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。     

钢-混组合梁剪力钉抗剪性能试验研究

为研究钢—普通混凝土与钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪强度及破坏形式,根据某实际钢—混组合桥梁结构,设计2种钢—混组合梁剪力钉试件进行极限抗剪强度推出试验,根据试验结果拟合试件荷载～滑移曲线,并与不同规范计算得到的剪力钉抗剪承载力进行比较分析.结果表明:钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪承载力较钢—普通混凝土组合梁剪力钉高约16％;其极限承载力对应的滑移值约为钢—普通混凝土组合梁剪力钉的2～2.5倍;钢—钢纤维混凝土组合梁破坏特征为剪力钉全部被剪断,钢—普通混凝土组合梁破坏特征为混凝土被压裂.由各公式得到的试件抗剪承载力均偏于保守.     

集束式长短剪力钉抗剪承载力计算方法

为给新型预制拼装钢-混组合梁桥设计施工提供参考,针对该类桥采用集束式长短剪力钉的布置特点,考虑剪力钉不同直径、长度、强度和混凝土强度等因素,开展集束式长短剪力钉的抗剪性能、极限承载能力有限元分析和试验研究。采用推出试验的方法,设计制作18个剪力钉推出试件,考察剪力钉长度和直径对集束式长短剪力钉抗剪极限承载力的影响,提出集束式长短剪力钉的群钉荷载-滑移曲线公式。同时,考虑混凝土、剪力钉、钢梁和钢筋的材料非线性,采用ANSYS软件建立推出试验的有限元模型,分析混凝土强度、剪力钉强度、剪力钉相对位置、混凝土板厚等参数对集束式长短剪力钉抗剪力学性能的影响规律,提出集束式长短剪力钉的单钉极限抗剪承载力计算公式。研究结果表明：短剪力钉的直径和抗拉强度、混凝土强度对集束式长短剪力钉的抗剪承载力和刚度有明显影响;而短剪力钉的长度、长短剪力钉的相对布置位置和混凝土板厚对集束式长短剪力钉的抗剪承载力和刚度影响较小;提出的计算公式计算值与试验值吻合较好。     

UHPC中短栓钉抗剪性能试验及理论分析

为深入研究超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）中短栓钉的抗剪性能,提出精细化的计算理论和方法,指导工程设计,共完成9个静力推出试验。试件参数包括短栓钉直径、界面处理情况以及加载方式。根据试验受力模式,提出了一种三维精细有限元分析模型,利用ABAQUS显式分析方法,探讨焊缝形式、短栓钉直径、短栓钉高度、UHPC强度等参数对UHPC中短栓钉抗剪性能的影响。最后结合试验数据及有限元分析结果提出UHPC中短栓钉荷载-滑移全曲线实用经验公式和抗剪承载力计算公式。试验及分析结果表明：短栓钉抗剪承载力主要受短栓钉直径和焊缝形式的影响,随短栓钉直径的增大而提高,有限元中模拟焊缝相比于不模拟焊缝时短栓钉抗剪承载力提高48%~93%;短栓钉抗剪刚度主要受短栓钉直径和界面处理情况的影响,界面黏结将提高抗剪刚度;加载方式（单调加载和循环加载）、短栓钉高度和UHPC强度对短栓钉抗剪性能影响较小;2种不同直径短栓钉最大滑移均不超过4 mm,设计时可按照弹性连接件设计方法计算;收集的国内外68组有效试验数据与理论计算结果吻合度较高;建议取0.3P_u~0.4P_u（短栓钉抗剪承载力）处的割线刚度平均值作为UHPC中短栓钉抗剪刚度,抗剪刚度试验值与理论计算结果对比表明该方法具有较高的精度。     

装配式组合梁剪力钉抗剪承载力研究

为给装配式组合梁剪力连接件的设计施工提供参考,针对装配式组合梁中剪力钉的布置特点,考虑荷载作用等级和剪力钉数量的影响,进行纵向荷载作用下剪力钉连接件的抗剪性能和极限承载力试验研究。采用推出试验的方法,设计了2类共24个剪力钉推出试件,考察试件从受载到破坏全过程的抗剪机制,再利用约束混凝土基本力学原理对试件剪力钉核心区的混凝土进行力学分析从而提出其承载力设计算法,并将计算结果与试验结果进行对比分析。结果表明:相对于常规剪力钉试件,同规格装配式剪力钉试件抗剪承载力高20%以上,峰值滑移增加近1倍,混凝土板裂缝扩展不明显;弹性阶段2类试件荷载-滑移规律相差不大,弹-塑性阶段装配式剪力钉试件荷载-滑移曲线的峰值点向上向后移,破坏阶段装配式剪力钉试件的整体性保持较好;计入混凝土约束增强作用后的承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好,且安全富余度满足规范要求。研究显示,剪力钉周围混凝土受到的约束作用对其纵向抗剪承载力和延性的提高有重要贡献。     

考虑疲劳损伤的栓钉连接件抗剪承载力研究

针对钢-混凝土组合梁桥在结合面处承受反复剪力作用的栓钉连接件极限承载力降低现象进行了试验研究。基于考虑构件初始缺陷影响的断裂力学方法,建立了栓钉连接件疲劳寿命分析模型,并通过试验数据确定了模型参数,提出了栓钉连接件残余抗剪承载力与等幅循环荷载加载次数关系的计算方法,采用此计算方法对不同的影响因素进行了参数分析。研究结果表明:栓钉直径越大,其抗剪承载力退化程度越大;栓钉初始缺陷率大于0.1且剪应力幅值大于100MPa时,其抗剪承载力降低速度很快,在工程设计中须加以控制。     

体内预应力组合梁裂缝宽度静力及疲劳试验研究

针对混凝土翼板内配置后张有粘结预应力筋的负弯矩区组合梁,进行7个简支试件的静力及疲劳试验,试验考虑了不同预应力度、不同栓钉间距,且混凝土翼板中配置有体积配纤率分别为0%、0.8%和1.5%的钢纤维。试验表明,极限状态时各试件的裂缝分布相似,裂缝平均间距在80~110 mm范围内。分析认为,影响裂缝宽度的因素包括预应力度、配纤率、力比、连接度、配筋率及栓钉间距等,提出考虑上述因素的最大裂缝宽度经验计算公式。疲劳试验中,运用测试动力参数的方法,分析混凝土裂缝和疲劳损伤随荷载循环的变化,结果表明,预应力钢纤维混凝土-钢组合梁带裂缝工作时具有良好的疲劳稳定性,180万次的循环加载损伤度增大约20%。     

型钢-混凝土组合梁桥面连续的抗裂性能研究

设计型钢-混凝土组合梁桥桥面连续结构的局部足尺模型,针对其抗裂性能进行试验研究和有限元分析.试验结果表明,传统桥面连续构造的抗裂性能差,在较低荷载下便会出现开裂;裂缝分布集中在桥面连续区域1.2m范围内,裂缝数量少;试件破坏模式是剪力钉被剪断随后连接板钢筋屈服.有限元分析结果表明,与不考虑滑移的梁相比,考虑滑移的组合梁的开裂荷载将提高,极限荷载取决于剪力连接件抗剪强度;栓钉间距、连接板厚度的增加能提高桥面连续的开裂荷载和极限承载力,栓钉直径对桥面连续的开裂荷载影响不大,但对其承载力影响较大;连接板底部与钢梁做无黏接处理可以大幅提高桥面连续开裂荷载.     

组合剪力连接件的抗拉承载力有限元分析

为研究组合剪力连接件在PBL高度,贯通钢筋直径,孔径大小,栓钉直径对抗拉承载力和荷载-滑移曲线的影响,使用有限元软件ABAQUS建立组合剪力键模型,通过现有试验对比验证可行性并进行参数化分析。结果表明：增加PBL高度、贯通钢筋直径、开孔孔径、栓钉直径能提高抗拉承载力。其中,增加PBL高度对抗拉承载力的增幅效果并不显著;开孔孔径与承载力之间并不是呈线性增长关系;当贯通钢筋直径从12mm增加至16mm时,构件的承载力有了显著提升;栓钉直径提升至16mm时,构件的极限承载力明显增大;根据叠加原理,建立了组合剪力连接件抗拉承载力计算公式,计算值与数值模拟结果吻合度较高。     

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。     

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。     

不同剪力连接度下装配式钢-混组合箱梁受力性能试验研究

采用预制桥面板和集簇式栓钉连接的装配式钢-混组合梁桥,可减少现浇工序,加快施工速度。文中为研究剪力槽孔间距及剪力钉数量对组合梁共同工作程度的影响,制作4片采用不同簇钉群连接参数的钢-混组合箱梁,进行抗弯弹塑性全过程加载试验,研究剪力连接度对组合梁结构受力性能的影响。结果表明,当组合梁剪力连接度由1降低到0.65时,组合梁受弯承载力减少17%;当组合梁剪力连接度大于1时,受弯承载力基本未增加,而结构延性有所下降。在界面滑移方面,随剪力连接度增大,界面滑移量则明显减少。在破坏模式方面,剪力连接度越大,预制混凝土板的纵向劈裂及局部压溃,可能成为破坏控制条件;反之,栓钉剪断及钢梁破坏易成为结构失效控制条件。     

装配式钢-UHPC组合梁群钉连接件受力性能研究

为研究装配式钢-UHPC组合梁中群钉连接件在不同应力状态下的结构性能,开展了三组群钉连接件的推出试验和两组拉剪试验,考虑栓钉间距、高径比和拉剪比对UHPC中群钉连接件破坏形态、承载能力和延性的影响,提出UHPC中群钉连接件荷载-滑移关系表达式。结果表明：推出试验和拉剪试验的破坏模式均为栓钉被剪断;剪切荷载下,减小栓钉间距会降低群钉连接件的承载力和延性,栓钉高径比对极限承载力和相对滑移的影响较小,短栓钉在UHPC中仍能发挥其抗剪性能,建议群钉连接件中栓钉间距不小于4倍栓钉直径,UHPC板中群钉连接件采用弹性理论进行设计。拉剪荷载下,拉剪比为0.17时拉力作用对群钉连接件受力性能影响可忽略,拉剪比为0.27时拉力作用明显削弱了UHPC板中群钉连接件的承载能力和延性。提出的荷载-相对滑移关系的计算模型能够准确的描述UHPC板中群钉连接件的行为。     

预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究

为探究火灾对预应力混凝土空心板梁受力性能的影响机理,制作10片跨径13 m的预应力混凝土空心板梁进行火灾模拟试验和火灾后的静力加载试验,分析火灾过程中及火灾后的试件状态、梁体内部温度及火灾后的剩余承载能力。结果表明:火灾初期梁体受火面混凝土会随机性爆裂,爆裂削减了钢绞线的混凝土保护层厚度,导致钢绞线火灾中温度显著升高;随着火灾时间增长,梁体腹板中部出现竖向裂缝,梁体逐渐下挠,内部温度逐渐升高,但高温影响区主要集中在距受火面10 cm以内。火灾后梁体剩余承载能力跟火灾持续时间有一定的关联性,但关键取决于火灾中钢绞线经历的最高温度;钢绞线的混凝土保护层爆裂越严重,保护层厚度越薄,钢绞线经历的温度越高,火灾后梁体承载能力损失越严重。     

大跨闭口钢箱组合梁组合桥面板有效宽度研究

为研究大跨度闭口组合钢箱梁组合桥面板的有效宽度系数变化规律,依托G1503高速公路跨吴淞江大桥建立了组合连续钢箱梁桥有限元模型,分析了不同桥梁跨度、不同箱室宽度下的跨中截面和中支点截面有效宽度系数变化规律,对比了钢桥面板和混凝土桥面板有效宽度的差异,给出了混凝土桥面板有效宽度系数建议取值。结果表明,组合桥面板的钢桥面板和混凝土桥面板横断面应力分布规律相似。钢桥面板的有效宽度与规范规定基本相等,跨中断面小约0.41%,支点断面小约4.13%;混凝土桥面板的有效宽度与规范规定差异较大,跨中断面小约3.25%,支点断面小约27.9%。组合桥面板的钢桥面板有效宽度比混凝土桥面板有效宽度大,跨中断面相差0.51%,支点断面相差5.9%,混凝土桥面板有效宽度系数可参考钢桥面板有效宽度系数折减0.9倍取值。     

承受正弯矩作用的钢-混凝土组合桥面板受力性能试验

东平大桥桥面板采用钢-混凝土组合结构形式,剪力连接件采用开孔钢板,混凝土中添加钢纤维。对1片处于正弯矩区域的组合桥面板进行试验,结果表明,这种形式桥面板在使用荷载作用下结构变形小,具有较大的刚度;在疲劳荷载下,结构的刚度衰减较小;结构破坏时具有较高的承载能力,安全储备较高。     

不同承台结构形式对大跨刚构桥抗震性能的影响分析

为探究高烈度区不同承台结构形式对大跨预应力混凝土连续刚构桥梁抗震性能的影响,以某座108 m+188 m+108 m双幅双肢薄壁墩连续刚构桥为工程背景,采用时程分析方法对该桥进行三向激励,对比研究纵联横离式、纵联横联式、纵离横离式、纵离横联式共4种承台结构形式对两幅桥墩柱和桩基内力、位移动力响应的影响。结果表明：采用纵离的承台形式在纵向地震下,桩基内力需求降低了30%~70%,墩柱内力需求降低了26%~33%,且与纵联的承台形式相比,桩身拉力减少较多;采用横联的承台形式在横向地震下,桩身轴力需求降低11%,且基本不存在拉力,桩基和墩柱的内力响应虽分别增大30%和16%,但与纵向减小量的相比,增加幅度较小。因此,为提高特大桥全寿命周期的安全性和经济性,对于以地震响应为控制设计核心要素的高烈度区大跨连续刚构桥梁,建议采用纵离横联式的承台结构形式。     

三向预应力混凝土箱梁桥拓宽改造箱梁翼缘板连接结构研究

为解决三向预应力混凝土连续箱梁桥拓宽时的拼接难题,提出一种适用于箱梁翼缘板横向拼接的嵌入式钢板连接结构,以京沪高速公路盐河大桥为背景进行研究。采用MIDAS FEA软件建立全桥有限元模型,分析该结构在混凝土收缩徐变差、基础沉降差、车道荷载作用下的结构响应、横向传力机理,并对若干影响参数进行敏感性分析。结果表明:该连接结构能够形成横向传力通道,有效吸收新、旧桥间发生的纵向变形差异作用,满足横向拼接需要,结构可行;嵌入式钢板通过区域应力状态的连续改变完成了内力横向传递;嵌入式钢板厚度、布置间距、拼接缝宽度对钢板的应力影响明显,而钢板宽度对其影响相对较小。     

钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能试验

为研究钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能,考虑华夫板板肋高度比、纵筋配筋率以及采用抗拔不抗剪栓钉连接件对钢-UHPC华夫板组合梁的破坏模式、裂缝发展规律及承载能力的影响,采用跨中单点加载方式完成了4根钢-UHPC华夫板组合梁试件在负弯矩作用下的静力加载试验。基于简化塑性理论,并考虑将UHPC受拉区的拉应力分布等效为均匀应力分布,提出了负弯矩区钢-UHPC华夫板组合梁的极限抗弯承载力计算方法。研究结果表明：负弯矩作用下,4根钢-UHPC华夫板组合梁试件的破坏形态均为典型的弯曲破坏;极限状态下,华夫板内纵向受拉钢筋屈服,钢梁上翼缘受拉屈服,钢梁下翼缘受压发生局部屈曲,华夫板跨中主裂缝贯通,其余裂缝呈现密集分布且纤细的特点。保证华夫板总高度90 mm不变,板肋高度比由1∶1减小为1∶2会加剧华夫板的裂缝开展,使试件的开裂荷载和初始刚度略有降低,但承载能力基本不变。华夫板配筋率增大1.05%,试件的承载力与刚度分别提高18.4%与7.7%,并且有助于约束华夫板的裂缝宽度。采用抗拔不抗剪栓钉连接件可在一定程度上抑制试件在正常使用阶段时的裂缝开展,但会导致试件承载力、刚度和延性下降,下降幅度分别为6.9%、9.6%和19.7%。根据所提出的钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区极限抗弯承载力的理论计算公式所得的计算值略低于试验值,且相对误差在10%以内。