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原文传递 UHPFRC组合钢桥面板受力行为与设计准则

论文题名：	UHPFRC组合钢桥面板受力行为与设计准则
关键词：	钢桥面板;超高性能水泥基复合材料;冷连接键;粘结刚度;抗疲劳性能
摘要：	正交异性钢桥面板由纵肋和横隔板加劲的钢板组成，各部件通过焊接接头连接。由于结构复杂、焊缝缺陷、焊接残余应力、繁重交通荷载等因素，正交异性钢桥面板易产生疲劳裂纹。正交异性钢桥面板的疲劳开裂已经成为一个世界性技术难题，尽管国内外研究人员提出了多种疲劳加固方法，但受现场施工条件限制，加固技术效果变异性较大。　　本文提出一种采用超高性能水泥基复合材料(UHPFRC)与冷连接键的组合层，替代部分沥青磨耗层的构造形式，以减小钢桥面板中典型细节处的疲劳应力幅值，有效延长钢桥面板疲劳使用寿命。通过模型试验、数值模拟和理论分析，深入研究了冷连接UHPFRC 组合钢桥面板的结构性能。考虑了UHPFRC损伤和UHPFRC与钢桥面板界面粘结刚度退化，对 UHPFRC 组合钢桥面板试验模型进行了数值模拟。本文以某斜拉桥为工程背景，采用基于扩展有限元的数值断裂力学模型，对冷连接组合钢桥面板的抗疲劳性能和裂纹止裂技术效果，进行了系统分析与评价。主要研究内容和成果如下：　　（1）对 UHPFRC 组合钢桥面板模型进行正弯矩与负弯矩加载试验。为进行试验对比分析，采用了 4 种连接形式: 胶粘波折连接键 (CSPC)、石英砂环氧树脂结构胶粘结、粘贴CSPC 与焊接栓钉的混合连接、焊接栓钉连接。试验结果表明，粘贴CSPC 、焊接栓钉、石英砂胶层连接、粘贴CSPC 与焊接栓钉混合连接的界面抗剪能力依次增大。深入分析了采用冷连接CSPC的UHPFRC 组合钢桥面板的弯曲性能和抗剥离性能，建立了冷连接UHPFRC 组合钢桥面板抗弯刚度和应变分析的计算公式。　　（2）考虑界面性能损伤和连接键抗剪机理，对组合钢桥面板试验开展数字模拟，结合理论分析研究了界面失效模式和传力机制。荷载-滑移响应和界面损伤演变可以分为四个阶段: 线弹性上升段、界面首次剥离前的非线性段、峰值载荷段与下降段、界面剥离快速扩展与连接键失效段。采用数值分析模型，对冷连接波折键组合钢桥面板进行了参数分析，结果表明：UHPFRC 抗压强度、弹性模量对界面抗剪能力和组合钢桥面板刚度影响很小；CSPC 布置间距对组合钢桥面板界面抗剪能力提升影响显著；CSPC 与栓钉的混合布置能够进一步提高界面抗剪能力。　　（3）采用热固耦合数值模型，模拟组合钢桥面板的钢结构焊接过程，发现前后施焊焊缝间的温度场、残余应力场相互影响显著。数值分析结果表明：横隔板处顶板-纵肋焊接细节和纵肋-横隔板焊接细节的残余应力接近钢材屈服强度；远离横隔板的顶板-纵肋焊接细节残余应力也接近钢材屈服强度。因此，在进行钢桥面板数字疲劳模拟时，必须考虑焊接残余应力的影响。　　（4）基于线弹性断裂力学和扩展有限元法，建立斜拉桥冷连接UHPFRC组合钢桥面板的跨尺度数字疲劳分析模型，计入焊接残余应力、初始缺陷和疲劳裂纹，以及UHPFRC 组合钢桥面板界面刚度损伤等多场信息，系统分析了冷连接组合钢桥面板的抗疲劳性能与疲劳使用寿命。模拟结果表明：使用冷连接组合钢桥面板可以显著降低钢桥面板活载挠度和细节疲劳应力幅，顶板细节疲劳寿命比采用沥青铺装的钢桥板延长了两倍；运用工程复合型裂纹等效应力强度因子计算公式和裂纹扩展判定准则，对冷连接组合钢桥面板抑制关键细节疲劳裂纹扩展的技术效果进行了评价，结果表明可阻止疲劳裂纹的进一步扩展。采用胶层连接和粘贴波折键连接的组合钢桥面板的顶板细节疲劳寿命基本相同。　　（5）结合UHPFRC组合钢桥面板模型试验、界面数值分析和斜拉桥实桥数字疲劳模拟结果，基于 UHPFRC 与钢板组合界面间相对滑移、剥离失效机制，建立了正常使用极限状态下组合桥面板的设计准则。构建了组合钢桥面板挠度和界面计算分析模型，提出了冷连接 UHPFRC 组合钢桥面板组合界面首次出现剥离损伤的挠度限值和界面强度设计值。
作者：	HOUANKPO Tchehoungbo Olivier Noukpo 奥利维
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王春生;段兰
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022