浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

为验证重载铁路黄土隧道初期支护推广应用格栅钢架的可靠性,通过全环格栅钢架混凝土1∶1模型试验,现场初期支护变形收敛、围岩压力、格栅钢架和喷射混凝土力学性能测试,以及基于大数据的初期支护变形收敛数据统计分析等方法进行研究。研究结果表明:1)全环格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力,H180型格栅钢架混凝土结构在极限状态下可承载相当于32.56 m的黄土自重; 2)格栅钢架可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩大跨度黄土隧道,能保证围岩稳定及初期支护结构的安全; 3)大跨度黄土隧道初期支护采用格栅钢架,初期支护拱顶下沉及水平收敛值控制良好,总体在开挖预留变形量控制值内。     

8字结形格栅钢架腹筋力学作用试验研究

在山岭隧道复合式衬砌施工中,格栅钢架被广泛应用。为研究8字结形格栅钢架腹筋的力学作用,采用模型试验方法,设计一系列格栅钢架试件,系统地研究腹筋直径和焊缝长度对格栅钢架的力学作用影响。研究结果表明： 1）随着8字结腹筋直径的减小,喷混凝土格栅钢架极限承载力基本没有降低,但优化指数大幅度增大; 2）对于腹筋直径,只需满足格栅钢架加工、存放、运输和安装过程中主筋架立和固定的要求即可; 3）主腹筋焊缝长度的减小对格栅钢架的承载力基本没有影响,但可以大幅降低格栅钢架的制作成本。     

漫谈矿山法隧道技术第四讲——钢架

介绍型钢钢架的类型、应用要点及功能效果。重点阐述能使型钢钢架发挥支护效果的关键因素(包括： 与围岩紧密接触、增强脚部支持力、与喷混凝土形成一体、采用高规格型钢钢架),强调应坚持钢架与围岩间用楔块楔紧;提出当围岩条件恶劣时,可借鉴日本开发的用型钢代替大拱脚的方法;认为当断面大、围岩差时,有必要用高规格的H型钢代替工字钢,可不增加开挖断面面积和喷混凝土的数量。介绍瑞士在Gotthard隧道预计会出现大变形时,采用的可缩式钢支撑,具有使坑道刚性逐渐提高的效果。我国钢架多采用人工架设,速度慢且架设质量难以保证,介绍日本的钢架架设设备（带举重臂的一体型喷射台车和搭载在钻孔台车上的架设机械）,这些设备可以提高钢架架设的安全性和作业效率。介绍日本对型钢钢架的施工管理规定。从国外隧道施工趋势来看,采用型钢钢架很少,采用格栅钢架更为普遍。在格栅钢架的应用方面,与国外相比,我国的经验更为成熟。我国的格栅是4肢的,美国、日本、欧洲一些国家的格栅是3肢的。比较详细地介绍了挪威的钢筋肋。日本在二川公路隧道的试验,认为在与标准支护模式同等承载力的条件下,3根主筋构成的格栅,每榀比H型钢大约节约100 kg钢材。日本正在研究用高强度喷混凝土代替型钢钢架的可行性,值得关注。最后强调： 1）钢架如果与围岩不紧密接触,就不可能发挥其应有的支护功能,因此,设置楔块必不可少,喷混凝土时钢架与围岩间要喷密实; 2）应进一步研究格栅钢架和型钢钢架的应用及适用条件。     

钢管冻土组合结构受弯力学特性数值模拟研究

为分析钢管冻土组合结构的受弯过程特点，依托室内试验的研究成果，利用ANSYS软件分析钢管冻土组合结构受弯过程中的承载力变化规律。研究结果表明： 1）冻土结构底部布置钢管后形成钢管冻土组合结构的极限承载力较常规无钢管冻土结构可提高52.6%，荷载作用下组合结构截面应力分布呈“分层”现象，其应力计算过程仍满足梁的平截面假定； 2）当冻土与钢管之间的剪切应力超过其抗剪强度时，钢管与冻土会发生滑移，但钢管和冻土各自独立承载仍可发挥组合结构的承载能力； 3）钢管直径和壁厚的增加，可以提高钢管冻土组合结构的极限承载力； 布置在结构截面底部的钢管对提升组合结构的承载力效果明显，其极限承载力较钢管位于截面中心或者顶部位置时提高约30%。     

公路隧道钢管混凝土拱架承载力评价指标及合理选型研究

钢管混凝土具有强度高、塑性韧性好等特点,为促进钢管混凝土结构在隧道工程中的应用,针对当前对钢管混凝土拱架承载力评价指标研究不足以及钢管选型难的问题,通过对50种不同直径、壁厚的钢管混凝土拱架承载力的理论计算与数值模拟对比分析,对公路隧道钢管混凝土拱架承载力评价指标及合理选型进行研究。主要结论如下:1)相比于钢管面积、含钢率、钢管惯性矩,钢管的抗弯截面系数作为综合指标能较好地表征钢管与钢管混凝土拱架承载力之间的关系,建议作为评价钢管混凝土拱架承载力的指标; 2)基于文中的研究依据,拟合钢管抗弯截面系数与钢管混凝土拱架承载力公式,以及钢管混凝土初期支护承载力与钢管混凝土拱架承载力公式; 3)钢管直径比钢管壁厚对钢管混凝土拱架承载力的影响更大,直径大、壁厚小的钢管混凝土拱架不但具有更高的承载力,而且具有更经济的钢材用量; 4)钢管混凝土拱架建议按照增大钢管直径增加钢管壁厚提高核心混凝土强度等级的优先级进行选型设计。     

锈蚀对Q550E高性能钢梁抗弯承载力影响的试验研究

为研究Q550E高性能钢结构锈蚀后的力学性能，制作7片锈蚀H形高性能钢梁，利用通电加速腐蚀的方法对钢梁进行锈蚀，通过抗弯性能试验，分析锈蚀对高性能钢梁的应变、挠度、承载力以及刚度退化等的影响。试验研究表明：锈蚀显著降低了高性能H形钢梁的承载力，锈蚀率每增加1%其屈服荷载与极限荷载大约减少11 kN；随着锈蚀率的增加，钢梁延性系数均呈下降趋势；钢梁的锈蚀降低了梁的实际屈服强度，使局部屈曲提前发生；试件在达到极限荷载前应变基本符合平截面假定，表明锈蚀基本上不改变高性能钢结构的应变分布；在弹性阶段的钢梁抗弯刚度将会发生退化，其退化速度与锈蚀率呈线性关系。     

钢管活性粉末混凝土轴压短柱受力性能试验研究

进行22根钢管活性粉末混凝土(钢管RPC)轴压短柱试验,分析其荷载-变形曲线、破坏特征和影响极限承载力的主要因素。试验研究表明:钢管RPC轴压短柱的荷载-纵向应变曲线弹性阶段约为极限荷载的90％~95％;套箍系数ξ较小时,在达到极限荷载后承载力急剧下降;ξ较大时,在达到极限荷载后承载力下降平缓并呈回升趋势。ξ较小的试件多呈剪切破坏形态;ξ较大的试件所有断面上均被墩粗,试件的上、下两端明显局部鼓曲。构件承载力随RPC强度fc的提高而提高,两者基本成线性关系;套箍系数ξ越大,构件承载力也越大,但钢管对RPC的约束效果比对普通混凝土的差。提出的钢管RPC轴压短柱极限承载力的实用计算公式计算出的结果与试验结果吻合良好。     

波形钢腹板组合T梁静力性能试验

为探索新型结构波形钢腹板组合T梁的受力性能,制作了下翼板布置直线型体内纵向预应力筋的缩尺试验梁,采用两点对称加载的方式开展了静载破坏性试验,对试验梁的截面正应变分布、荷载-位移曲线、开裂弯矩、剪应力分布、破坏形态、裂缝发展规律等进行测试。使用ABAQUS软件建立了试验梁的有限元模型,采用混凝土的损伤塑性模型和钢材的理想弹塑性本构对加载全过程进行非线性分析。基于钢-混组合梁的收缩、徐变理论和钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算方法,对试验梁的开裂荷载和抗弯承载力进行理论计算。结果表明：只布置下翼板纵向预应力筋的波形钢腹板组合T梁的荷载-位移全过程曲线表现出较明显的弹性、弹塑性和塑性变形阶段,具有较大的抗弯刚度和良好的抗裂性和延性;抗弯承载力与开裂荷载的比值为1.79,具有较合理的承载受力特点;整个加载过程中,钢腹板与混凝土翼板变形协调,表现为典型的受弯破坏形态;剪应力在波形钢腹板组合T梁的腹板中分布均匀,可不设置弯起筋提供抗剪承载力;忽略波形钢腹板的轴向变形刚度和抗弯承载力,能准确计算开裂荷载和抗弯承载力;波形钢腹板组合T梁的力学机理明确,静力性能良好,具有工程应用前景。     

反复荷载作用下钢管混凝土轴压承载力退化模式研究

为探讨钢管混凝土构件受压屈服后再次受荷时的承载力变化规律,以含钢率、套箍系数、核心混凝土中钢纤维掺量与反复加载次数为参数,对12根钢管混凝土短柱进行了反复轴压试验。结果表明:钢管混凝土短柱受压屈服后,如管壁出现开裂,再次承受荷载时其承载力下降显著。如管壁不出现开裂,截面含钢率高、套箍系数大时,构件承载力衰减缓慢,承载力损失较小;含钢率低、套箍系数较小时,承载力则先出现较大衰减,达到最小值后有小幅回升,承载力损失较大; 5次反复加载,试件承载力均保持在初始承载力的60%以上。     

顺置式吊杆锚固区受力特性与极限承载力研究

为掌握顺桥向设置的吊杆锚固区在吊杆力作用下的受力特性和极限承载力,以某在建斜拉-自锚式悬索组合体系桥为依托工程,利用ANSYS软件建立壳单元空间有限元模型,对锚固区在最不利荷载作用下的受力性能进行研究;并分别采用线弹性及非线性分析方法对吊杆锚固区极限承载力进行分析,讨论构件的受力情况。结果表明:在最不利荷载作用下,钢锚箱及钢锚梁应力较横隔板应力小;除钢锚梁与横隔板焊接处应力集中现象显著外,各构件应力分布较均匀;各构件顺桥向变形较大。不同极限承载力分析方法表明,此类结构采用壳单元建模进行极限承载力分析时应仅考虑材料非线性。建议在此类结构设计时,对于横隔板刚度不足问题应给予足够重视。     

长期荷载作用下方钢筋混凝土轴心受压柱的变形特性

进行了4个大轴压比情况下方钢管混凝土轴心受压构件变形性能的试验研究。基于ACI（1992）方法，提出一种适合于长期荷载作用下方钢管混凝土构件变形的分析模型和计算方法，理论结果和试验结果基本吻合 。最后，分析了加载龄期和持荷时间、轴压比、含钢率、钢材强度和混凝土强度等因素对长期荷载作用下方钢管混凝土构件变形性能的影响规律。     

哑铃形钢管混凝土截面抗弯塑性发展能力研究

结合纤维模型法研究建立了哑铃形钢管混凝土拱桥拱肋截面受弯塑性发展系数和抗弯承载力计算公式。首先,通过合理遴选钢管和混凝土的本构关系,建立了哑铃形钢管混凝土构件抗弯承载力分析的纤维模型法,并利用试验数据验证了方法的准确性;进而,基于钢管混凝土统一理论,借助塑性发展系数表征截面在弯矩作用下的塑性发展能力,并利用纤维模型法分析了截面高度、钢管和混凝土强度、钢管壁厚和套箍系数对塑性发展系数的影响规律,最终选定套箍系数作为参数建立塑性发展系数表达式;最后,基于新建的塑性发展系数表达式建立了哑铃形钢管混凝土构件抗弯承载力计算公式,并将计算结果与试验结果进行对比。研究表明,建立的纤维模型法能够准确计算哑铃形钢管混凝土构件的抗弯承载力,塑性发展系数与套箍系数之间具有较强的非线性相关关系,所建立的抗弯承载力计算公式结果与试验结果吻合良好。     

螺栓锈蚀对盾构隧道接头抗弯性能的影响研究

为研究螺栓锈蚀对隧道服役性能的影响，通过考虑不同荷载类型和偏心距的情况，采用数值模拟的方法对连接螺栓锈蚀后盾构隧道接头极限承载力和抗弯刚度的变化进行分析，并与模型试验数据进行对比。通过对比分析发现： 1）螺栓锈蚀后受压区混凝土和螺栓屈服时的接头弯矩有所降低，结构弹性极限降低。2）在结构弹性阶段，螺栓锈蚀基本不会影响管片的接头抗弯性能； 在塑性阶段，螺栓锈蚀会使接头的变形增大，接头抗弯刚度降低。3）螺栓锈蚀会降低接头的极限承载力，极限承载力的退化程度与螺栓锈蚀率有关，与螺栓锈蚀范围的大小无关； 在负弯矩工况中，螺栓锈蚀还会改变接头的破坏状态。     

PBL加劲型矩形钢管混凝土结构力学性能研究综述

为改善钢管混凝土套箍效应和节点传力可靠性问题,提出PBL加劲型矩形钢管混凝土结构,从管壁局部屈曲力学性能、构件力学性能、界面力学性能和节点力学性能4个方面,对已有研究成果进行总结,并与传统的钢管混凝土结构进行对比,综述了不同结构的宽厚比限值、轴压强度、轴压稳定、抗弯性能、压弯性能、剪切-滑移本构关系、节点传力长度、疲劳荷载作用下钢-混界面黏结性能、节点静力性能和节点疲劳性能,系统地阐述了PBL加劲型矩形钢管混凝土结构的力学性能优势。结果表明:在轴压和压弯荷载作用下,由于混凝土的支撑作用,以及PBL纵肋的加劲和连接作用,钢管的宽厚比限值相比矩形钢管混凝土结构提高到2倍以上;PBL加劲型矩形钢管混凝土构件轴压承载力相比矩形钢管混凝土有所提高,同时,PBL纵肋保证了构件的完全黏结,组合作用得到发挥,结构的轴压和抗弯刚度也得到提高;PBL加劲肋孔中的混凝土榫提供了较大的抗剪承载力,界面强度相比矩形钢管混凝土提高2倍以上,剪切模量提高3倍以上,有效缩短了节点传力长度,且疲劳荷载作用下,界面性能更可靠;管内PBL纵肋的抗拔作用,可有效限制节点部位主管表面弯曲变形,使节点刚度和承载力得到提高,焊趾位置热点应力集中系数明显减小,疲劳性能得到改善。     

局部无压浆PC构件抗弯性能试验及计算方法

为了解决既有预应力混凝土(PC)桥梁压浆不密实和漏压浆问题,开展了不同压浆状态的PC梁静载试验,揭示了局部无压浆长度、位置等对构件抗弯性能的影响,进而考虑无压浆段预应力筋与混凝土间的变形不协调以及材料非线性,给出了局部无压浆构件极限承载力和受弯全过程荷载-挠度变形的计算方法。研究结果表明：局部无压浆引起的预应力筋与混凝土间的粘结性能退化对构件裂缝分布和扩展影响较大,导致裂缝数量减少、平均间距增大、极限状态时最大裂缝宽度变大;局部无压浆仅影响构件开裂后的荷载-挠度行为,且受其所处位置和长度共同制约,纯弯段无压浆对荷载-挠度行为影响较小,而弯剪段无压浆造成的影响较大,弯剪段无压浆长度越长构件刚度和承载力退化越明显;所提出的计算方法计算结果与试验结果较为吻合,精度较高。     

钢-UHPC-NC组合梁负弯矩区受力性能试验研究

为解决钢-混组合梁负弯矩区混凝土面板的开裂问题,采用薄层超高性能混凝土(UHPC)替代部分普通混凝土(NC),制作钢-UHPC-NC组合梁,对组合梁负弯矩作用下的受力性能进行研究。设计制作了2根钢-UHPC-NC组合梁(21cm厚的C50混凝土+4cm厚的UHPC)和1根钢-NC组合梁试件(25cm厚的C50混凝土),通过负弯矩静力加载对组合梁的裂缝特征、开裂荷载、承载力等进行对比分析。结果表明:采用薄层UHPC替代部分组合梁负弯矩区混凝土翼缘的表层,与C50混凝土层相比,UHPC层裂缝分布呈现数量多、宽度小、长度短的特征;同等配筋率下刚度提升7%,对极限承载力影响不大;钢-UHPC-NC组合梁开裂荷载为1 400kN,远高于钢-NC组合梁300kN的开裂荷载。采用UHPC薄层可提高混凝土的开裂荷载,可有效解决组合梁负弯矩区混凝土面板的开裂问题。     

退役预应力混凝土梁受弯全过程分析及试验研究

为了解在运营若干年后预应力混凝土空心板梁的材料退化和受力性能,探讨其在抗弯荷载作用下的承载能力及破坏模式,以汀塘圩大桥为背景,对该桥2片服役11年的PC空心板梁的材料强度、结构退化等进行详细检测,并采用2对加载装置进行三分点对称加荷,从弹性阶段、开裂荷载直至构件破坏,对试验梁的变形性能、破坏机理和抗弯极限承载能力等受弯特性进行全过程分析及试验研究。结果表明:试验梁跨中极限位移可达计算跨度的1/42,呈现出明显的延性破坏特征,在服役11年后仍具有很好的延性及足够的强度。对于试验梁的抗弯极限承载力,将试验结果与现行桥梁规范及非线性有限元进行对比,证明了桥梁规范设计给出的板梁极限荷载计算公式的合理性。     

FRP加固病害混凝土受弯构件的抗弯性能研究

为了研究碳纤维加固梁体的机理，应用弹性力学理论，分析粘贴碳纤维加固钢筋混凝土梁前后以及考虑预栽作用下加固梁的受弯全过程，运用目前广泛接受的计算方法计算了梁体极限荷载承载力，并将计算结果与试验结果进行了比较。结果表明，采用FRP加固的钢筋混凝土梁的刚度较普通钢筋混凝土梁的刚度都有明显提高，纤维布同时对承受以抗弯为主的构件具有增强刚度、控制挠度的作用。另外，FRP加固对梁的刚度有较大影响，特别是对屈服阶段的刚度影响较大。     

中空超高性能混凝土短柱轴心受压试验研究

为研究不同壁厚的中空超高性能混凝土(UHPC)短柱在轴向压力下的变形和承载能力,制作4组不同壁厚的中空UHPC短柱试件,进行轴心受压试验,研究壁厚对试件裂缝发展、竖向变形、横向变形及承载力的影响。结果表明:初始裂缝均出现在荷载达到极限承载力的70%后,裂缝随荷载的增加发展不明显,破坏瞬间迅速开展;试件破坏前基本处于弹性阶段,纵向应变随荷载增加线性增大;壁厚较小时,试件存在端部破坏和板壁屈曲的现象;随着壁厚增大,试件的端部破坏和板壁屈曲情况得到改善;试件的宽厚比5时,承载力试验值和计算值吻合较好,宽厚比≥5时,计算承载力时应考虑0.8的修正系数。     

大跨钢桁拱钢-混组合桥面板极限承载力试验

为评估钢一混组合桥面板结构在公路荷栽作用下的极限承载力,对其进行极限承载力性能试验研究。根据圣维南原理,选取正负双向弯矩受力的立柱区部分桥面板作为实桥的有限元分析模型,并试验制作了2个等尺模型试件A和B,用于考察钢一混组合桥面板正负双向弯矩区的极限承载力性能。试验结果表明：模型A混凝土板被拉坏,工．字钢上下翼缘板、腹板以及纵向钢筋始终未屈服,PBL、钢底板以及横向钢筋均在破坏之前屈服,模型A的破坏荷载为1750kN;模型B混凝土板被压坏,PBL在破坏之前屈服,模型B的破坏荷载为2200kN。研究结果可为钢一混组合桥面板极限承栽能力设计计算提供参考。