装配式空心板钢横隔板抗弯数值模拟与破坏机理研究

针对公路空心板混凝土铰缝易损坏现象,提出了开孔钢板连接构造,在空心板间形成钢横隔板结构传递板间荷载。为了掌握新型空心板连接结构的抗弯受力性能,试设计新型空心板桥,在其跨中顺桥向选取单位长度形成横桥向的梁式结构,建立其纯弯加载的有限元模型。为验证开孔钢板在铰缝处弯曲性能模拟的正确性,另外建立了设置开孔钢板的组合梁负弯矩试验模型,利用已有试验结果验证开孔钢板在弯曲受力下数值模拟方法的正确性。研究结果表明,在装配式空心板钢横隔板连接构造受力性能数值模拟中,钢板与混凝土界面法线方向的接触模拟采用硬接触,贯穿钢筋与混凝土的接触关系采用嵌入的模拟方式可以得到较好的效果;空心板钢横隔板结构在荷载作用下的受力机理为:首先由铰缝接触面受力,当接触面达到承载力部分破坏后,由未破坏的铰缝接触面和开孔钢板与贯穿钢筋组成的榫结构受力,直至破坏。     

开孔钢板铰缝连接构造受力性能与计算方法研究

针对公路空心板混凝土铰缝易损坏现象,提出开孔钢板连接构造,在空心板间形成类似于钢制铰结构。通过试验验证的空心板间开孔钢板连接构造的推出试验数值模拟方法,研究了贯穿钢筋直径、开孔钢板厚度和开孔钢板强度变化对新型连接构造的抗剪承载力影响。结果表明:铰缝抗剪强度随着开孔钢板板厚、强度及贯穿钢筋直径的增大而增大,增大幅度会逐步减小,开孔板板厚和强度变化对于铰缝抗剪强度的影响小于贯穿钢筋直径变化的影响。最后,给出开孔钢板连接构造的合理构造和抗剪承载力计算公式。     

新型空心板铰缝的受力性能

为了克服传统铰缝混凝土无法有效振捣、不具备抗弯和抗裂能力等技术缺陷,设计一种新型空心板铰缝并建立其三维有限元分析模型,对新型空心板铰缝在二期恒载、收缩徐变、温度梯度及车辆荷载作用下的受力性能进行分析,并对实体单元进行内力积分,得到铰缝跨中截面的内力后配筋计算方法。结果表明:荷载作用在铰缝中下部将产生可使铰缝开裂的拉应力,需合理配置纵向钢筋;偏载为铰缝的最不利布载方式,最外侧铰缝为受力最大铰缝。     

空心板混凝土铰缝抗剪性能试验研究

为了研究空心板普通混凝土铰缝的抗剪性能,设计了测试铰缝抗剪性能的试验.对混凝土铰缝试件施加单调试验荷载,观察在剪力作用下试件受力全过程及破坏形态.试验表明,在试验加载作用下,设置抗剪钢筋的试件会在混凝土块和铰缝的结合面处开裂,而后抗剪钢筋屈服,试件破坏;抗剪钢筋不能提高混凝土铰缝开裂时的抗剪强度,但是试件开裂后能继续承受剪力,并提高铰缝的抗剪承载力.综合室内铰缝试件抗剪试验结果和相关文献研究成果的分析,建议了结合面光滑情况下的混凝土空心板铰缝抗剪强度和承载力的计算公式.     

薄开孔板连接件抗拔性能试验及理论研究

在试验研究基础上,对组合结构索塔中开孔板连接件的抗拔性能进行理论分析。组合索塔中连接件设计主要考虑抗拔性能。为避免剪坏纵向承重钢筋,需要采用薄板。设计了一批34个单孔薄开孔板连接件抗拔试验,通过反力架上方的穿心千斤顶顶升丝杠实现对连接件的拉拔作用,同时千斤顶的反作用也可以将反力架固定在混凝土基体之上。考察了板厚、开孔位置、钢筋在钢板孔中的相对位置、开孔直径、钢筋直径等参数对其抗拔性能的影响;通过对钢筋应变的检测,记录钢筋在薄开孔板连接件受力过程中的应力分布情况。总结薄开孔板连接件拔出过程和破坏形态规律,发现其表现为钢板破坏为主,钢筋在孔中位置对其承载力、刚度、延性等均有一定影响;得到了钢筋在连接件受力过程中的应力分布,发现钢筋在距中心7 cm的位置应力不超过50 MPa,推知并排放置的连接件之间互相影响很小。连接件初始及弹性加载阶段荷载-位移曲线特征研究表明,该连接件具有足够的初始刚度,为其工程应用提供了理论指导。最后,总结薄开孔板连接件受力机理,建立预测其抗拔承载力的计算公式,适用于开孔板连接件钢板部分的抗拔承载力,计算结果与试验符合良好。     

空心板深铰缝设计优化研究

空心板铰缝的纵向开裂甚而与预制空心板完全脱离,直接引发空心板梁桥横向联系失效,甚至引起"单板受力",给桥梁结构安全埋下隐患。针对现阶段空心板常用的深铰缝构造,从铰缝的病害成因出发,通过有限元数值模拟分析了空心板梁桥深铰缝在车辆荷载下的空间受力特性,在此基础上提出合理的优化措施,并进一步对优化措施进行计算验证。结果表明,通过合理的优化配筋和铺装层厚度可以提升铰缝抗弯、抗剪承载力,改善铰缝的工作性能。     

带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板受力性能试验研究

为研究不同剪力键条件下GFRP-混凝土空心箱型组合板的受力性能,进行了4个带剪力键组合板试件的静力弯曲试验,分析了开孔间距、截面形式等参数对试件破坏机制、极限承载力的影响,并得到了不同参数影响下试件的裂缝分布规律、荷载-应变曲线、荷载-滑移曲线、跨中沿截面高度应变分布的演化规律等内容。试验结果表明:试件破坏形态为跨中截面受压区混凝土被压碎;由于界面出现滑移导致剪力键破坏,但其整体工作性能良好,表明此新型组合结构具有良好的受力性能及协同变形能力;影响组合板受弯极限承载力的关键参数在于开孔间距大小,对比不同开孔间距试件,减小开孔间距能提高试件承载力,降低界面滑移;截面形式对于试件的极限承载力没有明显的影响,T形肋与矩形肋相比可以有效降低组合结构交界面的滑移量。基于试验结果并参考现行设计规范,提出了一种带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板抗弯承载力计算方法。计算值与试验值比较表明:所提方法可以有效预测GFRP-混凝土空心箱型组合板的抗弯承载力,且具有一定的安全储备,可供工程设计参考。     

波形钢腹板改进型埋入式剪力键受力性能试验研究

为确定波形钢腹板箱梁改进型埋入式剪力键的抗剪承载力及其影响因素,设计制作了6组试件进行推出试验,研究改进型埋入式剪力键在加载过程中的荷载~滑移特性、破坏形态,分析混凝土强度、波形钢板开孔直径和贯穿钢筋强度及直径等参数对抗剪承载力的影响,并采用MIDAS/FEA软件建立试件有限元模型,计算不同参数下剪力键的承载力,根据计算结果拟合承载力计算公式。结果表明:改进型埋入式剪力键的滑移过程可分为弹性、弹塑性和破坏3个阶段;波形钢板开孔直径和混凝土强度是影响埋入式剪力键极限承载力的主要因素,贯穿钢筋直径和强度及波形钢板厚度对承载力的影响相对较小;根据提出的承载力拟合公式计算的试件承载力和试验值基本吻合,且偏于安全。     

钢-UHPC组合结构中PBL剪力键力学性能研究

为探究钢-UHPC组合结构与普通钢-混组合结构中PBL剪力键力学性能的差异性,通过推出试验和有限元分析相结合的方法对其展开详细研究。首先,对9个UHPC试件和9个普通混凝土试件进行推出试验,根据2种混凝土试件中PBL剪力键的破坏形态、荷载-滑移曲线及应变分布规律揭示其失效机制及力学性能的差异,分析贯穿钢筋直径和钢板开孔数对PBL剪力键力学性能的影响;然后,采用试验结果验证的有限元模型开展参数分析,详细探讨UHPC强度、钢板开孔孔径、贯穿钢筋屈服强度和钢板厚度对PBL剪力键极限抗剪承载力的影响;最后,基于试验和有限元分析结果,提出考虑钢纤维的PBL剪力键极限抗剪承载力计算公式。结果表明：受钢纤维的影响,UHPC的裂缝发展受到限制,且较普通混凝土裂缝数量少、宽度小;UHPC试件中贯穿钢筋发生明显屈服,以剪切破坏为主;单孔PBL剪力键的极限抗剪承载力主要取决于贯穿钢筋直径,而受混凝土强度影响较小;多孔PBL剪力键的极限抗剪承载力主要取决于贯穿钢筋直径和混凝土强度;与普通混凝土试件相比,UHPC试件的抗剪刚度提升了2~3倍,双孔剪力键极限抗剪承载力约提高41%,三孔约提高56%;钢板开孔孔径、贯穿钢筋屈服强度和钢板厚度均是影响PBL剪力键抗剪承载力的因素;提出的PBL剪力键极限抗剪承载力计算公式计算结果与试验结果吻合度高。     

装配式空心板桥铰缝失效机理分析

装配式空心板桥梁应用广泛，铰缝的损坏是装配式空心板桥梁的一个常见病害，且对于铰缝失效机理存在争议，多数学者认为铰缝设计存在缺陷，铰缝的损伤是被横向拉应力“拉坏”的。对于老桥的调研，发现铰缝病害出现的比例很高，而对新桥的调研发现均未出现铰缝问题，若铰缝是“被拉坏的”，那么铰缝问题不能仅存在于老桥中，所以铰缝失效机理还有其他重要原因。利用ABAQUS建立详细的有限元模型，充分考虑了铰缝与空心板之间的接触、铰缝与空心板的连接钢筋，得出铰缝结构受力合理，其中连接钢筋的地位非常重要，若连接钢筋发生锈蚀，铰缝的受力便出现缺陷，所以得出结论：铰缝病害是连接钢筋的锈蚀而引起的。     

基于BP神经网络的钢-混组合结构PBL剪力键承载力

为实现钢-混组合结构PBL剪力键极限承载力的准确预测,通过分析既有推出试验结果,对PBL剪力键的作用机理及破坏模式进行总结,确定PBL剪力键纵向抗剪承载力的主要影响因素为开孔直径、钢板厚度、混凝土抗压强度、贯穿钢筋直径、钢板屈服强度等.以神经网络理论为基础,选用误差反向传播(BP)神经网络算法模型,选取钢板厚度、开孔直...     

空心板桥火灾后喷射混凝土-粘贴钢板耦合加固施工关键技术研究

为了研究基于火灾后空心板的承载力评估和诊治处理施工方案,提出了空心板底板喷射混凝土-粘贴钢板耦合加固方案,采用ABAQUS分析了简支空心板底板的局部温度场应力状态,以13跨简支空心板桥为研究背景,制订了针对性的加固比选方案并最终确定最优化施工方案,并基于Eurocode规范对全桥承载力进行了承载力分析和评估。新计算结果表明,火灾后结构的整体抗弯刚度可满足要求,随着火灾部位保护层剥落,钢筋锈蚀会影响结构的耐久性,桥梁正常使用极限状态承载力会受到较大影响,需要对结构进行耐久性加固。喷射混凝土能快速加固受损的混凝土结构,截面损伤补偿后,粘贴钢板可以提高结构的抗弯刚度储备。其研究成果及关键应用技术给桥梁加固工程提供较好的参考价值。     

多排开孔钢板剪力键群受剪性能研究

采用有限元软件Abaqus,对多排开孔钢板剪力键群的抗剪性能进行模拟研究。考察不同参数(混凝土强度、贯穿钢筋直径、开孔孔径、开孔排数、开孔距离、钢板厚度)对PBL剪力键承载力的影响及其影响规律,同时研究了多排PBL剪力键内力分布规律。结果表明:混凝土强度越大,PBL剪力键承载力越大,同时较迟进入强化阶段;增大钢筋直径在提高PBL剪力键承载力的同时也提高了其屈服后的刚度,且钢筋直径与PBL剪力键承载力呈二次函数关系;孔距不变时增大孔径,PBL剪力键承载力将先增大后减小,这是由于孔距未满足最小孔距要求;开孔排数增多会明显提高PBL剪力键承载力和初始刚度,且开孔排数与承载力呈线性关系;钢板厚度基本不影响承载力;当PBL剪力键的排数达到一定界限以上时,前4排承担了90%的外力,当排数较少时,不同排的剪力键承担的剪力分布为哑铃型。     

型钢-混凝土组合加固技术在空心板桥中的应用

装配式空心板桥由于铰缝损伤而出现"单板受力"问题,为增强梁板间的横向连接,提出型钢-混凝土组合加固技术,以寿昌江二号桥(装配式预应力钢筋混凝土简支空心板桥)为背景,简述该技术在该桥中的应用。型钢-混凝土组合加固是在沿梁底铰缝两侧设置剪力键,纵向锚贴U形钢板,并在U形钢板和铰缝间灌注高强自密实灌浆料。为检验加固效果,对该桥第2跨进行加固前、后的静载试验。结果表明:加固后该桥跨中应变平均降低20%,挠度平均降低25%以上,桥梁的刚度有所提升;加固后1号板的横向分布系数增大,1号与2号梁板间的铰缝损伤得到修复。实践证明,型钢-混凝土组合加固技术可增强主梁间的横向联系,能有效解决"单板受力"问题。     

开孔板连接件布置方法试验研究

基于42个推出模型试验数据,对组合结构桥梁中开孔板连接件的布置方法进行研究。结果表明:混凝土强度增加可以提高开孔板连接件抗剪承载力随孔径增加的增长率;孔径和孔中钢筋直径相互匹配能有效提高开孔板连接件的抗剪承载力;混凝土板厚度、开孔板板厚、板高和板间距对抗剪承载力影响较小;为充分发挥开孔板连接件的抗剪能力,实际结构中开孔板厚度宜大于8 mm,板间距不宜小于5.5倍孔径。     

空心板梁铰接缝模型有限元仿真数值分析

通过三组模型试验结果和计算机仿真计算分析了空心板铰缝实际受力情况及荷载横向分布比较。计算分析表明,空心板结构在外荷载作用下,铰缝处于底面受拉,顶面受压,竖向伴随着受剪的复合应力状态,铰缝横向弯曲性明显。铰缝间设置钢筋后,可以明显提高空心板横向连接效果,其中以交叉斜门筋最为显著。     

开孔板连接件抗剪性能参数敏感性分析

开孔板连接件是指在钢板适当位置开圆孔,将混凝土灌入圆孔中形成混凝土榫,依靠圆孔中混凝土承担钢与混凝土间作用力的新型连接件。影响开孔板连接件抗剪性能的主要因素有开孔板的孔径、贯通钢筋直径、混凝土强度等,基于混凝土弹塑性断裂-损伤模型,建立开孔板连接件数值模型,针对此3个因素进行参数分析,研究了其抗剪性能,取得了较好的效果。     

装配式组合梁桥开孔钢板连接件抗剪性能

为建立适用于装配式钢-混组合梁桥的间断式开孔钢板连接件的极限承载力和初始刚度的设计计算方法,共设计3组8个间断式开孔钢板连接件与1个传统开孔钢板连接件推出试件,分别研究端部承压面、开孔孔径、贯穿筋直径与混凝土强度对间断式开孔钢板连接件的极限承载力及初始刚度的影响;利用非线性有限元模型对间断式开孔钢板连接件的受力机理、破坏过程和承载能力进行仿真模拟,并通过与试验结果进行对比分析验证仿真结果的可靠性;以试验中的变量设置为基础,增加参数取值范围,建立并分析162个非线性实体有限元模型,通过对分析结果进行多变量回归分析,提出适用于间断式开孔钢板连接件的初始刚度及极限承载力的计算表达式。结果表明：间断式开孔钢板连接件的荷载-滑移曲线分为弹性段、塑性段及下降持力段3个阶段,前2个阶段荷载主要由孔中混凝土隼、贯穿筋及端部承压混凝土共同平衡,下降持力段荷载则主要由上侧贯穿筋承担;试件极限承载力及初始刚度约为同尺寸传统开孔钢板连接件的2倍,并随开孔孔径、贯穿筋直径与混凝土强度的增加而提高;所建立的初始刚度与极限承载力计算公式与试验值吻合较好,研究结果对间断式开孔钢板连接件在装配式钢-混组合梁桥中的应用具有参考价值。     

混合梁桥大规格开孔板剪力键受力性能试验研究

为研究混合梁桥大规格开孔板剪力键(PBL剪力键)的荷载~滑移特性和承载能力,制作11种不同开孔直径(40,60,80mm)和贯穿钢筋直径(0,16,22,28,32mm)的PBL剪力键试件进行承载力试验,研究试件的荷载~滑移特性、极限承载力及开孔直径和贯穿钢筋直径对承载力的影响,并根据试验结果拟合承载力计算公式。结果表明:对于大规格PBL剪力键,贯穿钢筋直径较大时,PBL剪力键的荷载~滑移曲线分为弹性段、弹塑性段和强化段3个阶段;无贯穿钢筋和贯穿钢筋直径较小时,PBL剪力键的荷载~滑移曲线分为弹性段、弹塑性段、下降段和残余承载力段4个阶段;PBL剪力键的承载力随开孔面积的增大而增大,随贯穿钢筋面积的增大线性增大;拟合的承载力计算公式具有较高的安全余量和保证率,计算结果与试验结果吻合较好。     

预制空心板梁桥铰缝加固试验研究

空心板梁桥在公路桥梁中应用广泛,但随着使用年限增加,板梁铰缝及其附近铺装层发生破坏,严重时导致单板受力。采用加厚重做混凝土铺装层的方法对破损铰缝进行加固,制作了3组板梁加固节点的足尺模型,开展了不同受力模式下的静力加载试验,得到了加固后铰缝部位的破坏模式和极限承载力。结果表明:铰缝与板梁交界面率先发生开裂之后,试件的最终破坏均表现为混凝土铺装加固层的弯曲或剪切破坏,且不同破坏模式下的铰缝节点均表现出较好的延性。与基于全桥实体有限元分析得到的铰缝截面最不利内力设计值相比,加固后铰缝节点的抗弯和抗剪承载力分别高出3倍和1倍,该加固方法可在工程实践中推广应用。