斜拉桥双边工字钢-UHPC桥面板组合梁静力性能研究

针对斜拉桥传统钢-混组合梁的不足,提出双边工字钢-UHPC桥面板组合梁。以湖南马路口资水大桥为依托,分别采用有限元软件MIDAS和ANSYS建立全桥模型和主梁节段模型,分析组合梁的受力性能,制作UHPC桥面板模型试件进行弯曲试验,研究UHPC桥面板的受力性能。结果表明:荷载组合作用下,钢主纵梁、钢横梁的最大正应力分别为223 MPa、197MPa,最大剪应力分别为145MPa、65MPa,小于钢材强度设计值;顺桥向、横桥向弯曲构件破坏时的名义拉应力分别为63.2MPa、34.5MPa,初裂应力分别为23.2MPa、10.4MPa,UHPC桥面板的抗弯承载能力满足要求,且具有良好的抗裂性能。     

钢-UHPC轻型组合桥梁结构华夫桥面板的基本性能

为了克服传统预应力混凝土主梁、钢主梁、钢-混凝土组合主梁由于材料和结构本身缺陷所引起的病害,提出了适用于(特)大跨径桥梁且无横向表面受拉接缝的钢-UHPC(Ultra-high Performance Concrete)轻型组合桥梁结构。为验证轻型组合梁用于斜拉桥的可行性,建立了空间有限元模型进行静力性能分析和疲劳应力幅计算,并制作了9个足尺条带模型试验梁,开展了静载试验研究。研究结果表明:受拉钢筋配筋率、钢筋直径、直线型纤维直径和长度对UHPC的初裂应力影响不大,而纤维带端钩能显著提高初裂应力;端钩型、直线型纤维UHPC试验梁正弯矩初裂应力分别为19.4,10.6 MPa,前者高出后者83%,负弯矩初裂应力分别为13.8,8.4 MPa,前者高出后者64%;正常使用极限状态时,端钩纤维试验梁正负弯矩初裂应力分别为华夫板下缘、上缘频遇组合拉应力的1.45倍、1.66倍;承载能力极限状态时,端钩纤维试验梁正负弯矩名义拉应力试验值分别为华夫板下缘、上缘基本组合名义拉应力的2.1倍、2.4倍;基于S-N曲线预测UHPC华夫桥面板疲劳寿命远大于200万次。     

预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪性能研究

相比现浇混凝土桥面板,全预制混凝土桥面板有诸多优势,能够提高桥梁工程质量、加快桥梁施工速度和降低成本。预制超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)梁和预制UHPC桥面板通过槽口连接形成组合梁是一种新的结构形式,这种槽口式连接的界面抗剪性能会影响全梁整体承载力。通过16个推出试件,研究不同界面抗剪钢筋配筋率、预制梁混凝土类型和预制桥面板混凝土类型、槽口填充混凝土类型对界面抗剪承载力的影响,在试验过程中观测裂缝的发展和破坏模式,记录竖向滑移、水平滑移和试件破坏模式、钢筋应变、极限荷载Vu和残余荷载Vr。试验结果表明:界面抗剪钢筋配筋率对Vu和Vr起主要作用,配筋率为3.7%的界面极限荷载分别是配筋率为2.8%和2.0%的1.06倍、1.20倍;不同的槽内填充混凝土和预制梁混凝土二者共同影响Vu和Vr;预制桥面板混凝土类型对抗剪性能影响不大;钢筋的销栓作用主要受到钢筋直径和混凝土强度等级的影响;通过与AASHTO LRFD 2015和ACI 318规范对比发现,2个规范对UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪承载力估计保守;提出的预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪计算公式计算值与试验值吻合较好。     

超高性能混凝土-普通混凝土组合梁桥界面抗滑移试验与分析研究

UHPC (超高性能混凝土)作为一种新型混凝土材料,具有抗拉压强度高、耐久性好、变形性能优异的特点。为克服UHPC生产工艺复杂、制作成本较高的缺点,提出一种UHPC主梁由工厂预制,NC (普通混凝土)桥面板现浇而成的新型组合桥梁。然而,UHPC-NC组合构件叠合面的力学行为是决定2种材料能否良好共同工作的关键因素。为了研究具有抗剪箍筋作为连接件的组合梁的界面抗滑移性能,对10组UHPC-NC叠合试件进行了推出试验,研究了抗剪箍筋的数量、结合面的粗糙程度、普通混凝土的强度等级、钢纤维的形态等因素对界面粘结强度的影响。结果表明配置一定量的抗剪箍筋、对界面进行凿毛处理、提高NC强度等级可以显著提高界面的抗剪极限承载力,而钢纤维的形态对承载力几乎没有影响。采用ABAQUS有限元软件对试验过程进行了分析,得到了一个典型试件的粘结滑移曲线及理论抗剪承载能力。实测结果与计算结果吻合较好,表明超高性能混凝土和普通混凝土叠合构件具有良好的协同工作性能。     

体外预应力钢-混凝土组合梁受弯过程的数值分析及试验研究

体外预应力钢-混凝土组合梁在桥梁工程中的应用日渐广泛.而确定预应力钢-混凝土组合梁受弯承载能力的困难在于,承载能力极限状态下,钢-混凝土交界面处存在着剪切滑移,预应力钢索的应力大小不确定.笔者考虑钢-混凝土交界面处剪力连接件极限强度,及承载能力极限状态下预应力钢索的应力状态,建立了预应力钢-混凝土组合梁受弯承载能力的有限元数值计算方法.通过试验梁的试验数据对比,说明采用有限元模型对实际工程中的预应力钢-混凝土组合梁进行模拟是可靠的.     

钢-UHPC连续组合梁抗弯性能试验

为研究钢-超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）连续组合梁的抗弯承载能力,完成了2根大比例缩尺模型的静载试验,包括1根钢-UHPC连续组合梁和1根预应力钢-普通混凝土（Normal Strength Concrete,NC）连续组合梁,对其挠度、应力分布、裂缝发生发展模式及承载能力进行分析,并研究了钢-UHPC连续组合梁的弯矩重分布性能。同时,采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型（CDP）进行数值模拟。结果表明：钢-UHPC连续组合梁UHPC板的名义开裂强度为普通组合梁预应力NC板的2.2倍,钢-UHPC连续组合梁的极限承载力约为普通组合梁的1.2倍;UHPC板开裂后裂缝密集、间距小,且以长度较小的微裂纹为主;UHPC板/NC板与钢梁均采用群钉连接,二者相对滑移较小,可有效形成整体共同工作;采用塑性理论计算钢-UHPC连续组合梁的抗弯承载能力,应考虑UHPC的抗拉强度,与现有组合结构规范公式相比,根据所提出方法计算得到的负弯矩区截面抗弯承载力与试验值吻合较好;考虑UHPC抗拉强度后,钢-UHPC连续组合梁负弯矩区塑性铰转动能力降低,弯矩调幅需求及有效弯矩重分布能力均明显下降。     

钢-UHPC组合梁自锚式悬索桥力学性能与经济性分析

为了解钢-UHPC组合梁自锚式悬索桥的受力性能及经济性,以益阳青龙洲特大桥为背景,建立全桥空间有限元杆系结构模型及组合梁局部有限元模型,研究钢-UHPC组合梁的抗弯承载能力、UHPC桥面板的抗裂能力,并与常规钢-混组合梁经济性进行对比.结果表明:在最不利组合下,组合梁箱形钢主梁、钢横梁的最大拉应力分别为206.3 MP...     

组合梁负弯矩区UHPC接缝抗弯性能试验

为提高钢-混组合梁桥负弯矩区混凝土桥面板的抗裂性并简化现场施工工艺,提出新型钢-混组合梁桥负弯矩区超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）接缝方案。以湖南省某桥为工程背景,进行1∶2缩尺模型抗弯试验研究;编制截面弯矩-曲率关系MATLAB程序,并与实测值进行对比,验证该程序可用于计算UHPC覆盖下的普通混凝土（NC）中钢筋应力;对现有NC裂缝宽度规范公式进行修正,提出考虑UHPC约束作用的组合梁负弯矩区NC最大裂缝宽度的建议公式;讨论钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC湿接缝合理的纵桥向长度,分析UHPC层厚度及层内配筋对抗裂性能的影响。研究结果表明：新型UHPC接缝方案的抗裂性能和抗弯承载能力均满足工程要求,且接缝节点强度高于非接缝区预制部分强度;负弯矩作用下,试件沿梁高的应变较好地满足平截面假定,钢梁与混凝土板及UHPC与NC间的层间滑移量均较小;UHPC裂缝呈现“多而细”的特征,而NC裂缝呈现“少而宽”的特征,预制部分混凝土顶面最先开裂,之后UHPC-NC交界面、UHPC顶面、UHPC覆盖下的NC侧面依次出现裂缝;对于负弯矩区采用UHPC接缝的中小跨径钢-混组合连续梁桥,UHPC层的纵桥向长度宜为20%标准跨径,UHPC层厚度可根据实际工程设计要求确定,增大桥面板内钢筋直径可以提高负弯矩区混凝土的抗裂性能。     

钢-UHPC轻型组合梁桥面板结构型式研究

提出了钢—UHPC轻型组合桥梁结构,以克服传统钢-混凝土组合结构桥梁混凝土桥面板的不足。(1)从基本力学性能和经济性方面对轻型组合梁和传统组合梁进行对比,表明轻型组合梁具有自重低,力学性能优越,施工方便快捷,全寿命经济效益显著等特征,具有较好的应用前景。(2)对等厚板、带纵肋桥面板、华夫桥面板3种结构型式的UHPC桥面板进行有限元分析,结果表明:华夫桥面板竖向位移最小,整体刚度最大;带纵(横)肋桥面板仅纵肋下缘纵向拉应力最大,只需在纵肋下缘配置纵向受拉钢筋;华夫桥面板方案横向拉应力峰值小于较带纵肋方案。(3)基于华夫桥面板方案开展了足尺条带模型试验,正负弯矩试验的初裂应力分别为19.4 MPa和9.1 MPa,华夫桥面板方案能够满足正常使用极限状态的裂缝限值。     

配筋超高性能混凝土梁有限元分析研究

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)作为一种新型的水泥基复合材料,在力学性能上具有高抗压强度、高抗拉强度、高弹性模量、高耐久性且徐变特性良好的优点。通过ABAQUS有限元分析,主要研究了在普通钢筋UHPC-T梁方案下,钢筋直径(配筋率)、钢筋强度等级、UHPC抗拉强度和UHPC极限拉应变对UHPC-T梁抗弯性能的影响。根据参数分析结果,对于普通钢筋配筋的UHPC梁,钢筋直径(配筋率)和钢筋强度等级的改变对抗弯承载力的提高作用较为明显,钢筋强度等级的改变可以显著提高屈服荷载值,而UHPC抗拉强度的提高对于开裂荷载影响较大,UHPC极限拉应变主要影响梁体的延性。     

新型UHPC箱梁桥面体系横向受力性能

为研究新型UHPC连续箱梁桥面体系的受力特性,以广东清新大桥石角侧跨堤引桥为工程背景进行试设计,建立空间有限元模型进行桥面体系静力计算,以此为基础开展了1∶2缩尺模型试验和非线性有限元模拟,并对影响开裂应力的主要因素进行了参数分析。研究结果表明:UHPC箱梁试设计方案整体计算满足要求,正常使用极限状态桥面体系计算时,纵向未出现拉应力,横隔板上弦板底面最大横向拉应力为11.3 MPa。缩尺模型试验结果表明,桥面体系中横隔板上弦板下缘名义开裂应力为15.4 MPa,极限状态名义应力为68.2 MPa。开裂应力和承载能力均满足工程要求。横向受力抗裂性能参数分析表明,采用法国UHPC结构规范计算名义开裂应力是可行的,增大配筋率整体上可以提高上弦板下缘开裂应力,在实桥中,上弦板下缘钢筋直径建议取值■12～■40。增加上弦板高度可以提高抗裂安全性,当试验模型上弦板高度从24 cm增加到36 cm时,抗裂安全系数从1.24增加到1.52。     

钢板-UHPC组合梁抗弯性能试验及有限元分析

为了研究钢板-UHPC组合梁的抗弯性能,首先开展1根钢板-UHPC组合梁抗弯性能静力试验;然后利用Abaqus有限元软件对试件静力加载全过程进行仿真计算,采用不同方式模拟组合梁中的栓钉,选定最恰当的模型;最后基于校准的有限元模型,对钢板-UHPC组合梁进行参数分析,主要参数包括：UHPC抗压强度、钢板强度、栓钉间距及布置方式。研究结果表明：有限元仿真分析中,采用面面接触的有限元模型,其仿真分析结果与实测值总体上吻合良好,能够较好地反映钢板-UHPC组合梁中挠度、应变以及滑移变化规律,可作为后续钢板-UHPC组合梁有限元仿真分析的参考;各参数对钢板-UHPC组合梁极限承载能力的影响大小为：钢板强度>UHPC抗压强度>栓钉间距;在结构设计中应当重视剪弯段栓钉的选择与布置,而纯弯段栓钉可以进行相对弱化处理。     

预制超高性能混凝土π形梁桥的设计与初步试验

为解决传统混凝土简支梁桥接缝多、易开裂、耐久性低等问题,提出一种新型预制超高性能混凝土（UHPC）π形梁桥结构。研究了超高性能混凝土π形梁桥的主梁形式,并与相同30 m跨径传统混凝土T形梁桥进行了对比,结果表明其自重仅为传统混凝土T形梁桥的47%。参考材料试验结果,取设计用UHPC受压本构关系为线弹性,受拉本构关系为理想弹塑性,并根据法国超高性能纤维配筋混凝土（UHPFRC）结构规范对π形梁进行承载能力极限状态及正常使用极限状态下的配筋设计。为探究超高性能混凝土π形梁的抗剪及抗弯性能,对2根1：2截面缩尺梁模型进行试验研究及非线性有限元分析。结果表明：超高性能混凝土π形梁桥的初裂应力及承载能力均满足工程要求;纵向配筋率的提高能够显著提高梁底纵向开裂应变,限制裂缝开展;按法国规范计算相应荷载下的裂缝宽度值大于试验测量值,理论计算偏安全;试验值与模拟值吻合较好,验证了ABAQUS损伤塑性模型中所取材料参数的准确性和适用性;受拉塑性参数中的极限拉应力对于模拟结果影响较大,需根据试验获得准确数值。     

连续钢板组合梁力学性能研究

为了解连续钢板组合梁力学性能特点,并改善其负弯矩区易开裂的状况,以长沙至益阳段高速公路扩容工程4×30m连续钢板组合梁桥为背景,采用ANSYS软件建立组合梁有限元模型,分析组合梁结构施工过程及成桥阶段的应力分布,研究支点负弯矩区桥面板裂缝控制措施。结果表明,施工阶段简支状态下,连续钢板组合梁混凝土桥面板基本处于受压状态,钢梁跨中最大Von Mises应力约为70.5MPa,翼缘焊钉顺桥向剪力从跨中向两侧支点逐渐增加,最大值12kN;汽车活载作用下,墩顶处混凝土桥面板顺桥向最大拉应力为2.9MPa,钢梁最大Von Mises应力约为64.6 MPa,焊钉顺桥向剪力峰值约为22kN。采用调整施工顺序、墩顶区现浇微膨胀纤维混凝土、加强负弯矩区纵筋配置等措施有效调整了结构应力分布,减小负弯矩区的裂缝宽度。     

钢板组合梁桥面板的静力性能试验

为研究多主梁钢板组合梁桥面板的静力性能,结合某具体工程,制作足尺的多主梁试件,进行跨中及悬臂端静力加载试验。通过试验测试混凝土桥面板在荷载作用下的应变、变形和极限承载力等,观测混凝土桥面板裂缝发展情况及破坏形态。试验结果表明:整体预制混凝土桥面板的刚度比预制-现浇混凝土桥面板的大,在预制-现浇混凝土接缝处采用分离环形钢筋的刚度比传统直钢筋搭接的大。混凝土桥面板在跨中加载时,先发生加载位置截面底面混凝土开裂,当达到极限荷载时,加载位置截面的顶板混凝土压溃。桥面板在承载能力极限状态下的安全系数为6.7。     

预制桥面板UHPC-U形钢筋湿接缝受力性能试验研究

针对目前装配式组合梁桥预制桥面板湿接缝宽度大、现浇量大的劣势,提出宽度较小的UHPC-U形钢筋接缝。为检验该接缝的力学性能,设计制作3个桥面板试件(JF-1,混凝土整板试件;JF-2,30cm宽UHPC-U形钢筋接缝试件;JF-3,60cm宽普通混凝土-U形钢筋接缝试件)进行静力弯曲试验,对比其极限承载力、抗裂性能及抗弯刚度。结果表明:3个试件的抗弯承载力相近,破坏形态均为剪跨区的弯剪破坏,湿接缝不会削弱桥面板的抗弯承载力;UHPC能显著提高湿接缝的抗裂性能;各试件的荷载～位移曲线基本相同,抗弯刚度基本一致,接缝对试件的抗弯刚度影响较小;试件JF-2、JF-3具有同等的抗弯强度及刚度,可以将UHPC作为湿接缝浇筑材料来减小接缝宽度。     

组合梁抗弯极限承载力参数影响分析

为研究组合梁抗弯极限承载力的参数影响规律,利用有限元软件ABAQUS建立有限元模型进行数值模拟。结果表明,钢梁强度、钢梁腹板厚度、钢梁腹板高度、钢梁上下翼缘厚度、栓钉直径均可不同程度地影响组合梁的抗弯极限承载力。其中钢梁强度由235 MPa提升至390 MPa时,组合梁极限承载力提升了43.7%,钢梁腹板厚由4 mm提升至16 mm时,组合梁极限承载力提升了40.9%,钢梁腹板高度由360 mm提升至660 mm,组合梁极限承载力提升了50.8%,钢梁翼缘厚度由6 mm提升至12 mm时,组合梁极限承载力提升了32.6%。相比之下,混凝土板厚度及混凝土强度影响较弱。     

预制拼装钢-UHPC组合桥面板湿接缝抗弯性能研究

纵肋上置并形成PBL剪力连接件的钢-UHPC组合桥面板是一种新型桥面结构。该结构采用预制拼装施工,工厂预制钢-UHPC组合梁段,现场进行施工组装,相邻钢梁通过焊接形成一体,而相邻UHPC桥面板则通过现浇UHPC湿接缝连成一体,湿接缝是其薄弱部位。针对该新型结构其湿接缝相关研究较少的问题,该文以某实际工程为背景,完成钢-UHPC组合桥面板湿接缝足尺模型抗弯性能试验。建立Abaqus有限元模型,并采用试验结果校核有限元模型。在此基础上,进行了湿接缝截面模拟方式、钢面板厚度、UHPC层厚度和燕尾榫角度的有限元模型参数分析。对比美国土木工程师协会（ASCE）、《美国房屋建筑规范》（ACI）以及中国《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）关于构件的刚度计算公式,发现中国规范计算值更接近试验值。基于普通钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算公式,结合试验数据进行了参数修正,并用有限元模型结果进行了校核。结果表明：钢-UHPC组合桥面板湿接缝有着优异的延性和刚度;采用摩擦行为模拟湿接缝界面计算成本小且计算效果良好;增加钢板厚度或UHPC层厚度均能有效提高构件刚度和承载力;燕尾榫角度对构件的刚度和承载...     

混凝土界面粘结性能有限元分析

关于超高性能混凝土（UHPC）与普通混凝土（NC）粘结界面的试验研究较多，但如何在有限元软件中进行有效的模拟并进行相关参数分析的研究仍较少。本文利用大型有限元分析软件Abaqus建立了采用粘聚力单元以模拟UHPC与NC粘结界面的有限元模型，并通过修改粘聚力模型参数分析了不同界面粗糙程度下UHPC-NC界面的粘结性能。建立了直接剪切、斜剪试验有限元模型，且利用摩尔库伦强度理论反推界面摩擦系数。结果表明：通过粘聚力单元模拟UHPC-NC界面能很好的反应实际的受力性能。     

钢筋超高性能混凝土梁受弯试验和有限元分析研究

该文以钢纤维体积掺量、配筋率为基本参数,进行了12根钢筋超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)试验梁和2根普通钢筋混凝土(RC)试验梁的受弯性能试验研究。试验结果表明:UHPC试验梁的开裂、屈服和破坏荷载以及结构刚度均比RC试验梁大,UHPC试验梁的屈服和破坏荷载、延性和抗裂性均随着钢纤维掺量和配筋率的增加而提高。有限元模型参数分析结果表明:配筋率对UHPC试验梁屈服荷载与破坏荷载影响较大,而钢纤维掺量对开裂荷载影响较大;钢筋屈服强度可有效提高UHPC试验梁的延性;UHPC受拉强度的增加对开裂荷载的提高比屈服荷载和破坏荷载明显。最后,提出正截面抗弯开裂弯矩与极限承载力的计算公式,为UHPC桥梁设计规范的制定提供参考。