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原文传递钢-薄层超高性能混凝土轻型组合桥面结构基本性能研究

论文题名：	钢-薄层超高性能混凝土轻型组合桥面结构基本性能研究
关键词：	轻型组合桥面结构;超高性能混凝土层;正交异性钢桥面板;抗剪性能;疲劳性能
摘要：	钢-薄层超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构是一种新型桥面形式，由正交异性钢桥面板和UHPC层组合而成。该新型桥面结构为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂、钢桥面沥青铺装层易损等难题提供了新的思路。　　薄层UHPC通过栓钉与钢桥面连接。由于UHPC层厚度很薄(35-60mm)，所采用的栓钉尺寸较小，一般为短栓钉。同时，为形成牢固的组合作用，需要大量使用栓钉，而大面积焊接栓钉将在正交异性钢桥面上派生出两类疲劳细节:短栓钉自身以及带焊接短栓钉的钢面板。为避免这两类细节出现疲劳开裂，需对其基本性能进行研究，而目前相关研究匮乏，为此，本文主要开展了以下研究工作: 　　(1)薄层UHPC中短栓钉的抗剪静力性能。静力性能是疲劳性能的基础，首先对50mm厚UHPC中直径为13mm、高度为35mm的短栓钉进行了推出试验。试验结果表明，栓钉从根部被剪断，而UHPC层仅在栓钉根部周围出现小范围损伤。试验中得到了薄层UHPC中短栓钉的抗剪承载力、荷载-滑移曲线以及抗剪刚度。在此基础上，基于损伤塑性理论对推出试件进行了仿真分析，计算结果与试验结果吻合良好。通过参数分析，揭示了栓钉直径、栓钉高度、混凝土抗压强度对栓钉抗剪承载力及破坏模式的影响规律。　　(2)薄层UHPC中短栓钉的抗剪疲劳性能。基于推出试件对短栓钉进行了疲劳试验研究。结果表明，试件的疲劳破坏模式为一侧界面上的短栓钉从根部被剪断，而UHPC层的疲劳损伤不明显。基于数据拟合，得到了具有95％存活率的栓钉抗剪名义应力S-N曲线，其在200万次寿命下的疲劳强度为94.6 MPa，略高于欧洲规范4规定的常规栓钉在普通混凝土中的疲劳强度(90 MPa)。随着疲劳荷载循环次数的增加，钢-UHPC界面间的动载滑移和静载滑移均持续增长，基于数据分析，得到了动载滑移的增长率以及栓钉抗剪刚度衰减系数的曲线方程。　　(3)带焊接栓钉的钢板的热点应力S-N曲线。在钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构中，带焊接短栓钉的钢面板受力复杂，难以定义其名义应力，因而疲劳计算中宜采用热点应力法。为建立该细节的热点应力S-N曲线，对相关文献中带焊接栓钉的钢板的疲劳试验进行归纳，并基于三种表面应力外推法对各疲劳试件分别建立了有限元模型，将疲劳试验中的名义应力幅转化为热点应力幅，并建立了具有95％存活率的热点应力S-N曲线。所建立的S-N曲线与国际焊接协会规定的热点应力疲劳等级FAT100接近，因而设计中可采用FAT100对该疲劳细节进行疲劳评估。　　(4)基于多尺度有限元模型的疲劳评估方法。以广东虎门大桥为例，对大跨柔性桥梁中的钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构建立了多尺度有限元模型，并对两类细节进行疲劳评估，其中短栓钉采用名义应力法，带焊接短栓钉的钢面板采用热点应力法。根据计算结果，对于短栓钉，抗剪疲劳不利位置主要受栓钉横向位置影响，高疲劳应力幅区域位于车轮荷载下方，而栓钉的纵向位置影响不大;对于带焊接短栓钉的钢面板，对位于横隔板附近的细节，纵桥向应力幅更大，更为不利，而对位于跨中附近的细节，纵、横桥向应力幅较为接近，双向受力明显。计算表明，当栓钉布置间距为155 mm×200mm（横桥向×纵桥向）时，两类细节的抗疲劳安全性均能满足设计要求。　　(5)首座应用实桥的相关研究。钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构于2011年首次应用于广东肇庆马房大桥。为积累经验，对方案设计、多尺度有限元计算、足尺模型试验、实桥施工与检测等环节中的研究进行了介绍。足尺模型试验表明，钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构的破坏模式为钢横梁下翼缘受压出现局部屈服，而UHPC层顶面最大拉应变达到955με仍未出现肉眼可见裂缝，抗弯拉性能良好。第三方实桥检测结果表明，新方案大幅提高了桥面系的刚度，显著降低了钢桥面中的应力水平。
作者：	曹君辉
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	邵旭东
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文