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正交异性钢桥面的水泥基覆盖层
多尺度建模方法
---Rasmus Walter
摘要
传统的正交异性钢桥面板的成功可能归因于其高强度重量比。但是，由于该钢桥面板的低强度以及增加的行驶强度和车轮压力，在人流密集的路线中出现了疲劳损坏。本文研究了使用水泥基覆盖层来加固正交异性钢桥面板的系统。这项研究基于非线性断裂力学，旨在根据开裂行为确定桥面板的性能。在正交异性钢桥面板上施加水泥基覆盖层的主要目的是提高桥面的强度，从而减少对疲劳敏感的钢制零件的应力。水泥基覆盖层的开裂将对系统的复合作用和耐久性产生重大影响。该系统必须具有经济效益，并在破解行为方面表现出良好的性能。由于开裂在性能上起着主要作用，因此覆盖层的开裂行为是本论文的主要重点。
本文所采用的策略是基于多尺度建模的，其范围从钢-混凝土界面尺度的建模和实验到真实尺寸结构的建模。通过在钢-混凝土界面尺度上识别机械行为，然后在结构尺度上应用机械行为，来利用多尺度概念。在钢-混凝土界面尺度上，通过实验和建模分析了正向开裂（I型）以及正向和剪切开裂（混合模式）。界面尺度研究的目的和结果是一组本构参数，这些参数随后将应用于结构尺度。通过跨度在0.8至1.0米范围内的小梁和板单元，通过实验分析了覆盖层和钢板之间的复合作用。通过这些测试，通过将实验结果与数值结果进行比较来验证所使用的数值工具。还通过小规模实验分析了覆盖层和钢板之间的裂纹（脱胶），并进行了数值研究。研究表明，脱胶是从覆盖层中的缺陷开始的，例如铝箔。覆盖裂缝。对于覆盖层的特定裂缝宽度，观察到剥离开始。在对全尺寸结构建模时，还会观察到复合材料上的大量发现，例如引发脱胶的覆盖裂纹宽度。
已经建立了一套理论工具来分析以水泥基覆盖层加固的正交异性钢桥面板的抗裂性能。对于给定的设计情况，在应用给定的水泥基覆盖层时，可能会给出裂缝模式和最大裂缝宽度的估计值。
本文证明了使用不同的水泥基材料对真实尺寸结构进行非线性研究，重点是覆盖系统的性能。考虑了交通荷载，早期收缩和温度梯度等影响，结果表明，所有这些影响都可能对开裂行为产生重大影响。叠加性能，例如轴载荷的大小与最大裂缝宽度之间的关系取决于覆盖材料的本构参数。温度梯度和早期收缩对车轴载荷与最大裂纹宽度之间的关系有很大影响。分析表明，对于给定的结构和设计规范，覆盖层的开裂是不可避免的。因此，在某些设计情况下的挑战可能是使覆盖层的最大裂缝宽度最小化。
介绍与总结
1.1正交异性钢桥面板
正交异性钢桥面板的发展可以追溯到1930年代和1940年代，当时德国和美国的工程师在桥梁工程中采用了船甲板的原理。第二次世界大战后，德国进行大跨径桥梁的重建，由于钢材供应短缺，导致德国工程师采用封闭肋骨加强剂设计，正如我们今天所知的钢桥面板（Dowling1968）（Wolchuk1963）。典型的正交异性钢桥面板由顶部钢板组成，底部钢板焊接有许多封闭的肋骨增强剂。通常，在纵向方向上每4米安装一个横梁，以将载荷分配到桥梁的其他部分，请参见。图1.1。
图1.1正交异性钢桥面板（AISC1962）
公路桥梁的主要任务是提供能够承载大量沉重集中车轮载荷的平整表面。轻度非常重要，因为它会影响大跨度结构的成本效益。由于桥的使用寿命较长，因此整个生命周期的成本也很重要。正交异性钢桥面板重量轻，但在载重量大的路线上的耐久性记录并不令人满意。在20年或更短的时间内，重要桥梁的公路桥梁维修是必要的，请参见。Smith＆Bright（2003）。正交异性钢桥面板耐久性问题的三个主要原因。这些问题包括增加车流量，增加轴负载以及轮胎设计人员开发了具有更高集中负载的高压轮胎（Jong等，2004）。
1.2正交异性钢桥面板的疲劳
疲劳是正交异性钢桥面板设计的关键因素。与混凝土面板相比，薄板焊接相对灵活，并且由于高度集中的车轮载荷而引起高应力。卡车的驶过会在加脂网上产生横向弯矩，并且在许多桥梁中都观察到由于沥青路面和钢板中的横向弯矩而引起的疲劳损坏，请参见。（Flint＆Smith1992）。横向力矩在接头处产生高应力，在接头处，顶部钢板焊接到底部肋骨。在许多情况下，该接头被认为是正交异性钢桥面板中最常见的疲劳敏感零件，例如参见（Jongetal。2004）。此外，在正交异性钢桥面板中，肋之间的拼接接头以及肋与横梁之间的接头也遭受了疲劳破坏。正交异性钢桥面板的疲劳问题已引起国际关注，并开展了许多研究项目以找到解决方案，以增强正交异性钢桥面板。
1.3正交异性钢桥面板的加固
一个著名的疲劳示例是鹿特丹的VanBrienenoord桥的基础部分（Kolstein＆Wardenier1998）（Kolstein＆Wardenier1999）。自从在该桥梁中发现疲劳裂纹以来，就对加固正交异性钢桥面板的改造和替代系统进行了研究。
1.3.1常规堆焊
由Kolstein＆Wardenier（1997）和后来由Wolchuk（2002）进行的研究表明，由于铺面与钢板的复合行为，其强度贡献很大。假设堆焊层和下层钢板之间存在刚性结合，使用基本弯曲理论，堆焊可能很好地有助于应变和应力分布。当使用铺面作为面板系统的组成部分时，可以观察到相当大的应力降低。但是，铺面材料通常对塑料具有粘弹性，并且仅在低温下具有弹性。一般表面材料的弹性模量在很大程度上取决于温度。Kolstein＆Wardenier（1997）和Smith＆Cullimore（1987）的实验记录表明，当使用厚的聚氨酯表面层时，在-200°C时应力降低系数应为6，而在 300°C时应力降低系数应为4。但是，聚氨酯材料明显不同于常规沥青材料。在较宽的温度范围内相对较软。对于欧洲和日本的正交异性钢桥面板上使用的胶泥沥青路面，其弹性模量范围为在-200C至 300C的温度下接近于-200C至2GPa的波特兰水泥混凝土。Smith＆Bright（2003）提出了一种新方法，将轻质沥青，常规沥青和恰好在切屑密封的表面下方埋置的一层玻璃纤维网结合起来，参见。图1.2。发现应用此系统可将耐久性提高十倍。
图1.2轻质分层铺面系统，遵循Smith＆Bright（2003）
1.3.2钢板加固和钢筋混凝土肋
Machida等人已经研究了几种改进应用，以改善正交异性钢桥面板的疲劳性能（2004）。这里总结了两种方法。一种方法是将厚度为12mm的覆盖钢板用螺栓固定在下面的钢板上，参见图1.3（a）。这样，它们可将应力降低约40％。第二种方法是用轻质的自密实混凝土填充筋，请参见图1.3（b）。与钢筋加固情况相比，此方法的性能相当差，并将临界应力降低了10％至20％。他们建议将此方法与其他替代性增溶解决方案结合使用，以获得令人满意的结果，例如，将水泥基覆盖层与混凝土填充肋骨结合起来。
图1.3Machida等人的改进方法。（2004），（a）钢板加固，（b）混凝土填充肋
1.3.3综合叠加
DeBacker等人已经研究了使用合成层来减小正交异性钢桥面板中的应力范围。（2004）。他们对正交异性铁路桥面板进行了研究，以减少敏感疲劳细节处的应力。他们的方法是在钢板顶部安装合成层以改善载荷分散。对于不同的合成层，无论是独立层，胶合层还是顶部是钢板的夹心结构，均已对该系统进行了研究。所研究的合成层是不同类型的，例如氯丁橡胶垫，橡胶垫和聚氨酯板。研究表明，总体趋势是，在高弹性模量的胶粘层上实现钢板的显着应力降低。在一个示例中，简单地将40毫米厚的氯丁橡胶层放置在钢板的顶部只能使应力降低20％，而在氯丁橡胶层与钢板之间的刚性连接的情况下，应力降低了50％实现。使用具有较大厚度的类似橡胶的分散层可能的问题之一是材料的高泊松比。局部垂直压缩将导致相当大的横向压缩，从而导致合成层变形。
1.3.4水泥基覆盖层
另一种可选的方法是，使用较少的温度依赖性并具有相对较高的弹性模量的方法，使用基于水泥的覆盖层来减小疲劳敏感零件中的应力范围。一些作者已经研究了这个想法，例如参见（Battista＆Pfeil2000），（Braametal。2003）和（Jong＆Kolstein2004）。
在实践中，已经进行了水泥基覆盖层的应用，以对正交异性钢桥面进行加装。选择了荷兰鹿特丹VanBrienenoord桥的前桥部分区域作为测试区域，并使用纤维浓度为5kg/m2的纤维增强混凝土在50mm水泥基覆盖层上进行加固（Buitelaar2002）。测试区域的面积为60m2，覆盖层放置于2000年10月。还采用了传统的钢筋加固方法，使用24kg/m2。钢筋由特殊的三层焊接网组成，间距为50x50毫米，钢筋直径为8毫米。初步结论表明，与传统的正交异性钢桥面板相比，疲劳敏感细节中的应力从约128MPa降低至28MPa。放置覆盖层的经济投资等于熔化沥青的传统沥青磨损过程的成本。
1.4建议的水泥基覆盖系统
本论文的主要主题是对正交异性钢桥面板的水泥基覆盖层的研究。在建议的系统中，典型的钢桥面板粘结到钢板上的40-60mm厚的水泥基覆盖层组成。建议在该系统中，通过覆盖层和下层钢板之间的粘合来实现复合作用。当前的系统没有使用传统混凝土-钢结构中使用的机械剪切连接器。通过在浇铸覆盖层之前对钢板进行喷砂处理，可以确保水泥基覆盖层与钢板之间的粘附力。所建议的覆盖系统以及传统的钢板如图1.4所示。
放弃机械剪切连接器的动机主要基于两个原因：（i）使用剪切连接器会产生不希望的应力集中；（ii）具有大量剪切连接器的系统在人工方面会很昂贵。由于覆盖层与钢板之间的粘附力在复合作用中起着核心作用，因此界面断裂是本论文的主要研究重点。
图1.4（a）典型的钢结构，支撑肋和12mm钢板之间的中心跨度为300mm，（b）具有50毫米厚的水泥基覆盖层的水泥基覆盖系统
本文涉及不同长度尺度的数值和实验工作。例如，当考虑水泥基覆盖层和钢板之间的界面时，裂缝开口比实际的桥梁钢板小几个数量级。本文提出的结果是基于对钢-混凝土界面长度尺度的数值和实验研究的，后来在结构尺度上进行了研究。该方法说明了如何将小长度尺度上的重要特征与结构尺度上的建模之间的差距联系起来。
1.5论文概述
论文可分为两个主要部分。第一部分介绍了本研究的动机和背景，并重点介绍了主要结论和发现。第二部分是七篇论文的集合，对研究作了更详细的解释。
第一部分介绍了动机和面临的问题。此外，还包括策略和范围，以及随附论文的概述。接下来的三章重点介绍了三种不同长度尺度上的主要结论和发现，从微观力学研究到结构尺度上的数值模拟。最后，在第5章中，得出了总体结论以及对进一步工作的建议。
提出论文的顺序并不遵循整个论文工作的时间顺序，而是以易于将每篇论文的个别结果相互关联的顺序排列。此外，论文的发表顺序也与博士研究中采用的策略进行了讨论。
1.5.1目的和动机
本研究调查了在正交异性钢桥面板中浇铸水泥基覆盖层以加固钢板的应用。这样做的动机是众所周知的与正交各向异性钢桥面板有关的疲劳问题，如本章所述。目标是将详细的材料建模与结构建模集成在一起。总体目标是重点放在开裂行为上，以水泥基覆盖层加固的正交各向异性钢桥面板的结构响应为模型。
1.5.2策略与方法
解释了使用集成材料结构方法对桥面进行建模的策略和方法。本研究中使用的策略可以表征为多尺度方法。这项研究考虑了各种长度刻度，并显示了如何将它们链接在一起。为了对研究进行概述，可以将所进行的所有工作粗略地分为三个长度范围，从：（i）界面表征，到（ii）材料-界面相互作用，再到（iii）结构设计。长度刻度如图1.5所示。
最小长度尺度（基本界面行为）包括钢-混凝土界面的断裂力学研究。在这里，目的是利用有限元模拟钢-混凝土界面断裂。通过测试获得本构参数，然后将较小长度范围的结果用于较大长度范围的分析中。中间长度尺度，材料-界面相互作用，涉及对混凝土覆盖层和钢板之间的复合行为的研究。对这种长度尺度的研究基于数值模拟和实验。在这种长度尺度上的主要目标之一是分析剥离的效果（覆盖层和钢板之间的分层）。分析了覆盖材料和钢-混凝土界面与脱粘行为的关系。覆盖层和钢板之间的良好连接对于两种材料之间的复合作用至关重要。第三和最后的长度尺度，即结构尺度，仅使用数值模拟进行分析。此长度尺度的目的是在大长度尺度上研究正交异性钢桥面板的性能。这是通过运用较小规模的经验来进行的。
1.5.3范围和原始功能
该研究可视为第一至七篇论文的合集。每个单独的部分的目的在每篇单独的论文中给出，在此不再赘述。从I到VII的纸质订单是根据长度比例组织的，如图1.5所示。因此，论文I的特点是长度标尺最小，而论文VII的长度标尺最大。
论文I涉及钢-混凝土界面的数值混合模式建模。它描述并提出了非线性断裂力学模型，可用于建模钢与混凝土之间的连接。此外，它引入了一种实验设置来测量钢-混凝土界面的断裂特性，以便为模型提供本构参数。由于本文以最小的长度尺度放置，因此该模型是研究的基础，因为该模型在大多数论文中都以较大的长度尺度使用。
论文II也以最小的长度刻度放置，并进行钢-混凝土界面的实验测试。本文介绍了对混凝土的楔形劈裂测试（WST）的改进，以测试钢混凝土界面的断裂力学I型行为。此外，为了获得I型断裂参数，进行了反分析，并将其应用于复合钢-混凝土标本。
论文III基于中间长度标尺，涉及复合钢板元素。这项研究的目的是分析水泥基覆盖层和钢板之间的剥离性能。它特别研究了承受负弯曲（覆盖层受拉）的复合梁。本文研究了通过覆盖层传播的宏观裂纹，该裂纹随后导致脱胶。通过使用相当简单的桥面单元（可以视为正交异性钢桥面的一部分），进行了实验和数值研究。此外，研究了数值和实验结果之间的相关性，可以将其视为两个长度标尺之间的第一个链接。
论文IV也放置在中间长度刻度中。本文
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