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。     

UHPC-NC键槽界面抗剪性能研究

为明晰超高性能混凝土（UHPC）加固RC结构的界面剪切力学行为,批量开展键槽定量化处理UHPC-NC界面抗剪承载性能试验研究。设计制作8组包含不同深度（t）、宽度（w）和间距（d）的UHPC-NC组合构件,分析了界面剪切荷载-滑移曲线特征,剪切应变分布规律、破坏形态以及极限抗剪承载力。试验结果表明,键槽处理方式能显著增强UHPC-NC界面初始剪切刚度（刚度值高于250 kN·mm^-1）并有效提高界面极限抗剪强度（1.46~3.98 MPa,其中大于3 MPa的试件占总数的57.1%）。不同键槽参数t,d和w对UHPC-NC界面抗剪强度的影响权值逐渐递减,且正角度开槽对界面抗剪强度的提升幅度为13%~32%,普遍优于负角度组;当深度t较小且w/t≤2时,后浇UHPC键槽部分承受较大剪切荷载,此时UHPC-NC界面出现“混合剪”破坏模式,能够有效发挥UHPC的抗弯拉性能;相同条件下,当w/t≥4时,后浇UHPC键槽面积在界面处占比增大,致使裂缝移至NC侧发展,即由NC主要承担界面剪力。此外,增大键槽间距d可改善界面域的剪力分配,“密集开槽”方式虽能有效提高界面抗剪能力,但考虑到此方式对原结构的损伤较大且施工成本较高,应对开槽深度和间距进行合理优化。提出基于断裂面法的UHPC-NC界面抗剪承载力计算公式,计算误差均在17%以内,计算结果表明,提出的公式可较好地评价定量化键槽处理的UHPC-NC界面抗剪性能。     

UHPC-NC组合结构抗弯性能试验及有限元分析

提出了一种超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC-NC)组合结构,以解决传统中小跨径桥梁的不足。①为了研究所提出的UHPC-NC组合梁抗弯性能,设计了一根1∶2的缩尺模型,并进行了试验研究和有限元分析,结果表明试验模型的名义初裂应力为23. 4 MPa,承载能力极限状态的名义应力为62. 9 MPa,能够满足工程正常使用极限状态和承载能力极限状态下的抗弯承载力要求。②建立了试验梁的ABAQUS有限元模型,计算结果与试验结果吻合较好,表明所建立的有限元模型具有一定的准确性和适用性。③通过有限元模型分析了纵向主筋配筋率、UHPC抗拉、压强度及现浇桥面板强度等级对组合梁抗弯性能的影响。结果表明提高主梁配筋率、UHPC抗拉强度能够显著提高组合梁的极限承载能力,而UHPC抗压强度和现浇桥面板的强度等级对组合梁的极限承载能力影响不大。     

装配式NC板UHPC湿接缝轴拉性能试验研究

装配式混凝土结构因施工便捷、节约工期等优势被频繁应用,常规混凝土结构使用的湿接缝为普通混凝土(NC),但是NC湿接缝与原结构粘结强度不高,导致接缝处出现了大量的病害。而超高性能混凝土(UHPC)有着更小的级配作湿接缝时与原NC结构具有更好的粘结强度,但目前国内对装配式NC-UHPC湿接缝轴拉性能研究较少,故本试验设计NC和UHPC两种湿接缝共6个试件并结合有限元分析,来探讨其轴拉性能。经试验和有限元分析后得出结论:UHPC作湿接缝时装配式NC-UHPC结构的轴拉性能远优于NC湿接缝,试件的初裂及极限荷载均远超NC接缝,故可考虑UHPC作为湿接缝应用。     

预制NC板现浇UHPC接缝的抗弯性能有限元分析研究

预制拼装混凝土结构已经成为我国最为广泛使用的一种结构形式,但现有的普通混凝土(NC)湿接缝处发生大量病害。其根本原因在于接缝材料的力学性能较差,加之现浇接缝混凝土与原有混凝土界面粘接强度不高,而超高性能混凝土(UHPC)有优异的力学性能且与原有混凝土的界面粘接强度较高。因此,预制拼装混凝土结构中现浇UHPC接缝已被大量应用。目前不同的UHPC接缝构造型式对预制拼装混凝土结构的抗弯性能具体影响研究很少,设计5组常见接缝构造型式,并使用有限元分析软件Abaqus分析不同接缝型式有限元模型的受力特点,与试验结果比较验证。结果表明:有限元分析较好地符合试验结果;不同接缝构造型式的接缝板抗弯拉性能都优于完整NC板,UHPC接缝并未影响模型的力学性能;凿孔、密配筋接缝型式能较大地提高接缝板抗弯拉性能,楔形接缝型式与菱形接缝型式次之,矩形接缝型式效果最差。     

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。     

基于超高性能混凝土组合桥面钢箱梁的混合梁钢与混凝土结合段受力性能仿真分析

对于某钢混凝土组合-混合连续箱梁桥,提出了跨中采用钢-超高性能混凝土（UHPC）组合梁、桥面板采用矮肋板的方案以减轻自重,钢-混结合段区域上表面再覆盖一层UHPC,从而形成超高性能混合梁。为重点研究钢-混结合段的受力性能,首先采用MIDAS/CIVIL桥梁专用有限元计算软件建立了连续箱梁桥的大尺度整体模型,以确定钢-混结合段的最不利受力工况及其具体的内力数值;随后采用ABAQUS建立了钢-混结合段的小尺度局部有限元模型进行精细化分析,以明确该区域钢、普通混凝土（NC）和UHPC的应力分布情况。计算表明该桥钢-混结合段的刚度能平稳过渡,钢、NC和UHPC的应力水平均较低,具有良好的安全储备,能够满足桥梁的受力要求。     

FRP筋混凝土界面疲劳性能的有限元分析

为研究纤维增强复合材料FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋混凝土界面在疲劳荷载作用下的粘结性能,利用有限元软件ANSYS建立FRP粘结式锚具组装件模型,通过对模型施加疲劳荷载,得到各参数对组装件疲劳寿命的影响。研究结果表明,有限元分析结果与试验结果吻合较好,说明该有限元模型具有良好的可靠性。得到了锚固长度、应力水平以及应力幅值等对CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋在活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)中的粘结疲劳寿命的影响规律。     

考虑节点模型的混凝土框架结构抗震性能分析

利用OpenSEES有限元平台中的Beam-Column Joint节点单元和梁柱纵筋粘结滑移单元,建立了考虑梁柱节点模型的混凝土框架结构有限元计算模型,分析了国内研究者已完成的两榀两层双跨混凝土框架结构在低周反复荷载作用下的试验,计算得到的滞回曲线和骨架曲线与试验曲线吻合良好。在此基础上,还对国内研究者已完成的一榀两层双跨混凝土框架结构的拟动力试验进行了模拟分析,模拟得到的结构位移时程反应曲线和结构底层层间恢复力曲线与试验曲线基本一致。分析表明考虑梁柱节点模型的混凝土框架结构有限元计算模型能够较好地反映混凝土框架结构在低周反复荷载与地震荷载作用下梁柱节点处纵筋的粘结滑移特性和整体结构各阶段的滞回性能,从而验证了OpenSEES有限元平台中的Beam-Column Joint节点单元和梁柱纵筋粘结滑移单元在混凝土框架结构抗震性能分析中的适用性,为研究混凝土框架结构的抗震性能提供一条简便途径。     

UHPC-沥青面层粘结性能试验研究

轻型组合桥面铺装多采用"UHPC-沥青面层"组合结构,UHPC层与沥青面层均为薄层结构,需关注UHPC与沥青面层界面粘结问题,重点研究UHPC与沥青混合料界面粘结性能。影响层间粘结性能的因素有下承层表面纹理提供的层间摩阻力、粘层油自身的粘结力、环境温度等。本文通过室内试验,研究UHPC表面糙化方式、粘层油类型和环境温度对UHPC-沥青面层层间粘结性能的影响。研究结果表明:环境温度对层间粘结性能有较大影响;嵌石比抛丸在层间粘结强度方面具有优势;高粘高弹沥青和环氧沥青粘结性能优于改性乳化沥青。     

采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装受力性能研究

为解决现有钢桥面铺装因大面积现浇超高性能混凝土(UHPC)产生收缩开裂,需密集配筋,施工现场需要大量蒸养设备等问题,提出了一种采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装。通过钢-预制UHPC板界面、钢-现浇UHPC板界面和预制-现浇UHPC界面局部模型试验,揭示了采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装各关键界面黏结性能;通过节段足尺模型试验与有限元分析,明确了车辆荷载下采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装的荷载效应。研究结果表明：钢-预制UHPC板界面受拉和受剪破坏均发生于粘胶层与预制UHPC板结合面,法向抗拉和切向抗剪承载力可保守地取5.2 MPa和8.7 MPa;栓钉间距在150~320 mm之间时,栓钉加密对钢-现浇UHPC板界面抗剪承载力影响较小,可根据中国规范进行现浇UHPC板中栓钉承载力的计算,抗剪刚度可保守的取110.0 kN·mm^-1;界面凿毛处理和湿接缝采用蒸汽养护,可使预制-现浇UHPC接缝的抗剪强度分别提升23%和20%,预制-现浇UHPC接缝抗剪强度可保守地取2.4 MPa;在3倍车辆设计荷载作用下,UHPC板以及钢-UHPC板界面的应力均小于容许应力。提出的采用预制-现浇UHPC板的钢桥面铺装方案可行。     

UHPC模壳-RC叠合盖梁受力性能试验

由于整体预制RC盖梁对起重和运输设备要求高,而分段预制盖梁的拼接缝容易发生渗水且在节段分界面上纵筋不能连续传力,因此提出一种在UHPC模壳内部现浇混凝土的半预制叠合盖梁。开展带剪力键和不带剪力键的2个UHPC模壳-RC叠合盖梁和1个现浇RC盖梁对比试件的静力试验,并通过有限元模型分析了结合面黏结程度对叠合盖梁受力性能和破坏模式的影响规律。研究结果表明：UHPC模壳-RC叠合盖梁的破坏模式与现浇RC盖梁一致,均为剪压破坏;不带剪力键的叠合盖梁开裂荷载和极限承载力分别比现浇RC盖梁提高了42.1%和13.8%,同时可以有效降低裂缝宽度的扩展,但叠合盖梁存在界面脱开,核心混凝土拱起和UHPC模壳竖向开裂等现象;剪力键可以增大交界面黏结程度,有效减小最大裂缝宽度和交界面裂缝宽度的扩展速度,其交界面开裂荷载和极限承载力比不带剪力键的叠合盖梁提高50.0%和12.1%;理想界面黏结状态下,UHPC模壳可以达到极限压应变,材料性能得到充分发挥,说明UHPC模壳可以完全参与整体受力,但极限承载力仅比带剪力键叠合盖梁提高8.8%。以上结果说明,带剪力键的UHPC模壳-RC叠合盖梁具有良好的截面黏结强度和整体受力性能,可以推荐实际工程使用。     

中兴大桥桥面板UHPC-超薄磨耗层(SMA)层间性能分析

为避免由于超高性能混凝土(UHPC)与新材料面层的黏结能力较差而引起的层间摩擦滑移造成脱空破损的现象,采用有限元模拟的手段深入研究了粘结剂作用形成组合材料桥面板的层间黏结性能.其黏结性能主要以层间剪应力和法向拉应力来表征,车轮荷载作用于钢桥面板不同位置的受力性能.研究结果表明:UHPC-超薄磨耗层层间剪应力和法向拉应力值会随着车轮加载位置不同而有不同的结果;宁波中兴大桥在各种加载位置下层间剪应力和法向拉应力值均小于实测强度且具有一定的强度储备;随着车轮荷载的增加,层间应力会急剧增加,造成严重的破坏.     

钢桥面UHPC铺装层的黏结性能试验研究

在钢桥面的铺装设计中,由于标高控制和自重控制要求,普通混凝土铺装层因厚度大、自重高难以满足设计要求,因此亟需薄厚度、高性能的铺装层,而超高性能混凝土(UHPC)是潜在可满足设计要求的铺装材料.但在循环交通荷载下,UHPC铺装层与钢板之间的黏结作用尚缺乏试验研究.研究开展了五点弯曲疲劳试验和剪切试验,研究UHPC钢桥面铺装层的黏结特性和抗疲劳破坏能力,并基于数值计算结果,将疲劳加载次数转换为标准轴载作用次数.研究发现,在标准车辆轮载作用下难以快速对试样产生损伤.即使试样黏结界面边缘开裂,稳定不变的变形也暗示裂缝并未扩展至内部,即试样内部损伤有限,仍然具有良好的承载力.含有栓钉的UHPC-钢桥面黏结界面的等效抗剪切强度为12.4 MPa左右,其破坏形式为栓钉的剪切破坏.UHPC与钢板之间协同作用十分显著,铺装后相对于无铺装的钢板刚度提升1倍左右.     

UHPC-TPO层间黏结性能研究

为避免薄层结构黏结能力不足可能造成的层间滑移、早期破损等问题,采用UHPC-TPO复合试件层间黏结强度试验与有限元仿真相结合的方法,评估UHPC-TPO层间黏结性能。开展常温、高温拉拔试验和剪切试验,分析不同表面处理方式对试件层间力学性能的影响;模拟路面长期老化过程,测定UHPC-TPO老化后层间剩余强度;研究组合试件在受到水损害后层间力学性能的劣化规律。结果表明：常温下UHPC-TPO的拉拔强度大于3.93 MPa,抗剪强度大于15.08 MPa;高温下UHPC-TPO的拉拔强度大于1.12 MPa,抗剪强度大于1.89 MPa;UHPC表面处理方式对层间黏结性能有明显影响,其层间强度由大到小排序依次为抛丸2、抛丸1、清除浮浆;模拟老化剩余拉拔强度为原值的76.9%以上,耐老化性能较好;冻融循环后,UHPC-TPO层间抗剪强度为11.55 MPa,拉拔强度为3.22 MPa,表现出良好的水稳定性;冻融循环剩余强度与冻融循环次数呈指数关系,且剪切强度与拉拔强度具有良好的线性相关性。UHPC-TPO层间黏结性能优良,炎热地区、重载大交通、重要交通通道等对抗剪强度及抗滑移要求较高的工程,可采用UHPC表面抛丸处理,而对于一般工程可采用施工更方便的清除浮浆方式。     

UHPC直剪性能试验与直剪承载力计算方法

针对超高性能混凝土（UHPC）直剪性能研究较为缺乏的现状,开展24个“Z”形UHPC整体浇筑试件和24个“Z”形UHPC平接缝试件（用高压水凿毛先浇界面）的直剪试验,以得到钢纤维特性以及浇筑方式对UHPC （直剪）初裂强度、峰值强度、破坏模式以及直剪承载力的影响;并基于试验结果及UHPC细观本构模型开展了UHPC直剪承载力的理论分析研究。结果表明：无纤维UHPC整体试件和钢纤维掺量未超过3.0%的平接缝试件直剪破坏模式均为脆性破坏,纤维掺量达到2.5%的整体试件具备剪切延性破坏的特征;纤维掺量达到2.5%的平接缝试件界面处新老UHPC结合紧密;整体界面和平接缝界面直剪的初裂强度与峰值强度均随纤维掺量增加而显著增加,且峰值强度随纤维掺量几乎呈线性变化;纤维形状与长径比对整体界面初裂强度和峰值强度的影响不大,对平接缝界面则长纤维优于短纤维,异形纤维优于平直形纤维;整体界面和平接缝界面直剪的峰裂比（峰值强度与初裂强度之比）为103.5%~166.7%,整体界面峰裂比均显著大于纤维掺量相同的平接缝界面,2种界面的峰裂比均随钢纤维掺量增加而增加。建立了平接缝界面与整体界面直剪峰值强度之比η（简称直剪强度比）与纤维特征参数λ_f之间的高精度拟合公式。此外,还分别提出了高精度的UHPC整体界面和平接缝界面的直剪承载力计算公式。     

U形UHPC永久模板RC无腹筋组合梁抗剪性能试验

为了研究UHPC永久模板RC无腹筋组合梁的抗剪性能,以UHPC永久模板的厚度和界面条件为试验参数,分别开展了UHPC材料力学性能与UHPC永久模板RC无腹筋组合梁四点加载试验。由于组合梁的抗剪性能与UHPC的基本力学性能密切相关,因此首先对UHPC的抗拉与抗压性能进行了试验研究。UHPC的力学性能试验结果表明,UHPC在单轴单调荷载作用下具有一定程度的应变硬化特征,其拉伸极限强度为4.87 MPa,极限拉应变为0.6%。在材料试验结果的基础上,通过考虑UHPC永久模板厚度与界面方式这2种试验参数,分别设计了1根RC参照梁,1根UHPC参照梁,以及2种UHPC/RC界面类型（光滑与均布剪力键）、3种永久模板厚度（15,20,25 mm）、共计6根U形UHPC永久模板RC无腹筋组合梁。在对这8根梁分别进行四点加载破坏试验的基础上,分析了UHPC永久模板不同厚度与界面类型对组合梁抗剪承载力的影响。结果表明：组合梁的抗剪承载力及其变形能力较相同尺寸及配筋的RC无腹筋梁至少提高了103.7%和117.7%;且无论何种界面类型下,抗剪承载力随着UHPC永久模板厚度的增加而增加;界面为均布剪力键的UHPC永久模板较光滑界面能提供更高的抗剪承载力与变形能力。最终,基于修正桁架模型理论,分析了UHPC永久模板与RC无腹筋梁的抗剪承载力及其抗剪构成,提出了UHPC永久模板RC无腹筋组合梁的抗剪承载力计算公式,且公式计算值与试验值吻合较好。     

空心板桥新型粗骨料UHPC铰缝抗剪性能试验

为研究空心板桥新型粗骨料超高性能混凝土(UHPC)铰缝的抗剪性能,对14个铰缝试件进行了静力抗剪试验,试验参数包括铰缝混凝土材料类型、界面处理方式、抗剪钢筋构造形式、抗剪钢筋强度等级和配筋率。分析了试件的裂缝发展过程和分布规律、破坏模式以及各试验参数对铰缝抗剪性能的影响;同时,基于铰缝典型的荷载-位移曲线分析了铰缝的抗剪机理。试验结果表明：铰缝的裂缝宽度从下至上呈现逐渐减小的规律,由于传统配筋方式上部抗剪钢筋的位置靠近顶部,导致上部抗剪钢筋在铰缝抗剪承载力极限状态时尚未屈服,对抗剪承载力的贡献小。试件破坏模式分为2种：传统铰缝的界面剪切破坏;UHPC铰缝的预制混凝土块剪切破坏。UHPC材料、界面预留槽处理方式、抗剪钢筋新配筋方式以及提高抗剪钢筋的强度等级和配筋率,均能不同程度地提升铰缝的抗剪性能。与传统铰缝相比,新型粗骨料UHPC铰缝的开裂荷载、抗剪承载力和名义抗剪刚度提升幅度分别可达42.8%、185%和218.3%。当达到抗剪承载力极限状态时,UHPC铰缝主要依靠抗剪钢筋屈服提供的剪切摩擦抗力以及预制混凝土块剪断提供的剪切抗力来抵抗外荷载。提出了UHPC铰缝开裂荷载及抗剪承载力计算公式。计算结果表明：开裂荷载、抗剪承载力试验值与计算值比值的均值分别为1.47、1.19,变异系数分别为0.05、0.12,所提出的计算公式可以较精确和稳定地预测UHPC铰缝的开裂荷载及抗剪承载力。