施工中行车扰动对钢-UHPC轻型组合桥面抗裂性能的影响研究

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近年来,钢-UHPC轻型组合桥面结构由于能够有效解决钢桥面疲劳开裂和桥面铺装破损的难题,已经在全国范围内得到规模化推广应用。该结构不仅可以应用于新建桥梁,也可以应用于在役桥梁的桥面修复工程。对于一些交通任务较繁重的在役公路桥梁,完全封闭桥面进行修复工作将严重干扰社会经济活动的正常运转,因此实际工程中往往采取部分桥面通车、部分桥面施工的方案以减小施工对正常交通的负面影响。然而,当新浇筑的UHPC尚未完全成型时,桥面行车引起的桥面板车桥耦合振动和往复弯拉变形有可能导致UHPC层开裂、对钢-UHPC轻型组合桥面结构的抗裂性能产生不利影响。因此,本文以重庆鱼嘴长江大桥和湖北宜昌长江公路大桥为背景,以扰动作用的大小作为关注的扰动要素,针对施工中的行车扰动对钢-UHPC轻型组合桥面结构抗裂性能的影响进行了理论和试验研究。主要完成了以下工作:(1)建立了鱼嘴长江大桥和宜昌长江公路大桥的Midas全桥杆系模型和ANSYS局部有限元模型,从多个方面研究了施工中桥面行车对UHPC扰动作用的特点、规律和大小。全桥模型计算结果表明,在离加劲梁梁端约15~20%主跨长度位置处UPHC层的纵向扰动拉应变最大;局部模型计算结果表明,车辆荷载具有明显空间效应,在分析标准车辆荷载引起的扰动拉应变时可以不考虑前后车的叠加作用,且车辆靠行车道外侧行驶可降低扰动拉应变30~50%。综合全桥模型和局部模型计算的结果后,当车辆靠行车道外侧行驶时,鱼嘴大桥的最大纵、横向扰动拉应变为144με和60με,宜昌大桥的最大纵、横向扰动拉应变则分别为177με和68με。(2)根据实桥有限元模型的计算结果,分别选择160με和240με这两个不同的扰动拉应变作为试验变量,制作了6个钢-UHPC轻型组合桥面结构纵向模型试件并均分为两组,对每组中的2个试件在凝结期间施加模拟行车扰动,另1个试件不扰动;同时,还建立了ANSYS有限元模型进行静力分析和谐响应分析以更清楚地了解扰动试验中UHPC的受力变形特点。试验和计算结果表明,当扰动拉应变不大于160με时,UHPC层不会受扰开裂;但若扰动拉应变大于240με,行车扰动很可能造成UHPC内部结构较大程度的损伤甚至产生表面裂缝。(3)完成模拟行车扰动试验并对试件高温蒸汽养护48 h后,对以上6个模型试件进行了四点负弯矩静力试验。试验结果表明,扰动拉应变不高于240με时,行车扰动不会削弱钢-UHPC组合结构的整体刚度、UHPC层与钢桥面板间的连接性能。当扰动拉应变不大于160με时,UHPC的抗裂性能不会受到不利影响;所测试的所有试验模型均具有较好的抗裂性能,模型试件的名义开裂应力达到24.5~33.3 MPa.(4)最后,综合本文的计算和试验结果,讨论了行车扰动对钢-UHPC轻型组合桥面结构抗裂性能的影响机理,推荐实际工程中偏安全地将扰动拉应变限值设为160με,并针对本文所依托的两座悬索桥提出了相应的施工期间交通管制方案建议:对鱼嘴大桥,建议在施工全过程通车幅均可开放3车道通行。对宜昌大桥,在第一半幅桥面施工时应仅开放1车道;在第二半幅桥面施工时,可以开放2车道通行。但为保险起见,宜昌大桥桥面修复工程管理单位最终仍采用了UHPC浇筑期间桥面全封闭的方案。
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