复合桥面负弯区设计的力学性能研究外文翻译资料

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复合桥面负弯区设计的力学性能研究

Lu Peng‑zhen1,2 · Cheng Lin‑feng1 · Li Yang1 · Li Zheng‑lun1 · Shao Hua1

摘要 东平大桥上部结构采用网架梁铺装钢-混凝土组合桥面。桥面格栅梁由三个主纵梁、次纵梁、主梁、次梁和组合桥面(由压型钢板、带混凝土带剪切连接件、钢筋和带钢纤维混凝土组成)组成。东平大桥设计了一种高性能带材剪力连接件，以提高预应力钢板与混凝土之间的纵向抗剪能力。对于结构负弯区桥面体系的性能，采用了三种典型的荷载形式，即使用荷载、疲劳荷载和破坏荷载。结果表明，桥面体系具有足够的刚度和较高的承载能力。在1万次循环和299万次疲劳载荷作用下，性能优良的带钢结构剪切接头的应力基本保持不变，表明带钢结构剪切接头在破坏前达到相应的屈服强度，屈服载荷为359.10 kN, PBL具有良好的抗疲劳性能。

关键词 钢-混凝土组合桥面·高性能筋剪力连接件·疲劳极限承载力·试验·优化设计

1介绍

钢-混凝土组合桥面是组合桥面的一种新形式，它结合了钢与混凝土的优点。目前，组合桥面的设计多采用只考虑初始静载的可靠计算模式，而对组合桥面在疲劳和极限荷载作用下的力学行为没有进行系统的研究。随着复合材料桥面的广泛使用，加之疲劳破坏事故频发、极限承载力不足以及车辆超载严重等问题，复合材料桥面的疲劳、极限承载力及设计荷载下的安全储备一直是人们关注的焦点。评估钢-混凝土复合桥面在公路荷载作用下的疲劳和极限承载力，对研究复合桥面的疲劳和极限承载力起到理论和实际的指导作用，通过早期预测降低损失[3,6,7,10,11]。目前，国内外对正交各向异性桥面进行了大量的力学试验和分析，其中大部分是以经典弹性板屈曲理论为基础，对组合桥面刚度和极限承载力进行研究。然而，组合桥面的研究相对较少。近年来，Gara等人。[4]对连续钢-混凝土组合桥面施工中控制板拉应力的各种浇注技术的有效性进行了研究。Leitao等[8]进行了交通荷载作用下复合式公路桥面的疲劳分析和寿命预测。Allahyari等人[1]研究了在施加于桥面中心的静载荷下，外表层桥面的静态性能。为了评估桥面的动力性能，他们通过实验研究了带有备选性能良好的剪切接头的外表层桥面桥梁的动力性能。lane等人[9]研究了长铁路桥钢-混凝土复合桥面的设计，并提出了特别的注意事项。Grandic等人[5]提出了梁和板桥桥面构件扭转刚度的评估。Bayraktar等人[2]利用运行模态分析对birecek公路桥进行结构状态评。

由于疲劳与极限承载力试验结果的离散性较大，研究疲劳与极限承载力还需要大量的结构试验积累。其相应的设计方法尚未形成。在破坏机理、力学性能、承载力和变形计算等方面仍有许多理论和技术问题尚未解决。因此，在工程背景下测试组合桥面板疲劳及极限承载力模型具有重要的实用价值。

2工程背景

广东佛山东平大桥主桥采用中承式钢桁架拱连续梁协同体系，是一种主副拱肋空间组合体系，组合跨度为(43.5 95.5 300 95.5 43.5)m，全长1322.2 m。主跨(钢桁架拱)与边跨(连续梁)的接合段是钢桁架拱与连续梁接合段。压型钢板和混凝土板采用PBL剪力连接件锚固，沿主、副、侧拱肋每隔两个吊架间距设置管道侧撑，全桥设置14个。网架梁由三根主纵梁、次纵梁、主梁和次梁组成，在其上铺设钢-混凝土组合桥面。整个实际桥梁及桥面格栅梁布置如图1所示，图1b详图中剖面与桥轴线平行。

东平大桥上部结构采用冷梁组合桥面体系，承受不同荷载，特别是疲劳和极限荷载的作用。钢-混凝土组合桥面之间的纵向抗剪性能明显减弱。这可能导致复合效应退化，从而导致疲劳、承载能力和刚度降低，最终影响复合桥面的力学性能。随着承载能力的下降和损伤的累积，将会发生疲劳破坏和极限承载力破坏。因此，在东平大桥钢-混凝土复合桥面体系疲劳极限荷载设计计算中，必须充分考虑疲劳荷载和极限荷载的作用。

3试验模型的确定

3.1钢-混凝土桥面试验模型的选择

不同位置的叠层结构承受不同的荷载。考虑到桥面柱跨面积较大，根据圣维南原理，选择横向范围在两根主桁之间的最不利柱区域的桥面板梁作为实际桥梁的分析模型。本试验研究了不同荷载作用下负弯矩区域钢-混凝土组合桥面的力学性能(见表1)，并已制作了全尺寸模型。本次模型试验采用等应力设计原则，终止条件对应于各板的最大应变所对应的荷载，即:当模型加载1.5倍设计荷载时，采用位移控制，直至结构破坏失去承载力，试验结束。

3.2试验模型的设计与制造

根据试验目的和现场现有条件，制作了1:1的试件来模拟实际结构负弯矩区域，其中包括一个子梁和上部混凝土板。板长“a”、板宽“b”主要决定了整个模型的几何形状，其他施工尺寸与桥梁实际结构一致。

试验模型构件尺寸为:构件长度a = 5 m，构件宽度b = 2.4 m，根据不同规格下组合梁混凝土翼缘板的有效宽度公式计算并比较了b的值。主要原因是模型试验是一个由网格梁和钢-混凝土组合桥面组成的复杂系统，因此有效宽度b的取值目前还没有相应的规范。为尽可能地反映原结构的力学性能，对试样的参数特别是有效宽度进行了精心选择。通过对有效宽度[12]计算的文献进行对比分析，选取一个中等有效宽度作为试验的有效宽度。有关组合梁混凝土翼缘板有效宽度的文献有:首先，根据计算混凝土翼缘板的宽度，取板支架顶宽与以下三种最小值之和:跨度的三分之一(L)，两个分梁板支架之间的净距离为法兰厚度的12倍。

其次，取以下3个最小值:跨的1 / 3、两副梁中心距、板托架顶宽和12倍法兰厚度之和。

第三，根据CP117的规范，取以下三项的最小值:跨的三分之一、两副梁的中心距、板托架顶宽和12倍法兰厚度之和。

1. 按照BS5400的规格

根据四种结果综合比较，选取B值为2146 mm，考虑到T梁混凝土顶翼缘板有效宽度，每侧多加127 mm，因此，模型试验构件有效宽度B取2.4 m，采用两端简支作为梁和板的边界条件，采用板的长边简支作为模型边界条件。在模型试验中，旋转角度采用可旋转支架模拟，纵向移动采用四氟乙烯板作为支撑条件模拟，模型试验区域如图1所示。试验模型采用日本常用的开孔钢板作为剪切连接件。孔内填充钢筋穿孔，板厚为128mm。剪力连接件高度100mm，混凝土采用C40钢纤维混凝土。带穿孔钢筋的剪切接头如图2所示。

图2负弯矩试验模型钢结构部分

3.3模型试验的确定

以负弯矩区域混凝土的拉应力为控制因素，选取板截面混凝土的最大拉应力为比较对象。根据不同的加载条件，分别得到了使用载荷和疲劳载荷下的加载值。具体荷载条件及相应荷载如图1所示。试验采用两点加载。为模拟车轮荷载作用，在卸载梁下设计2块厚钢板(260 mm times; 660 mm)。

3.3模型试验的确定

以负弯矩区域混凝土的拉应力为控制因素，选取板截面混凝土的最大拉应力为比较对象。根据不同的载荷条件，分别得到了在使用载荷和疲劳载荷下的载荷值。具体荷载条件及相应荷载如图1所示。本试验采用两点加载。为模拟车轮荷载作用，在卸载梁下设计2块厚钢板(260 mm times; 660 mm)。

4实验测试及加载程序

4.1实验测试

钢板与混凝土表面贴应变片，应变片贴在混凝土浇筑前的透波板表面，应变片贴在模型钢结构完成后。采用通用数据采集仪进行数据采集。为反映钢筋与混凝土界面的工作状态，预埋6mm钢筋，通过钢筋应变反映界面的工作状态。板块位移具有空间性，位移计沿跨和垂直跨在一定范围内嵌入，其中35个嵌入到整个模型中。

4.2试验材料参数

试验采用混凝土搅拌机搅拌混凝土，混凝土自然养护时间为28天，试验配合比:普通硅酸盐水泥42.5、碎石5-20 mm、中粗砂、水灰比0.47;混凝土中加入钢纤维以提高混凝土在破碎前的抗弯刚度，每立方米混凝土中预埋100公斤钢纤维，为端钩式。配比为:水泥:水:砂:石:钢纤维=1:0.47:1.17:2.72:0.22，试验使用Q235钢，底板厚度为8mm，浇注条剪切接头厚度为10mm，穿孔钢筋直径为12mm。混凝土和钢的力学性能见表2、表3和表4。

4.3实验加载

采用液压千斤顶进行卸载梁载荷试验，具体加载过程如下。

1. 预紧力0 kN→30 kN→60 kN，共重复5次，以消除非弹性变形，同时检查仪器、机器是否正常运行。

2. 采用密实荷载等级加载时，应观察梁的变形情况及是否出现裂缝，静荷载应逐渐加载至设计荷载(试验中考虑超载10%)，然后卸载，循环3次。

3.疲劳试验加载恒幅正弦波载荷，疲劳试验机加载频率为7.0 Hz，循环加载次数为

200万年。监测疲劳试验中测点的应力和变形，应分别在疲劳加载1万次、5万次、25万次、50万次、100万次、150万次、200万次后进行。

1. 参照加载程序(2)，当逐步施加于静态设计荷载时，应以静态设计荷载的10-20%的增量加载至静态设计荷载值的4倍。

在每个加载水平下，保持加载5分钟后测量应变和位移，在此过程中仔细观察试件的变形和新裂纹。

4.4测点布置

整个模型上安装了514个应变片，其中钢结构表面安装了370个，钢筋表面安装了46个，混凝土表面安装了98个。通过35个刻度盘来测试职位。位移测点布置图如图3所示。

5观测现象及结果分析

5.1业务加载阶段

在正常工作荷载下，P = 63.52、78.28和83.66 kN荷载作用下的最大挠度分别为0.485、0.605和0.645 mm，测点为15 #，位于加载点以下。板块在两个角点同时出现上翻。83.66 kN下跨中挠度和中轴挠度的试验分布曲线如图4、5所示。由于复合材料甲板刚度和加载位置的不对称，试验结果出现了轴向不对称。从图1可以看出，试验模型的最大挠度随着附加荷载的变化而变化。各板的荷载-位移曲线如图6、7、8所示。

5.2疲劳加载阶段

模型疲劳文本中先加载200万次疲劳载荷，幅值在3.33 ~ 63.52 kN之间(对应200kn轿车)，结构未出现大裂纹，刚度几乎没有衰减。再增加幅值为3.33 ~ 78.28 kN(对应300kn轿车)的100万次疲劳载荷和幅值为3.33 ~ 83.66 kN(对应550 kN轿车)的90万次疲劳载荷，共计300万次疲劳载荷。

由挠度数据分析可知，在所有工况下，测点15处出现最大挠度，位于加载点下方，经过200万次疲劳加载(3.33 ~ 63.52 kN)，在63.52 kN作用下，组合板最大挠度为0.515 mm，当疲劳载荷的上限增加到78.28 kN,复合甲板最大偏差是0.63毫米78.28 kN经过1万0次的疲劳载荷下,当疲劳载荷的上限增加到83.66 kN,复合甲板最大偏差是0.65毫米83.66 kN经过900000次的疲劳载荷下,与静载阶段83.66 kN下的最大挠度0.645 mm非常接近，表明组合桥面整体刚度没有明显衰减。

在300万次疲劳载荷作用83.66 kN下，钢板底面最大主拉应力为8.15，最大主压应力为minus;11.01，最大剪应力为4.99 MPa;PBL最大主拉应力、最大主压应力和最大剪应力分别为14.28、minus;6.78和6.64 MPa;横向加固最大拉应力为17.02 MPa，纵向加固最大拉应力为13.53 MPa;混凝土顶面最大主拉应力和最大主压应力分别为3.18和minus;0.81 MPa，最大剪应力为1.24 MPa。可以看出，各板仍处于弹性状态，除混凝土板外，各板的应力水平均不高(图9)。

图10为轴向及不同疲劳时间下，剪切接头随负载的最大响应点变化曲线。可以清楚地看到，经过1万次疲劳循环荷载后的应力相对于疲劳循环荷载前出现了明显的高，这可以解释疲劳循环后PBL与混凝土发生滑移。经过299万次疲劳加载后，虽然实测应力略有增加，但与1万次相比基本没有变化，说明PBL具有良好的抗疲劳性能，钢与混凝土的连接可靠。

由图11可知，混凝土顶面在不同疲劳次数下随荷载的轴向最大响应点变化曲线。从图中可以看出，经过1万次疲劳循环荷载后，应力较疲劳加载前明显增大，这可能是因为混凝土顶面出现了大量裂缝;经过299万次循环疲劳荷载后，与1万次循环疲劳荷载相比，结果基本没有变化，说明钢纤维混凝土具有良好的抗疲劳性能。

5.3失效加载阶段

最大挠度仍发生在加载点以下，试验荷载为1400 kN时，最大挠度为25.22 mm，悬臂端与该点的相对位移为21.77 mm;当板角点位移仍然很小时，4个角点的最大挠度为5.48 mm，最小为2.82 mm。如图11所示，与

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