钢-混凝土组合梁抗弯性能研究进展

钢—混凝土组合梁与传统的钢筋混凝土梁相比,具有跨度大、节省模板、减轻结构自重和较好的延性等优点,具有十分广阔的应用前景。系统总结了钢—混凝土组合梁抗弯性能(包括正弯矩作用下和负弯矩作用下)的研究现状,并指出了目前研究存在的问题与不足。     

组合梁塑性抗弯承载能力分析计算

近年来在工程实践中大量地使用了钢-混凝土组合梁。本文介绍了两种组合梁塑性抗弯承载能力的计算方法。     

带管翼缘的钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究

为了研究带钢管混凝土上翼缘的钢-混凝土组合梁在静载作用下的抗弯性能,进行了组合梁静力试验,建立了组合梁有限元模型,进行了非线性静力变参数分析。基于钢材的理想弹塑性模型和圆形钢管约束混凝土模型,建立了正截面抗弯承载力理论分析模型。研究结果表明:新型组合梁满足平截面假定,抗弯承载力大,延性好,钢管内填混凝土与管壁无滑移;极限抗弯承载力随含钢率与钢材的屈服强度的提高而增大,管内填混凝土强度的提高对极限承载力影响不大,但可以显著提高其延性,因此,在新型组合梁设计过程中要考虑内填混凝土强度和上翼缘钢管屈服强度之间的匹配关系;极限抗弯承载力试验值与理论计算值的比值为1.07,说明理论分析模型偏于安全。     

氯盐环境下预损伤UHPC-HPC组合梁抗弯性能

为了提高普通钢筋混凝土梁的耐久性,设计了一种超高性能混凝土(UHPC)-高性能混凝土(HPC)组合梁新型结构,开展了锈蚀后UHPC-HPC组合梁的抗弯性能试验,研究了氯盐侵蚀后组合梁抗弯承载力降低的机理,分析了腐蚀程度、截面形式与预损伤对其抗弯性能的影响;引入钢筋屈服强度折减系数、截面积折减系数与混凝土预损伤系数,提出了锈蚀后UHPC-HPC组合梁抗弯承载力计算方法,并验证了计算方法的可行性。分析结果表明：锈蚀后梁体抗弯承载力降低主要原因为钢筋抗拉强度下降,梁体刚度退化与韧性减弱,钢纤维阻裂效果削弱;锈蚀后UHPC-HPC组合梁的破坏表现为跨中附近出现1条主裂缝或加载点附近出现2条主裂缝;UHPC-HPC组合梁的受力过程分为线弹性、裂缝发展和屈服3个阶段,梁体截面混凝土应变基本符合平截面假定;侵蚀时间越长,组合梁的开裂荷载和承载力降低越大,通电快速侵蚀10 d时,降幅分别达16.2%和10.9%;锈蚀后T形梁比矩形梁开裂早,前者的开裂荷载比后者降低8.1%,后期刚度下降较快;预损伤显著影响梁的整体刚度,预加载后梁的整体刚度降低,混凝土损伤后的预损伤系数为0.984;锈蚀率越大,钢筋的屈...     

带混凝土翼板的圆管上翼缘钢-混凝土组合梁抗弯性能

考虑不同加载方式与下翼缘宽度, 对3根带混凝土翼板的圆管翼缘钢-混凝土组合梁进行抗弯性能试验, 分析了试验梁的抗弯承载性能与破坏形态; 基于试验梁的抗弯特征, 推导了组合梁屈服弯矩和极限弯矩简化计算公式。研究结果表明: 试验梁均发生典型的塑性弯曲破坏, 稳定性良好; 达到极限承载力时, 梁端处上翼缘钢管与混凝土翼板相对滑移均小于0.43 mm, 试验梁体现了良好的协同工作性能; 随下翼缘宽度的增加, 试验梁刚度与承载力增大, 对于下翼缘宽度分别为150、260、300 mm的试验梁, 其屈服弯矩的比值为1∶1.44∶1.55, 极限承载力的比值为1∶1.31∶1.40;随着试验梁承受弯矩的增大, 当中性轴上升至混凝土翼板时, 钢管混凝土处于受拉状态, 可不考虑钢管与内填混凝土的套箍效应, 而当塑性中性轴位于上翼缘钢管混凝土内时, 可不计入该套箍作用对极限抗弯承载力的影响, 但其可促进延性的继续发展; 试验梁的位移延性系数均大于3.35, 延性较好; 屈服弯矩、极限弯矩理论计算值与试验值的比值分别为1.02~1.04、0.96~1.03, 吻合良好, 因此, 所出提出的简化理论计算公式简单、可靠。     

连续组合梁桥UHPC接缝抗弯性能研究

针对连续组合梁桥负弯矩区桥面板易开裂的难题,提出了新型钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC (Ultra-High Performance Concrete)接缝方案。通过建立Midas有限元模型分析了应用UHPC接缝的连续组合梁桥负弯矩区的抗弯性能,自编Matlab程序分析连续组合梁桥的裂后截面刚度折减与内力重分布,并从抗裂性能角度进行参数分析。结果表明,组合梁桥负弯矩区UHPC接缝具有良好的技术先进性和经济性。     

体外预应力钢-混凝土组合梁抗弯承载能力计算公式及试验研究

本文对体外预应力钢一混凝土简支组合梁的抗弯承载能力进行了静载全过程试验研究。根据4根试验梁在两点对称集中加载下的试验结果,分析了体外预应力钢一混凝土组合梁抗弯承载能力的主要影响因素,建立了抗弯承载能力的计算模型,并推导了相应的计算公式。结果表明,其计算值与实测值吻合良好。     

超高性能混凝土预应力桥梁的抗弯性能

超高性能混凝土的强度为150 MPa以上,国外已开始用它来制作桥梁。由于它具有较高的抗拉强度,如按忽略混凝土的抗拉力的现行规范,显然不够精确。这里提出了三种计算方法供参考使用。     

钢与轻骨料混凝土组合梁剪力连接件非线性分析

本文运用ANSYS有限元软件分别建立三种剪力连接件形式的钢与轻骨料混凝土组合梁模型进行非线性分析。分析了三种不同剪力连接件的应力分布变化规律,同时对不同剪力连接件形式下的钢与轻骨料混凝土组合梁的交界面滑移规律进行分析。为以后的组合梁研究工作奠定了基础,并方便了日后的设计工作。     

超高性能混凝土深梁受剪性能

为促进超高性能混凝土(UHPC)深梁的应用, 进行了4根以混凝土强度为主要参数的UHPC深梁受剪性能试验, 并开展了C40和C80混凝土深梁的对比试验; 分析了UHPC深梁的荷载-挠度曲线、破坏模式、钢筋应变、裂缝形态与极限荷载; 为探讨现有普通混凝土深梁受剪承载力计算方法是否可用于UHPC深梁, 应用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)对6根深梁试件进行了抗剪强度计算。研究结果表明: 混凝土强度越大, 在相同荷载下深梁的刚度越大, 在深梁开裂前的弹性阶段, UHPC试件刚度随钢纤维掺量的增大略有增大; 与C40和C80混凝土深梁一样, UHPC深梁裂缝包括弯剪裂缝和腹剪裂缝, 当荷载分别为13%~22%和18%~34%极限荷载时, 两类裂缝先后出现; UHPC深梁在加载全过程中梁、拱受力机制共存, 加载前期梁受力机制起主导作用, 后期则拱受力机制起主导作用; UHPC深梁裂缝多而密, 发生剪压破坏, 在支座上端反拱区不产生裂缝, 而C40和C80混凝土深梁出现斜压破坏, 且在支座上端反拱区产生裂缝; 试验梁受剪承载力随混凝土强度的增大约呈指数式增大, 混凝土强度从C40增大到C80、C190时, 其受剪承载力分别增大了30.76%和201.92%;采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中方法计算的UHPC深梁受剪承载力与试验值比值的均值为0.89, 均方差为0.15, 在没有更精确的计算方法之前, 该计算方法暂时可用。     

跨海大桥U-RC组合桥墩设计

为解决跨海桥梁桥墩施工与防腐问题, 提出了超高性能混凝土(UHPC) -钢筋混凝土(RC) 组合桥墩新结构, 简称U-RC组合桥墩, 以UHPC外筒作为永久模柱, 现浇内核钢筋混凝土; 以平潭海峡大桥为工程背景, 开展了U-RC组合桥墩的结构设计与计算, 并与原设计方案的工程量和造价进行了比较; 进行了3根内核RC柱、3根UHPC模柱、3根U-RC组合桥墩的极限承载力试验, 测量了试件的混凝土纵向应变与横向应变, 研究了试件的破坏形态与裂缝发展过程, 得到了试件的极限承载力试验值, 分析了U-RC组合桥墩的受力性能。研究结果表明: U-RC组合桥墩的承载力大于设计内力, 满足现行规范要求; 采用UHPC模柱取代钢模板的桥墩设计方案, 可节约钢材约2 410t, 工程造价节省约30%;3根UHPC圆筒的极限荷载均值为1 342kN, 3根RC柱的极限荷载均值为1 370kN, 二者之和小于3根U-RC组合桥墩极限荷载均值3 033kN, 说明UHPC模柱对核心混凝土有一定的套箍作用, 采用简单迭加方法计算U-RC组合桥墩的轴压极限承载力是可行且偏保守的; 在轴压试验中, U-RC组合桥墩的破坏模式为核心混凝土的横向变形导致UHPC模柱出现竖向裂缝, 并与核心混凝土在界面处分离; 达到极限荷载破坏时, 外包UHPC层出现纵向裂缝, 荷载增大, 裂缝增长, 并有混凝土剥落现象, 但U-RC组合桥墩破坏时其外包UHPC层纵向应变未达到极限压应变。     

组合加固足尺预应力混凝土空心板梁抗弯性能

对3片足尺预应力混凝土空心板梁进行抗弯性能试验, 其中1片足尺梁不进行加固, 2片分别采用钢板-混凝土组合加固和钢板-预应力混凝土组合加固, 分析了试验梁主要部位的应变、滑移、裂缝分布、承载力、刚度和延性; 基于试验梁塑性破坏机理, 并考虑二次受力的影响, 推导了足尺试验梁的抗弯极限承载力计算公式。试验结果表明: 加固后试验梁的破坏形态表现为塑性弯曲破坏, 跨中横截面变形符合平截面假定; 组合加固钢板与新混凝土之间以及加固部分与原结构之间相对滑移小于0.05mm, 因此, 加固后试验梁各部分协同工作性能较好; 与未加固梁相比, 钢板-混凝土组合加固试验梁抗弯极限承载力提高了1.08倍, 钢板-预应力混凝土组合加固试验梁抗弯极限承载力提高了1.43倍, 因此, 组合加固能显著提高试验梁的极限承载力; 与未加固梁相比, 2片加固试验梁的延性系数均提高了21%, 当试验荷载为200kN时, 2片加固试验梁刚度分别提高了1.55、3.07倍, 因此, 组合加固能显著提高试验梁的刚度和延性; 与钢板-混凝土组合加固技术相比, 钢板-预应力混凝土组合加固技术对试验梁在使用阶段的承载性能和刚度的提高更加明显; 2片加固试验梁抗弯极限承载力的计算值与试验值的比值分别为0.94和0.96, 因此, 抗弯极限承载力计算公式计算精度较高, 可用于钢板-混凝土组合加固预应力混凝土空心板梁的抗弯承载性能计算与分析。     

钢板-混凝土组合加固混凝土T梁的抗弯性能试验

设计了4根钢板-混凝土组合加固混凝土T梁进行抗弯承载力试验, 试件的主要设计参数包括损伤程度和植筋间距。采用荷载传感器、位移计和应变计, 分别测量了加载过程中试验梁的荷载、挠度、应变、裂缝的产生和发展、新老混凝土界面与钢板-加固混凝土界面的纵向滑移, 采用有限元软件ANSYS分析了试件的受力性能, 采用塑性方法研究了试件的极限抗弯承载力, 并对比了模型试验、数值模拟与理论分析结果。分析结果表明: 钢板-混凝土组合加固可使混凝土T梁极限抗弯承载力提高约2倍, 植筋间距与原梁弯曲损伤程度对组合加固T梁的极限抗弯承载力影响约为4%, 植筋间距越大, 新老混凝土界面纵向相对滑移越大, 极限抗弯承载力的数值计算值和理论计算值与试验值最大相对差值为9%, 因此, 模型试验、数值模拟与理论计算结果均表明钢板-混凝土组合加固可显著提高混凝土T梁的极限抗弯承载力。     

波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合连续箱梁受弯性能

提出了新型波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁, 混凝土顶板与双钢管混凝土下弦杆由波形钢腹板连接。为了分析新型组合梁在正、负弯矩作用下的受弯性能, 进行了组合连续梁的受弯试验, 研究了试验梁的破坏模式、变形特性、应变特性与混凝土顶板裂缝发展规律。根据试验结果, 提出了新型组合梁的变形和承载力计算方法, 并验证了方法的有效性。试验结果表明: 在正、负弯矩区段, 组合截面波形钢腹板各测点纵向应变很小, 跨中和支点处纵向应变峰值仅为下弦杆的3.7%和5.1%, 可忽略不计; 混凝土顶板和钢管混凝土下弦杆纵向应变沿截面高度方向基本呈线性变化, 满足平截面假定, 在外荷载作用下共同受力; 当组合试验梁达到开裂荷载140 kN时, 主梁跨中挠度理论计算值为5.8 mm, 试验值为5.5 mm, 误差约为5%, 当组合试验梁跨中截面达到极限抗弯承载力时, 荷载理论计算值为399 kN, 试验值为415 kN, 试验值略高于理论计算值, 但两者误差很小, 约为4%, 说明该组合梁的挠度和抗弯承载力理论计算方法简单、可靠。     

埋入式H型钢桩-桥台节点受弯性能与承载力

为研究整体式桥台无缝桥中埋入式H型钢桩-桥台节点的受弯性能,通过建立节点的有限元模型,分析了桥台厚度、混凝土强度、钢桩朝向、埋深比、钢材强度和轴压比6个参数对节点受弯承载力和破坏模式的影响,并在此基础上,针对不同的破坏模式提出了节点受弯模型与承载力计算公式。研究结果表明：绕钢桩强轴弯曲的节点在埋深比小于2.0时发生桥台混凝土承压破坏,增大钢桩埋深比和混凝土强度等级可有效提高节点受弯承载力;绕钢桩强轴弯曲的节点在埋深比大于2.0时,或绕钢桩弱轴弯曲的节点在埋深比大于1.0时,发生钢桩屈服破坏,提高钢桩的钢材强度等级可提高节点受弯承载力;随着轴压比的增大,发生绕钢桩强轴屈服破坏的节点的受弯承载力明显降低,但轴压比对发生桥台混凝土承压破坏或冲切破坏的节点的受弯承载力的影响可以忽略;提出的节点受弯承载力计算方法能较为准确地预测不同破坏模式的埋入式H型钢桩-混凝土桥台节点的受弯承载力,计算值与有限元结果比值的均值和计算值与试验结果比值的均值为分别为0.981和0.941,因此,可用于该类型节点的受弯承载力计算和破坏模式分析;建议钢桩埋深不少于2.0倍桩宽与混凝土桥台厚度大于2.4倍桩宽,这样可有效避免桥台混凝土的承压破坏和桥台边缘混凝土的冲切破坏。     

超高性能钢纤维混凝土力学性能

用端部弯折型、端部扁平型和波浪型3种钢纤维分别配制抗压强度大于100 MPa的超高性能纤维混凝土, 纤维体积掺率分别为1.0%、2.0%、2.5%和3.0%。通过立方体抗压试验和梁抗弯试验, 研究钢纤维形状和体积掺率对超高性能纤维混凝土流动性、抗压强度、抗弯强度、断裂能和弯曲韧度的影响。试验结果表明: 纤维体积掺率为1.0%~2.5%时, 端部扁平型钢纤维超高性能混凝土的抗弯强度、断裂能和弯曲韧度最佳; 纤维体积掺率为3.0%时, 端部弯折型钢纤维超高性能混凝土的抗弯强度、断裂能和弯曲韧度最佳; 纤维体积掺率为2.0%时, 端部扁平型钢纤维超高性能混凝土的施工性能和力学性能最佳; 纤维体积掺率为1.0%~3.0%时, 波浪型钢纤维超高性能混凝土的抗压强度最高, 但抗弯强度和断裂能最低。     

波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁桥疲劳性能

为研究波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,开展了波形钢腹板-钢管混凝土(CSW-CFST)桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管(CSW-ST)桁式弦杆组合梁疲劳性能试验和有限元分析;研究了CSW-CFST和CSW-ST桁式弦杆组合梁疲劳性能的异同,分析了弦杆内混凝土改善组合梁疲劳性能的本质原因,探讨了CSW-CFST桁式弦杆组合梁疲劳寿命的评价方法,并将采用美国石油协会(API)、国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)和挪威船级社(DNV)设计标准所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命分别与试验结果进行了对比。研究结果表明：采用线性外推方式得到的CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力为二次外推方式所得的1.036倍,偏安全角度考虑,CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力宜采用线性外推求解;组合梁斜腹板段热点应力明显大于直腹板段,最大热点应力出现在斜腹板与圆弧过渡段相交处,相较于CSW-ST桁式弦杆组合梁,弦杆内混凝土能使CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力下降26.8%,但热点应力分布规律不变;建议将疲劳裂缝萌生时刻对应的反复加载次数定义为CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命;弦杆内混凝土能够延缓疲劳裂缝沿壁厚和长度方向的扩展速度,可使CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命提高61.5%,但不改变组合梁的疲劳破坏模式和疲劳裂缝类型;采用DNV所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命与试验结果间的误差最小,不超过26.4%,建议采用DNV给出的钢管相贯节点疲劳设计应力(S)-疲劳寿命(N)曲线初步计算CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命。     

圆管翼缘钢-混凝土新型组合梁极限抗弯承载力与延性

为研究圆管翼缘组合梁的抗弯性能, 进行了3根圆管翼缘组合梁静力加载抗弯破坏性试验, 分析了试验梁的抗弯破坏过程与破坏特征; 考虑混凝土损伤塑性本构及栓钉滑移与断裂, 建立了圆管翼缘组合梁非线性数值模型, 基于试验结果分析了数值模型的适用性; 以钢梁下翼缘宽度、混凝土翼板厚度与圆管管径为主要结构参数, 计算了48根正交设计的圆管翼缘数值模型组合梁的力学性能; 依据试验梁与数值模型梁的抗弯受力性能, 提出了基于简化塑性理论的圆管翼缘组合梁极限抗弯承载力计算公式; 应用数值模型梁位移延性系数计算结果, 回归得到了圆管翼缘组合梁位移延性系数计算公式。计算结果表明: 数值模型组合梁与试验梁承载力比值为0.99~1.03, 挠度比值为0.87~1.09, 因此, 弯矩-挠度计算曲线与试验曲线吻合良好, 可采用数值模型组合梁准确模拟圆管翼缘组合梁的抗弯全过程受力行为; 圆管翼缘组合梁极限抗弯承载力随钢梁下翼缘宽度、混凝土翼板厚度的增大而增大, 随圆管管径的改变变化较小, 位移延性系数随混凝土翼板厚度与圆管管径平方的增大呈线性增大, 随钢梁下翼缘宽度的增大呈线性减小; 不同塑性发展程度的各类模型梁位移延性系数为3.16~7.19, 体现了较好的延性; 采用极限抗弯承载力简化计算公式与圆管翼缘数值模型组合梁计算的极限抗弯承载力比值为0.91~1.09, 平均比值为0.98, 因此, 公式计算结果准确; 为使圆管翼缘组合梁具有一定延性, 建议位移延性系数大于3.5。