爆炸荷载下高性能混凝土防护钢筋混凝土矩形墩动态力学响应研究

为揭示高性能混凝土(High-Performance Concrete, HPC)防护钢筋混凝土矩形墩在爆炸冲击荷载作用下的动态力学响应及损伤机理，以某跨大堤连续刚构桥钢筋混凝土矩形墩为研究对象进行有限元分析。基于K&C和C&S材料动态本构模型，采用ANSYS/LS-DYNA建立HPC防护前、后的钢筋混凝土矩形墩数值分析模型，对比分析爆炸荷载作用下HPC防护前、后钢筋混凝土矩形墩的动态力学响应，研究防护层厚度(20、30、40 cm)、TNT当量(275、300、325、350 kg)、TNT爆炸距离(10、9、8.5 m)对桥墩抗爆性能的影响。结果表明：HPC防护层能够提升钢筋混凝土矩形墩抗爆性能；采用40 cm厚防护层时，桥墩未出现大面积损伤；TNT当量是影响桥墩损伤特征的重要因素，TNT当量增至350 kg时，桥墩变形、箍筋及主筋应力均显著增加；同等防护条件下，桥墩损伤区域随TNT爆炸距离的减小而显著增加。进行桥墩抗爆防护设计时，应以TNT当量和TNT爆炸距离等条件为基础，设置合理的设防目标。     

近场爆炸时预应力混凝土梁体抗爆分析（双语出版）

为了研究预应力混凝土梁在爆炸荷载下的动力响应、破坏模式以及不同预应力条件对结构抗爆性能的影响，结合流固耦合理论，采用LS-DYNA有限元软件建立预应力混凝土梁实体模型，开展不同炸药条件，不同预应力度和不同爆心位置条件下的预应力混凝土梁体结构抗爆分析。结果表明：①混凝土梁体的破坏模式随炸药当量的增加而变化，小当量炸药条件下，混凝土梁体表现为传统的受弯构件，随着炸药当量增加，梁体迎爆面出现压溃破坏，继续增大炸药当量，梁体迎爆面压溃引起的混凝土剥离面积和深度增大，导致截面抗压能力减弱，梁体由适筋设计的塑性破坏转为脆断；②当中等炸药当量在梁上方爆炸时，按抗弯要求设置的预应力效应能提高抗爆能力10%左右，反之，当其在梁体下方爆炸时，由于预应力效应的不利叠加会导致梁体抗爆能力明显下降；③对于同等炸药当量条件下沿梁跨径方向不同位置的爆炸，跨中爆炸时梁体受力最为不利，爆点位于支座处梁体上方时，由于支座的边界约束作用，梁体动力响应和损伤较小；④同等炸药当量条件下，爆心相对梁体上下位置的改变将引起预应力混凝土梁体破坏模式的改变；⑤灌浆对预应力混凝土梁体的抗爆性能影响不明显，有黏结预应力和无黏结预应力混凝土梁体在不同爆炸荷载作用下表现出相似的动力特性和力筋应力增量变化规律。     

近场爆炸时预应力混凝土梁体抗爆分析

为了研究预应力混凝土梁在爆炸荷载下的动力响应、破坏模式以及不同预应力条件对结构抗爆性能的影响,结合流固耦合理论,采用LS-DYNA有限元软件建立预应力混凝土梁实体模型,开展不同炸药条件,不同预应力度和不同爆心位置条件下的预应力混凝土梁体结构抗爆分析。结果表明:①混凝土梁体的破坏模式随炸药当量的增加而变化,小当量炸药条件下,混凝土梁体表现为传统的受弯构件,随着炸药当量增加,梁体迎爆面出现压溃破坏,继续增大炸药当量,梁体迎爆面压溃引起的混凝土剥离面积和深度增大,导致截面抗压能力减弱,梁体由适筋设计的塑性破坏转为脆断;②当中等炸药当量在梁上方爆炸时,按抗弯要求设置的预应力效应能提高抗爆能力10%左右,反之,当其在梁体下方爆炸时,由于预应力效应的不利叠加会导致梁体抗爆能力明显下降;③对于同等炸药当量条件下沿梁跨径方向不同位置的爆炸,跨中爆炸时梁体受力最为不利,爆点位于支座处梁体上方时,由于支座的边界约束作用,梁体动力响应和损伤较小;④同等炸药当量条件下,爆心相对梁体上下位置的改变将引起预应力混凝土梁体破坏模式的改变;⑤灌浆对预应力混凝土梁体的抗爆性能影响不明显,有黏结预应力和无黏结预应力混凝土梁体在不同爆炸荷载作用下表现出相似的动力特性和力筋应力增量变化规律。     

钢筋混凝土墩柱抗爆性能试验

为了研究爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土墩柱的动力响应特性、损伤破坏模式及破坏机理,考虑不同截面形式、长细比、混凝土类型、箍筋形式、轴压比5个参数,设计制作了11根钢筋混凝土墩柱试件,通过逐渐增大炸药量、减小炸药与墩柱的间距控制爆炸比例距离,进行中场爆炸及接触爆炸试验,同时基于霍普金森相似律,拟合得到了超压峰值与比例距离之间的关系公式。研究结果表明:非接触爆炸作用下,增大墩柱截面面积、使用钢纤维混凝土、方形截面形式、螺旋箍筋等措施能减小截面应变和抑制裂缝的发生,增强墩柱的抗爆性能;接触爆炸作用下,钢筋混凝土墩柱极易在炸药接触位置发生冲切破坏,局部损伤破坏非常严重,同时墩身出现了大量横向贯穿裂缝,接触爆炸下方形截面和轴向力对墩柱的抗爆性能不利;拟合关系公式可供工程结构抗爆设计人员参考,研究结果可供制定桥梁抗爆及其防护规范参考。     

钢筋混凝土桥面板疲劳数值分析方法

为了模拟车辆荷载作用下桥面板的疲劳损伤退化过程,提出了针对公路钢筋混凝土桥面板疲劳失效过程的数值分析方法。首先在各国相关试验与研究的基础上,通过编制合理的荷载谱,将复杂的车辆荷载进行简化等效;然后提出了高周循环荷载下受弯构件中钢筋与混凝土材料的疲劳本构关系,基于ABAQUS软件对一试验板建模分析,验证了疲劳本构关系的正确性;最后,对某实际钢筋混凝土桥面板进行疲劳数值分析与疲劳寿命预测。结果表明：该桥面板的抗疲劳寿命满足要求;所建立的材料疲劳本构关系能够有效模拟钢筋和混凝土在循环加载过程中力学性能的衰减规律。     

钢-混凝土组合梁斜拉桥桥面板纵向抗剪机理研究与构造设计

组合梁斜拉桥的混凝土板常出现纵向开裂的问题,通过对纵向剪切破坏的原因分析,研究纵向抗剪机理,以重庆水土嘉陵江大桥为工程实例,在桥面板横向钢筋布置上增设了短钢筋,解决了桥面板纵向抗剪的问题,提出了设计建议。     

BFRP筋混凝土桥面板受弯性能研究

为探究将BFRP筋引入到桥面板结构配筋中是否合理,分别设计相同配筋率下的普通钢筋配筋、BFRP筋配筋,以及普通钢筋和BFRP筋混合配筋的3组不同配筋形式的混凝土桥面板对比试件,对试件进行受弯性能试验研究。分析各组试件的开裂和极限荷载、裂缝开展、破坏模式、混凝土应变等。试验结果表明,同等条件下,BFRP筋混凝土桥面板较钢筋混凝土桥面板具有更大的挠度和裂缝宽度,应将挠度和缝宽作为BFRP筋混凝土结构正常使用状态下设计的重要控制指标,且含BFRP筋的混凝土桥面板结构更容易发生斜截面破坏,故该类结构应用时应加强抗剪设计。     

碰撞荷载下钢筋混凝土动力本构模型研究

为了得到结构在动荷载下的真实响应,需要以合理的动力本构模型为依据,进行非线性有限元分析。首先介绍了用于船舶撞击桥梁的几种使用较多的混凝土动力本构模型:钢筋混凝土损伤模型、弹塑性帽盖模型、TCK模型、RHT模型、HJC模型;然后采用LS-DYNA软件进行了2组仿真分析:刚性小球与混凝土靶墙碰撞试验和重锤与钢筋混凝土梁碰撞试验;针对上述各种混凝土动力本构模型分别进行试验仿真,并将计算得出的动态撞击力-时间曲线和位移-时间曲线与试验数据进行了对比分析,发现钢筋混凝土损伤模型对结构裂缝发展和混凝土损伤变化的仿真更接近试验结果,更准确地考虑了构件配筋率对撞击力的影响。在此基础上,对钢筋混凝土损伤本构关系进行了参数敏感性分析,并提出了考虑多种影响因素的撞击力公式。研究结果表明:最大撞击力随着配筋率和钢筋屈服强度的增加而增大,在船-桥碰撞分析中应考虑其影响。     

预应力混凝土连续梁桥桥面爆炸损伤试验研究

为了研究桥面爆炸荷载作用下预应力混凝土连续T梁桥的抗爆性能,进行了2×8 m两跨预应力混凝土连续T梁桥模型的野外爆炸试验,并结合数值模拟的方法,研究了不同爆心位置和桥面爆炸荷载作用下预应力混凝土连续T梁桥的动力响应、破坏模式及损伤程度。研究结果表明：跨中桥面上方发生爆炸时,预应力混凝土连续T梁桥桥面破坏形态均表现为桥面板混凝土破碎开洞、T梁腹板和梁底混凝土崩落,属局部冲切破坏;中墩墩顶上方发生爆炸时,预应力混凝土连续T梁桥桥面未发生严重毁伤,邻近中支点的横隔板出现由顶部爆心轴线处向横隔板底放射形扩散的裂缝。相同药量和爆心高度下,桥面中梁跨中爆炸时中梁底加速度峰值最大,桥面边梁跨中爆炸时中梁底加速度峰值最小;提升混凝土强度、箍筋加密布置、施加预应力和增大宽跨比等能一定程度地提高主梁的抗爆性能;研究成果可供梁桥的抗爆防护设计参考。     

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。     

UHPC双向板抗冲切性能试验

为明确超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）双向板在局部荷载作用下的抗冲切性能,以UHPC强度、板厚、配筋率、局部加载面积和加载位置为试验参数,对9块四边简支UHPC双向板进行抗冲切破坏试验,分析UHPC双向板的冲切破坏机理和各试验参数对板抗冲切性能的影响规律。结果表明：试件均发生钢筋屈服后的冲切破坏,板底出现环形裂缝且板内形成冲切锥体;冲跨比小于7时,冲切破坏面倾角和名义抗冲切强度均随冲跨比增加而减小,而冲跨比大于7时,则其基本不变;UHPC强度等级从120 MPa提高到150 MPa时,板的抗冲切承载能力提高5.5%;当板厚由60 mm增加至80 mm和100 mm时,板的抗冲切承载能力分别提高69.7%和1.883倍;相较于1.31%配筋率的试件,2.57%配筋率的试件的抗冲切承载能力提高14.9%;与方形加载板边长为70 mm的试件相比,边长为90 mm试件的抗冲切承载能力提高9.8%;与中部加载试件相比,边部和角部加载试件的抗冲切承载能力分别提高15.3%和13.1%。为避免UHPC双向板发生钢筋网格内的冲切失效,板底受拉钢筋间距不应大于加载板边长与1.15倍有效板厚的和。基于试验结果和相关文献,评估了现有抗冲切承载力计算公式的适用性,并引入冲跨比考虑局部荷载偏置的影响,提出了适用范围更宽的UHPC板抗冲切承载能力计算公式。     

超高车辆撞击下预应力混凝土空心板桥损伤机理及撞后承载力研究

为研究超高车辆撞击预应力空心板桥的损伤破坏机理及被撞主梁承载力的变化规律,建立精细的预应力空心板桥-双轴卡车碰撞有限元模型,其中车辆模型采用美国国家碰撞分析中心建立的标准双轴卡车模型,并用足尺模型试验结果对空心板桥模型承载力进行验证。分别考虑车辆速度、载质量、超高高度、撞击角度和混凝土强度等因素,采用显式动力分析软件LS-DYNA进行不同参数下超高车辆-桥梁的碰撞分析（共计13种工况）。研究结果表明：在超高车辆撞击作用下,桥梁整体位移和变形较小,空心板桥主要发生局部型损伤,碰撞区域混凝土剥落,部分普通钢筋及预应力钢筋外露甚至屈服退出工作,车辆的碰撞速度、碰撞角度以及结构自身的材料强度对于空心板局部损伤影响较明显;在不同车辆撞击参数下,被撞主梁的竖向抗弯承载能力损失水平都在15%以内,30°角为最不利的撞击角度,损伤结构的承载力下降达14%;混凝土强度为C30时空心板桥撞损后的承载力下降比例要大于C40及C50。在主梁预应力筋因撞击退出工作的情况下,被撞梁的竖向承载性能及变形刚度均明显降低,其中车辆撞击侧预应力底板束失效情况下,竖向承载力仅为损伤前承载力的65%;底板束和腹板束同时失效时,主梁在自重作用下出现整体垮塌。对于预应力空心板桥,需高度重视撞后预应力筋损伤破坏对主梁承载力的影响,在桥梁防撞设计中应予以充分考虑。     

基于抗震性能加固拱桥的力学特性分析

该文阐述了某病危拱桥病害产生的机理,采用空间杆系分析方法,借助计算程序TDAPⅢ建立空间模型,对该桥加固前后基于抗震性能的动力特性进行研究。结果表明:增大拱上立柱和腹拱圈的整体刚度,能有效地提高结构自振频率,增强结构的抗弯和抗剪性能,从而提高结构的抗震能力。     

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。     

基于车桥耦合振动的RC系杆拱桥加固效果评价

为了对采用吊拉主动加固方法的钢筋混凝土系杆拱桥进行基于车桥耦合振动分析的加固效果评价,首先,利用ANSYS软件建立空间梁、板和杆单元的桥梁结构有限元梁格模型,并选取三轴9自由度的车辆模型及路面不平度等级B分别模拟实际车辆及桥面状态,将梁格模型调入BDANS软件,通过数值模拟车、桥动力响应,计算得到桥梁动位移、加速度响应,研究加固前后桥梁控制截面所受到的动力冲击作用;然后,分析桥梁加固前后不同位置加速度响应的频谱特征;最后,对依托工程动力特征、动态响应及车桥耦合作用的实测值与理论值进行比较分析。结果表明：通过该方法加固后结构的竖向自振频率较加固前均有提升,但提升幅度较小;加固前后结构不同位置的动力响应随车速增加呈逐渐增大的趋势,且车速在60～80 km·h^-1时,加固后结构跨中截面的动力响应降幅最大;加固后结构控制截面的加速度均方根值小于加固前,根据其变化幅值建议车辆通过加固后桥梁结构的速度为60 km·h^-1,以保证行人过桥时的体感舒适度、通行效率及行车安全;通过理论值与实测值的对比分析,验证了基于车桥耦合振动分析方法对桥梁结构加固后行车性能评价的有效性。     

钢桁-混凝土组合结构梁桥连续破坏-倒塌动态行为研究

近年来交通荷载激增，桥梁构件破坏和整体结构倒塌时有发生，造成重大人员伤亡和经济损失。其中，相对其他形式结构桥梁，钢桁-混凝土组合结构桥梁冗余度较低，重载作用下构件的初始破坏易引发桥梁整体倒塌，故明确钢桁-混凝土组合梁桥连续倒塌机理和模式，对该类桥梁抗连续破坏-倒塌设计具有十分重要的理论和工程意义。因此依托钢桁-混凝土组合连续梁桥实体工程，采用能量法和显式动力学数值分析方法，对其构件重要性、破坏后剩余结构冗余度和倒塌动态行为开展研究。研究结果表明：最不利荷载作用下，钢桁-混凝土组合连续梁桥边跨正弯矩最大区域下弦杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.94，而边跨梁端支点附近腹杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.61。组合梁边跨正弯矩区下弦杆破坏后剩余结构遵循转动铰机制倒塌，破坏路径较长，结构整体倒塌前具有显著变形，最大竖向位移达到60.1 cm；组合梁支点区域腹杆破坏后剩余结构遵循滑移面机制倒塌，破坏路径极短，倒塌前整体结构无明显变形，最大竖向位移仅为9.1 cm，结构破坏呈明显脆性特征。腹杆失效所形成的滑移面倒塌机制对钢桁-混凝土组合结构梁桥极为危险，需重点设计预防。通过对钢桁-混凝土组合连续梁桥破坏路径的研究，探明了该类结构各构件的重要性分布特征和结构连续倒塌机制，为提高同类型桥梁抗破坏-倒塌性能提供理论依据和设计方法。     

两种配筋混凝土空心板桥的横向拼接可行性研究

当已有的普通钢筋混凝土简支空心板桥在进行横向拓宽时,新桥拟采用预应力混凝土空心板结构,研究了旧桥普通钢筋混凝土空心板与新桥预应力混凝土空心板等两种不同配筋混凝土结构之间横向拼接可行性问题。采用空间梁格有限元方法进行分析研究,研究成果表明:从结构内力的分配角度看,预应力混凝土结构与钢筋混凝土结构的横向拼接应该更有利于旧桥结构的内力状态改善,对于旧桥各主梁的内力及结构变形都有一定程度的卸载作用,因此这种不同配筋种类的空心板桥之间进行横向拼接是可行的,而且旧桥各空心板梁的受力状态可符合原设计规范的要求。研究成果将为今后不同结构形式的空心板梁桥横向扩建设计时提供可参考性的设计建议。     

加筋泡沫轻质混凝土路桥过渡段动力特性研究

为研究加筋泡沫轻质混凝土的力学性能及其用于路桥过渡段的动力特性,首先开展了加筋泡沫轻质混凝土抗压强度和弹性模量试验,其次运用ABAQUS建立了轨道-路基-过渡段三维数值模型,分析了加筋泡沫轻质混凝土过渡段的动力特性。结果表明:加筋泡沫轻质混凝土无侧限抗压强度和弹性模量随着纤维含量增加呈现先增加后减小趋势,密度大于700 kg/m3的加筋泡沫轻质混凝土可满足高速铁路路桥过渡段的填料性能要求;采用加筋泡沫轻质混凝土填筑过渡段时能够减少结构的振动,随着过渡段加筋泡沫轻质混凝土填料密度的提高     

钢混组合桥面板的发展概况及设计维护要点

结构优化的少主梁新型组合桥梁体系,对桥面板的跨径,耐久性等提出了新的要求。组合桥面板从历史上单纯以钢板作为模板,发展为合理的利用了钢混两种材料各自的优点,提高了桥面板跨径,减少了重量,加快了施工速度,提高了施工安全性。通过一系列动载和静载试验证明,组合桥面板具有和预应力混凝土桥面板同等级的承载能力和耐久性。组合桥面板制造施工费用与现浇预应力桥面板相近,但工期可缩短30%以上,并且其维护成本低、替换拓宽方便,全寿命费用合理。因此,组合桥面板是值得我国借鉴并在今后进行发展研究的一种结构形式。