Structural performance of continuous composite bridges with partial shear connection and double composite action

Abstract

(English) The steel-concrete composite structural solution has been widely applied in the execution of simply supported bridges since the merits of concrete compressive strength and steel tensile strength can be efficiently utilized. However, there is an inverse stress situation in the hogging moment region of a continuous composite girder, where the concrete tensile cracks and steel buckling are both likely to happen. Normal composite bridges adopt Full Shear Connection (FSC) due to convenient construction and clear mechanical properties. However, large tensile stress in concrete is generated in hogging moment regions in continuous girders. In response to this issue, Partial Shear Connection (PSC) achieved by reducing shear connection efficiency in hogging moment region of continuous composite bridge can help to decrease the interaction extent between concrete slab and steel girder, thus reducing the concrete cracking and simultaneously maintaining the ultimate bearing capacity and overall stiffness of the structure. Meanwhile, casting an extra concrete bottom layer to a steel-concrete composite box girder (double composite action) in a hogging moment region can also prevent steel buckling and improve the mechanical performance of the continuous composite bridge. In order to study the structural performance of composite girder with PSC and double composite action, this thesis presents an in-depth study through the combination of experimental, numerical and analytical studies as follows: (1) To study the mechanical properties of the rubber sleeved stud connector, five groups of 15 push-out specimens were fabricated and tested. Numerical models were established. The results of the test and numerical analysis show that the rubber sleeved stud (RSS) connector effectively reduces the shear stiffness of the push-out specimen without changing the load carrying capacity. (2) To study the structural performance of composite girders with partial shear connection, four simply supported composite girder specimens and two continuous composite girder specimens were fabricated and tested by static loading tests. The mechanical behaviour of the hogging moment regions of each specimen was compared and based on them, the theoretical background was settled for the practical application of partial shear connection in composite bridges. (3) A case study of Qiwu bridge in Jiangxi Province (China) using partial shear connection action was introduced. A nonlinear finite element model of Qiwu Bridge was established through ABAQUS to simulate and predict the mechanical properties and structural performance. Based on the FEM results, the influence of partial shear connection on various parameters were analysed by performing a parametric analysis. Monitoring of the bridge during the construction and in service stages is also carried out in order to check the design rules derived in this thesis in a real bridge (4) A static loading test on a large-scaled two-span continuous girder specimen with the double composite action in hogging moment region was conducted for mechanical investigation. In parallel, a parametric analysis was carried out as well for a rational design scheme of the double composite section.

(Español) La solución mixta acero-hormigón se ha utilizado ampliamente en la construcción de puentes simplemente apoyados, ya que en esta configuración longitudinal es como mejor se aprovecha la alta resistencia a compresión del hormigón junto con la alta resistencia a tracción del acero. Sin embargo, la solución se vuelve contraproducente en la zona de flexión negativa de puentes continuos, donde la fisuración a tracción del hormigón y la abolladura del acero son fenómenos probables. Los puentes mixtos adoptan ua solución de conexión completa (CC) debido a la facilidad constructiva y respuesta estructural. Para reducir las tensiones de tracción en la zona de flexión negativa, una solución alternativa es la conexión parcial (CP), que ayuda a reducir la interacción entre la losa de hormigón y la viga de acero, reduciendo la fisuración en el hormigón aunque manteniendo la resistencia y la rigidez global de la estructura. Por otro lado, colocar un recrecido de hormigón en la zona inferior de la zona de apoyos (doble acción mixta) puede prevenir la abolladura de las chapas metálicas y mejorar la respuesta de los puentes mixtos continuos. Con el objetivo de estudiar el comportamiento estructural de puentes mixtos continuos con conexión parcial y doble acción mixta, en esta tesis se desarrolla un estudio completo combinando experimentación con soluciones numérica y analíticas con el siguiente contenido:

(1) Estudiar las propiedades mecánicas del conector enfundado en neopreno (CEN), mediante el ensayo push-out en laboratorio de 5 grupos de 15 muestras y establecer modelos numéricos de su comportamiento estructural. Los resultados experimentales y estudios numéricos han puesto de manifiesto que este tipo de conector reduce de manera efectiva la rigidez transversal sin variar la capacidad de carga. (2) Estudiar el desempeño de vigas mixtas con conexión parcial, mediante el ensayo en laboratorio de 4 vigas simplemente apoyadas y dos vigas continuas mixtas, cargadas estáticamente hasta rotura. Mediante la comparación de la respuesta estructural en la zona de flexion negativa de cada viga se han obtenido conclusiones en relación a la aplicación práctica de la conexión parcial en puentes mixtos continuos. (3) Analizar la posibilidad de la solución de puentes mixtos semi-continuos y conexión parcial a través de la construcción del puente Qiwu en la provincia de Jiangxi (China). Mediante un modelo de elementos finitos (ABAQUS) del puente se ha simulado la respuesta estructural, analizando los efectos de la conexión parcial en varios parámetros de diseño. Al mismo tiempo, se ha llevado a cabo la monitorización durante las fases de construcción y servicio para verificar los resultados del estudio. (4) Se ha hecho un estudio experimental y teórico de la doble acción mixta, lo cual ha permitido obtener unos criterios de diseño para puentes continuos con este tipo de solución.