高度密集,几乎防水,只在0.5米以内的区域边缘UHPC层需要涂上防锈漆。防锈涂料的厚度应该是超过80人μm。步骤4:将钢筋净顶部的甲板上。第五步:UHPC。注意,因为UHPC用于LWCD快速凝固特征,高流动性的UHPC 20到30分钟之后急剧下降。因此,UHPC混合站3公里内需要建立建筑工地,和UHPC运到现场应立即投。第六步:UHPC振动和水准。在这一步中,需要高频振动UHPC分布均匀。为了避免混凝土隔离,插件振动器不应使用。第七步:固化。在这一步中,UHPC应该用保湿自然治愈48小时电影。48小时后,蒸汽养护的开始。蒸汽养护应保持恒定的温度高于80°C超过72小时。率的增加温度不应超过12°C / h,直到温度上升到80°C。冷却速度不应超过15°C / h,直到温度下降的环境温度。第八步:UHPC表面粗化。在这一步中,UHPC必须的上表面粗糙,以确保足够的UHPC层间附着力和沥青路面沥青铺路。粗加工后,沥青应立即铺设防止UHPC的上表面受污染和生锈了。步骤9:沥青层铺平道路。

由于使用上面的施工方法,没有发现桥面失败在枫溪大桥自2016年建成通车。

6.2。UHPC层修复方法

LWCD的设计寿命是100年。因此,在整个生命周期中,UHPC层LWCD不可避免地遇到意外损坏。在这项研究中,快速修复方法UHPC层LWCD提出,如图26和27。修复过程如下。首先,切机用于断开损坏和未损坏的区域,如图(26日)。然后,UHPC受损区域的清洁松土机。检查后,受损的剪力钉和取代(图26日(b))。然后,UHPC沿着边缘的宽度10倍钢筋直径被暴露的钢筋中嵌入的区域(图26日(c))。然后,新旧钢筋钢筋焊接在一起(图26日(d))。此外,短钢筋10厘米的长度和直径16毫米应该每个焊接新旧钢筋来提高接头的强度。受损区域的post-reinforcement图所示26日(e)。最后,UHPC投到受损区域和治愈(图26 (f))。通过静载荷试验、抗拉强度的修复区域被发现25.14 MPa,这是超过设计荷载作用下桥面拉应力(17.84 MPa)。因此,修复方法提出了研究都是适用的。

7所示。经济效益的LWCD

与传统的osd相比,LWCDs不仅具有更好的力学性能,还具有更好的经济效益。本节以枫大桥为例。表6显示了成本估算的枫溪桥甲板使用不同的系统。在制造阶段,成本差异主要来自钢铁消费和UHPC的数量。LWCD节省202吨钢材,但使用6750米²UHPC超过传统的OSD。总之,LWCD的生产成本(MC)是32500 k (≈4850 k美元)元人民币,而传统OSD的MC 33430 k (≈4990 k美元)元人民币。因此,在制造阶段,采用LWCD可以节省940 k元(≈140 k美元)多采用传统的OSD。整个生命周期的成本差异主要来自沥青覆盖的替换,因为传统的OSD使用EA作为沥青覆盖,而LWCD使用SMA沥青覆盖。如表所示6,SMA的单价比EA的单价便宜。据估计,枫溪桥应该取代的沥青覆盖在其一生的11倍。总之,在枫溪桥采用LWCD总共节省1.13亿元(≈1700万美元)相比,采用传统的OSD。因此,LWCD的经济效益优于传统的OSD。

8。结论

介绍了一种创新的桥面系统(LWCD)的细节,包括它的设计、施工技术、修复方法和施工缝加强方法。此外,实验室测试,数值模拟,并进行了经济分析验证LWCD的好处。基于研究和枫溪桥的应用,可以得出以下结论:(1)在相同负载下,LWCD的应力水平比传统的OSD的要少得多。通过使用LWCD, rib-to-deck焊接连接的压力可以减少66%到90%。rib-to-diaphragm焊接连接的压力可以减少31%到65%。肋骨底部的压力可以减少51%。(2)在设计荷载作用下,疲劳寿命LWCD超过500万周期,这是远远高于200万年周期的设计要求。因此,采用LWCD可以有效地解决传统osd的疲劳开裂的问题。(3)提出建设联合加固方法可以提高联合抗拉强度为21.8 MPa。根据有限元模拟,桥面上的拉应力最小为8.65 MPa,膜片之间的中点。因此,采用该加固方法施工缝,关节之间的中点横隔膜可以确保施工安全的关节。(5)拟议中的LWCD损伤修复方法可以使修复区域的抗拉强度达到25.14 MPa,大于最大拉伸应力的设计荷载下的桥面。因此,提出LWCD修复方法是适用的。(6)比传统的OSD LWCD更经济。在枫溪桥,采用LWCD救了140 k美元在构建阶段,将节省1700万美元在整个生命周期。

因此,LWCD是比传统的OSD更好的耐用性和经济。推荐使用LWCD代替传统的OSD钢桥。LWCD在枫溪桥中的应用以来,已经使用在几个大跨度桥梁在中国,如洞庭湖大桥悬索桥跨度1480米,和垂度Zhaohua桥桥的跨度228米。

数据可用性

支持这项研究的数据来自之前报道的研究和数据集,已被引用。处理过的数据可在[13]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达衷心感谢Xudong Shao教授和他的研究小组从湖南大学的大力支持这个项目。这项研究受到了湖南省交通科技项目(201437)和山东省自然科学基金(ZR2018LE017)。