适应特大跨径桥梁的钢-超薄UHPC轻型组合桥面研究

In order to solve the problems both deck structure fatigue cracks and pavement early damages, A Lightweight Composite Deck System with Ultra-high performances concrete (UHPC) was invented in 2010 by the applicant's research team. During past five years，the researches and engineering practices had showed that the deck system could effectively reduce stress amplitude both the steel plate and pavement layers，and deck early damages no longer existed. However, the system was of 80mm thickness on steel plate and not feasible to super- long-span bridge , which is sensitive to dead load. For the reasons, a new and Super-Lightweight Composite Deck is created，which is of the total of 50mm thickness on steel plate. The preliminary calculation indicated the weight reduced is about 60% of live load on long-span bridges. For the new and super- thin deck system, this project intends to complete the following basic works: to construct Orthotropic Steel–UHPC Super Lightweight Composite Deck System for Long-span Bridge；to explore the basic mechanics performances of UHPC and the composite components；to reveal the static and fatigue behaviors under the conditions of bending and shear； and to present the design theory and methods. The achievements of these works would lay a solid foundation for understanding the core technologies of lightweight and high strength bridge deck for super-long span bridge

为解决桥面钢结构疲劳开裂和铺装层早期破损难题，申请者所在研发团队2010年发明了钢-超高性能混凝土（UHPC）轻型组合桥面，历经5年研究及工程实践表明，该桥面体系大幅度降低了桥面钢结构及铺面层的应力幅，钢桥面铺装难题不复存在。但因钢桥面上UHPC层+表面层的总厚度达80mm，难以适应特大跨径桥梁减轻自重的要求。本项目研究总厚度50mm左右的超薄组合桥面新体系，初算表明，减轻的重量可达大跨径桥梁满布车道荷载的60%。由于该超薄桥面新体系的结构构成、计算方法等研究均属空白，本项目拟完成以下基础性工作：构建适应特大跨径桥梁的钢-超薄UHPC轻型组合桥面体系，探明UHPC及其组合构件的基本力学性能；揭示轻型组合桥面新体系受弯、剪的静力和疲劳行为；提出钢-超薄UHPC轻型组合桥面的设计理论与方法。研究成果将为特大跨径钢桥提供轻质高强桥面核心技术，奠定坚实的基础

为解决传统钢桥面频繁破损的难题，同时将钢桥面铺装的总厚度降低至50mm左右，以适应特大跨径桥梁减轻自重的需求，项目组所在研发团队开发出钢桥面专用超高性能混凝土（UHPC）材料，并原创性地提出了一种钢-超薄UHPC轻型组合桥面新体系，在以下研究内容方面取得了系列进展：提出了“钢面板-超薄UHPC-TPO”超高性能薄层铺面体系；研究了钢-超薄UHPC-TPO桥面新体系静力受力特性；揭示了钢-超薄UHPC-TPO疲劳破坏机理；建立了钢-超薄UHPC-TPO结构疲劳寿命预测模型；研发了一种新型的钢-超薄UHPC专用连接件—焊接钢筋网抗剪连接件、一种超高性能混凝土表面与上面层之间的嵌石结构；进行了钢-超薄UHPC-TPO结构非线性分析。研究了钢-超薄UHPC轻型组合桥面新体系在不同的车辆轴载、水平力大小、TPO铺装层厚度、荷载位置下的力学性能；分析了不同表面处理方式对轻型组合桥面UHPC-TPO层间力学性能的影响；掌握了影响UHPC-TPO层间温度应力的主要因素并进行参数敏感性分析；研究了运营期间环境因素条件下UHPC-TPO复合构件耐老化性能；对比分析轻型组合桥面UHPC-磨耗层铣刨重铺前后界面性能的差异。以洞庭湖大桥为依托工程，提出适应于特大跨径桥梁的钢-超薄UHPC轻型组合桥面优化方案；评估6种样品黏层材料UHPC-上面层层间粘结性能；开展了国产环氧界面剂与进口界面剂用于超薄轻型组合桥面体系的力学性能对比研究；对比分析了UHPC-TPO与UHPC-EBCL超薄轻型组合桥面体系的层间性能及耐老化性能。从材料主要技术指标及要求、结构设计指标与要求、UHPC-薄面层结构组合等方面形成了设计理论与方法。本研究针对钢桥面疲劳开裂和铺装易损难修两大难题，同时满足特大跨径桥梁减轻自重的要求，以大幅提升桥面刚度的新思路提出了有效的解决方案；理论和试验研究均表明，钢-超薄UHPC轻型组合桥面体系受力性能良好，有望解决特大跨径桥梁自重敏感及典型病害等多种问题，并具有良好的经济性能。因而本项目研究意义重大，将产生巨大的社会和经济效益。