钢-薄层超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构是一种新型桥面形式,由正交异性钢桥面板和UHPC层组合而成。该新型桥面结构为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂、钢桥面沥青铺装层易损等难题提供了新的思路。薄层UHPC通过栓钉与钢桥面连接。由于UHPC层厚度很薄(35-60mm),所采用的栓钉尺寸较小,一般为短栓钉。同时,为形成牢固的组合作用,需要大量使用栓钉,而大面积焊接栓钉将在正交异性钢桥面上派生出两类疲劳细节:短栓钉自身以及带焊接短栓钉的钢面板。为避免这两类细节出现疲劳开裂,需对其基本性能进行研究,而目前相关研究匮乏,为此,本文主要开展了以下研究工作:(1)薄层UHPC中短栓钉的抗剪静力性能。静力性能是疲劳性能的基础,首先对50mm厚UHPC中直径为13mm、高度为35mm的短栓钉进行了推出试验。试验结果表明,栓钉从根部被剪断,而UHPC层仅在栓钉根部周围出现小范围损伤。试验中得到了薄层UHPC中短栓钉的抗剪承载力、荷载-滑移曲线以及抗剪刚度。在此基础上,基于损伤塑性理论对推出试件进行了仿真分析,计算结果与试验结果吻合良好。通过参数分析,揭示了栓钉直径、栓钉高度、混凝土抗压强度对栓钉抗剪承载力及破坏模式的影响规律。(2)薄层UHPC中短栓钉的抗剪疲劳性能。基于推出试件对短栓钉进行了疲劳试验研究。结果表明,试件的疲劳破坏模式为一侧界面上的短栓钉从根部被剪断,而UHPC层的疲劳损伤不明显。基于数据拟合,得到了具有95%存活率的栓钉抗剪名义应力S-N曲线,其在200万次寿命下的疲劳强度为94.6 MPa,略高于欧洲规范4规定的常规栓钉在普通混凝土中的疲劳强度(90 MPa)。随着疲劳荷载循环次数的增加,钢-UHPC界面间的动载滑移和静载滑移均持续增长,基于数据分析,得到了动载滑移的增长率以及栓钉抗剪刚度衰减系数的曲线方程。(3)带焊接栓钉的钢板的热点应力S-N曲线。在钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构中,带焊接短栓钉的钢面板受力复杂,难以定义其名义应力,因而疲劳计算中宜采用热点应力法。为建立该细节的热点应力S-N曲线,对相关文献中带焊接栓钉的钢板的疲劳试验进行归纳,并基于三种表面应力外推法对各疲劳试件分别建立了有限元模型,将疲劳试验中的名义应力幅转化为热点应力幅,并建立了具有95%存活率的热点应力S-N曲线。所建立的S-N曲线与国际焊接协会规定的热点应力疲劳等级FAT100接近,因而设计中可采用FAT100对该疲劳细节进行疲劳评估。(4)基于多尺度有限元模型的疲劳评估方法。以广东虎门大桥为例,对大跨柔性桥梁中的钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构建立了多尺度有限元模型,并对两类细节进行疲劳评估,其中短栓钉采用名义应力法,带焊接短栓钉的钢面板采用热点应力法。根据计算结果,对于短栓钉,抗剪疲劳不利位置主要受栓钉横向位置影响,高疲劳应力幅区域位于车轮荷载下方,而栓钉的纵向位置影响不大;对于带焊接短栓钉的钢面板,对位于横隔板附近的细节,纵桥向应力幅更大,更为不利,而对位于跨中附近的细节,纵、横桥向应力幅较为接近,双向受力明显。计算表明,当栓钉布置间距为155mm×200mm(横桥向×纵桥向)时,两类细节的抗疲劳安全性均能满足设计要求。(5)首座应用实桥的相关研究。钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构于2011年首次应用于广东肇庆马房大桥。为积累经验,对方案设计、多尺度有限元计算、足尺模型试验、实桥施工与检测等环节中的研究进行了介绍。足尺模型试验表明,钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构的破坏模式为钢横梁下翼缘受压出现局部屈服,而UHPC层顶面最大拉应变达到955με仍未出现肉眼可见裂缝,抗弯拉性能良好。第三方实桥检测结果表明,新方案大幅提高了桥面系的刚度,显著降低了钢桥面中的应力水平。