双管翼缘钢-混凝土新型组合梁抗弯性能试验

提出了2种新型双管翼缘钢-混凝土组合梁截面形式:钢梁上翼缘为圆形钢管混凝土、下翼缘为矩形钢管混凝土(DFCG-1)与钢梁上、下翼缘均为矩形钢管混凝土(DFCG-2)的管翼缘组合梁。为研究此2种双管翼缘组合梁的抗弯性能,对1根DFCG-1和1根DFCG-2进行了跨中双点对称加载试验,分析了试验梁的变形、应变变化规律。依据试验梁弹性、弹塑性状态下的实测受力性能,采用简化弹塑性理论及结合应力-应变协调的弹塑性理论推导了双管翼缘组合梁屈服弯矩、极限抗弯承载力的简化计算公式。研究结果表明:试验梁破坏时表现出明显的塑性弯曲破坏特征,其破坏过程可分为弹性、弹塑性与破坏3个阶段;加载过程中,试验梁未出现平面内与平面外整体失稳,且未发生局部弹性失稳破坏;梁端钢管与内填混凝土间无相对滑移,管翼缘与混凝土翼板间最大滑移小于1.3mm,钢混组合截面各部分协同工作性能较好;DFCG-1,DFCG-2的位移延性系数分别为3.68,4.53,体现出较好的延性性能;DFCG-1,DFCG-2在抗弯刚度、承载力、破坏形态等力学性能上总体表现基本一致,但当翼板混凝土因压溃而退出工作后,DFCG-1更低的腹板高度使其较DFCG-2具有更好的腹板屈曲稳定性;所提公式计算结果与试验值吻合较好,可用于双管翼缘组合梁抗弯承载性能计算分析。     

钢-混凝土组合梁疲劳性能试验研究

为研究以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳破坏机理及疲劳损伤过程,制作3根钢-混凝土组合梁试件进行疲劳试验,研究组合梁在疲劳荷载作用下的破坏过程、挠度以及混凝土和栓钉应变的变化规律。结果表明:钢-混凝土组合梁的疲劳寿命对疲劳荷载相当敏感,疲劳荷载幅及荷载峰值都会显著影响组合梁的疲劳寿命;以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳损伤可以分为3个阶段,第1阶段,部分剪力较大的栓钉发生疲劳损伤,但栓钉群的整体抗剪性能无显著变化,组合梁的挠度无显著变化,第2阶段,随着疲劳荷载持续作用,部分栓钉发生严重疲劳损伤甚至断裂,栓钉群的抗剪性能劣化,组合梁的挠度明显增加,第3阶段,大部分栓钉被剪断,钢梁与混凝土板退出协同工作模式。     

钢-UHPC连续组合梁抗弯性能试验

为研究钢-超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）连续组合梁的抗弯承载能力,完成了2根大比例缩尺模型的静载试验,包括1根钢-UHPC连续组合梁和1根预应力钢-普通混凝土（Normal Strength Concrete,NC）连续组合梁,对其挠度、应力分布、裂缝发生发展模式及承载能力进行分析,并研究了钢-UHPC连续组合梁的弯矩重分布性能。同时,采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型（CDP）进行数值模拟。结果表明：钢-UHPC连续组合梁UHPC板的名义开裂强度为普通组合梁预应力NC板的2.2倍,钢-UHPC连续组合梁的极限承载力约为普通组合梁的1.2倍;UHPC板开裂后裂缝密集、间距小,且以长度较小的微裂纹为主;UHPC板/NC板与钢梁均采用群钉连接,二者相对滑移较小,可有效形成整体共同工作;采用塑性理论计算钢-UHPC连续组合梁的抗弯承载能力,应考虑UHPC的抗拉强度,与现有组合结构规范公式相比,根据所提出方法计算得到的负弯矩区截面抗弯承载力与试验值吻合较好;考虑UHPC抗拉强度后,钢-UHPC连续组合梁负弯矩区塑性铰转动能力降低,弯矩调幅需求及有效弯矩重分布能力均明显下降。     

长期荷载作用卸载后的锈蚀钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究

为研究长期荷载卸载后锈蚀简支组合梁的抗弯性能,进行了6片钢-混凝土简支组合梁的抗弯性能试验,采用电化学腐蚀方法对组合梁进行加速腐蚀,使用5%浓度的NaCl溶液作为电解液。对钢梁和钢筋进行防腐处理,以达到仅使试件指定部位生锈的目的。腐蚀速率通过调节腐蚀电流来控制。在腐蚀和长期荷载作用200天后卸载,测试组合梁的抗弯性能。研究了腐蚀与长期荷载共同作用对组合梁挠度、滑移、应变及极限承载力的影响。试验结果表明:(1)在长期荷载作用下,组合梁的截面应变和界面相对滑移前期得到增长,但对试件的最大应变和最大滑移值影响甚微。(2)栓钉锈蚀导致组合梁整体刚度降低,延性变差;(3)经过栓钉锈蚀,组合梁的抗剪连接程度下降,混凝土板与钢梁工作协同性变差,组合梁抗剪连接程度降低导致滑移量增长,钢材塑性得不到充分发挥,试件的受弯承载力降低;(4)栓钉锈蚀导致栓钉与混凝土的有效接触面积减少,截面组合程度减弱,混凝土压应力提高,应变增大;(5)栓钉锈蚀导致栓钉抗剪切变形能力减弱,试件的滑移增长速率明显增大,相同荷载下,栓钉锈蚀率越高,组合梁相对滑移的最大值越大;(6)栓钉锈蚀更严重的组合梁在同一荷载等级下应变量更大。     

装配式钢桁-混凝土组合梁抗裂性能研究

为解决常规钢-预制混凝土桥道板组合梁剪力键预留孔和板间现浇接缝易开裂的问题,提出了带预埋抗剪栓钉(PCSS)剪力键的装配式钢桁-混凝土组合梁(Prefabricated Steel Truss-concrete Composite Beam,PSTC),为考察其抗裂性能,在介绍基本概念的基础上,阐述了PSTC组合梁的制作方法,进行了1组3个带预应力的PSTC组合梁负弯矩区段加载试验,并分析了在负弯矩作用的开裂极限状态下PSTC组合梁截面应变的构成特征;依据考虑滑移影响后的截面应变协调条件和PCSS联结构造的剪力-滑移本构关系,分别建立了PSTC组合梁微段内混凝土板和钢梁的静力平衡方程,推导得到了考虑滑移后PSTC组合梁的开裂弯矩计算公式。研究结果表明:PSTC组合梁首先需要在预制混凝土板内预埋带栓钉的剪力传递钢板,然后在钢桁梁上安装预制混凝土板并施加纵向预应力,最后对剪力传递钢板与钢桁梁顶面的纵缝施焊联结形成组合梁;PSTC试验梁初始裂缝出现在加载点附近的混凝土板边,开裂荷载随混凝土板预应力的增大而增大,相邻预制板间接缝的初始裂缝均略晚于板内首条裂缝出现,PSTC组合梁无明显的抗裂薄弱部位;得到的计算公式计算结果与试验数据吻合良好,可为同类桥梁提供参考。     

波形钢腹板管翼缘组合梁抗弯性能试验研究

为研究波形钢腹板管翼缘组合梁的受弯破坏形态及弯曲受力性能,制作2根试验梁进行纯弯试验,研究波形钢腹板管翼缘组合梁施工阶段(试验梁C1)及使用阶段(试验梁C2)的破坏形态及跨中挠度、界面滑移、纵向应变的发展规律。结果表明:试验梁均发生塑性弯曲破坏,其受弯破坏过程可近似划分为弹性、弹塑性及破坏3个受力阶段;试验中各试验梁均未出现腹板剪切屈曲;试验梁C2的管翼缘与混凝土翼板间未出现界面滑移或破坏,二者协同工作性能良好;受薄板褶皱效应影响,波形钢腹板管翼缘组合梁的截面弯曲变形不再符合常规梁理论"平截面假定",但仍可近似按"拟平截面假定"分析。     

钢-混凝土组合梁加宽混凝土旧桥试验

对2根钢-混凝土组合梁加宽混凝土T梁构件进行试验(共分4种弹性工况与1种破坏工况),量测并分析了试件的荷载、挠度、反力及应变,观测了试件的裂缝发展情况。对弹性工况下的挠度、支座反力横向分布规律进行了研究,并对破坏工况下的构件极限抗弯承载力进行了理论分析。结果表明:荷载作用在L/4与L/2处时挠度横向分布规律相同,其分布系数与刚性横梁法、修正刚接梁法计算结果吻合良好;荷载作用在L/4与L/2处时支座反力横向分布规律相同,其分布系数与杠杆法计算结果吻合良好;破坏工况下组合梁与混凝土T梁呈现出典型的弯曲破坏,构件抗弯承载力等于组合梁与混凝土T梁抗弯承载力之和。     

钢-混凝土组合梁桥的截面弹性抗弯承载力计算方法研究

为探求一种钢-混凝土组合梁桥的弹性抗弯承载力计算方法,从弹性理论出发,通过对钢-混凝土组合梁自身构造特点和力学特性的分析与推导,总结、提炼现行行业标准和规范中计算方法的共性,选择满足各种规范要求的计算表达式;对相关参数进行定义,提出了一种简捷、实用的截面弹性抗弯承载力计算方法;给出了钢-混凝土组合梁简支梁桥和连续梁桥弹性抗弯承载力的2个计算示例,基于上述方法分别根据跨中正弯矩区段和中支点负弯矩区段的公式计算了其弹性抗弯承载力,并与其他规范中塑性抗弯承载力的计算结果进行了对比。结果表明:采用该公式计算钢-混凝土组合梁桥的截面弹性抗弯承载力的方法可行、结论可靠,能够用于公路桥梁的截面抗弯承载力计算;可以认为,同一组合梁的截面弹性抗弯承载力是截面承载能力的下限,而截面塑性抗弯承载力则是截面承载能力的上限。     

部分剪力连接钢-混凝土组合梁附加变形计算

本文在滑移应变微分方程的基础上 ,建立部分剪力连接钢 -混凝土简支组合梁由滑移引起的附加变形方程及组合梁变形计算的一般公式 ,得到了部分剪力连接简支组合梁的附加变形和变形与剪力连接程度系数之间的关系与规律 ,公式简单实用     

钢-混凝土组合梁桥早期温度效应试验研究

为了研究混凝土浇筑早期水化反应引起的温度变化对钢混组合梁桥变形和应力的影响,以一简支梁桥为试验对象,测试了混凝土桥面板和钢梁在混凝土浇筑前后温度和应变变化数据,并对钢梁由于温度变化引起的应力进行了解析。分析结果表明:混凝土在凝结硬化过程中温度先升后降,在升温阶段结束后,混凝土板获得足够的刚度来约束钢梁的变形,在降温阶段结束后混凝土桥面板与钢梁变形协调。混凝土板在降温阶段的收缩受到了钢梁顶板的约束,拉应力开始产生。降温阶段结束后混凝土板中拉应力的大小与升温阶段结束后钢梁横截面上的温度梯度以及混凝土板与钢梁顶板的温差有关。     

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。     

考虑施工阶段的装配式钢-混凝土组合梁非线性全过程分析方法

为解决常规钢-预制混凝土桥道板组合梁的剪力键预留孔角隅和板间现浇接缝易开裂的问题,提出了带装配式栓钉(PCSS)剪力键和预制预应力桥道板的钢桁-混凝土组合梁(Prefabricated Steel Truss-Concrete(PSTC)Composite Beam)。针对从施工到成桥到破坏的全过程力学行为,提出了一种装配式组合梁的非线性全过程分析方法:建立精细化有限元模型,预制桥道板和板间接缝采用在混凝土实体单元中是否嵌入普通钢筋单元分别模拟;桥道板采用预应力钢束降温法模拟板内获得预压应力的过程;组合梁采用导入初应力的方法,实现将先期获得预压应力的桥道板与钢桁结整为组合梁共同受力。利用该方法模拟分析了装配式钢桁-混凝土组合梁在负弯矩作用下,从施工到成桥到破坏的全过程力学行为,并与组合梁负弯矩区段力学行为性能试验的结果进行了对比。结果表明:该模拟方法能较真实模拟装配式钢-混凝土组合梁从安装桥道板到桥道板的破坏的全过程受力行为,挠度计算值与实测值相差4.1%,吻合较好。     

预应力钢-轻骨料混凝土简支组合梁承载能力试验研究

完成了两片直线配筋体外预应力钢-轻骨料混凝土简支组合梁的试验,对梁在集中荷载作用下的应变、位移和破坏状态进行分析,并把试验结果和计算结果进行了对比.试验梁下部为钢梁,上部为CL35轻骨料混凝土.该类型梁按塑性理论分析的极限承载力比弹性计算值高73.1%,试验得出的极限承载力比塑性理论计算结果高大约20%.钢-混凝土之间发生了相对滑移,说明对此类型梁的分析应按部分剪力连接.梁的弹性阶段能够维持到总荷载为250 kN以后,可知梁的弹性承载力高于弹性计算值36.4%以上.     

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。     

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.     

钢板-UHPC组合梁抗弯性能试验及有限元分析

为了研究钢板-UHPC组合梁的抗弯性能,首先开展1根钢板-UHPC组合梁抗弯性能静力试验;然后利用Abaqus有限元软件对试件静力加载全过程进行仿真计算,采用不同方式模拟组合梁中的栓钉,选定最恰当的模型;最后基于校准的有限元模型,对钢板-UHPC组合梁进行参数分析,主要参数包括：UHPC抗压强度、钢板强度、栓钉间距及布置方式。研究结果表明：有限元仿真分析中,采用面面接触的有限元模型,其仿真分析结果与实测值总体上吻合良好,能够较好地反映钢板-UHPC组合梁中挠度、应变以及滑移变化规律,可作为后续钢板-UHPC组合梁有限元仿真分析的参考;各参数对钢板-UHPC组合梁极限承载能力的影响大小为：钢板强度>UHPC抗压强度>栓钉间距;在结构设计中应当重视剪弯段栓钉的选择与布置,而纯弯段栓钉可以进行相对弱化处理。     

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。     

装配式隧道圆形和方形钢榫接头抗弯性能大尺寸试验

接头是装配式隧道建设和运营阶段最为薄弱和关键的部位,其设计及力学性能评估是一项必要的研究工作。为评估圆形和方形钢榫接头的抗弯性能,开展了大尺寸接头抗弯试验,研究了接头在荷载作用下的竖向挠度、接缝张开量及应变变化规律,探讨了其接头旋转角、延性、断裂韧性及破坏模式。研究结果表明:圆形钢榫接头的承载能力弱于方形钢榫接头,极限荷载及其对应的挠度分别比方形钢榫接头小77.71 kN和6.797 mm;同一荷载水平下,方形钢榫接头的张开量和旋转角更小,其抗变形能力强于圆形钢榫接头;2种钢榫接头的混凝土和钢筋应变响应规律在整体上相似,但方形钢榫接头的最大压应变仅为圆形钢榫接头的15%;圆形钢榫接头表现出渐进失效行为,其挠度延性指数和旋转延性指数分别是方形钢榫接头的2.28倍和1.98倍,且最终旋转角和单位荷载下旋转角增量均小于方形钢榫接头;2种钢榫接头受压弯曲时,圆形钢柱将荷载传递至接头底部,使混凝土受拉区破坏过大,主要表现出拉弯破坏模式,而方形钢柱联合更多承压区混凝土受荷,使承压区混凝土破损面积为圆形钢榫接头的3倍左右,主要表现出压弯破坏模式。研究结果可为装配式矩形隧道的接头设计提供参考。     

钢-混组合梁桥疲劳性能研究

钢桥的突出问题是疲劳损伤。由于构造细节一般都存在缺陷,在重复重载交通、风或是地震等交变荷载的作用下,钢材由此产生疲劳裂纹,疲劳裂纹不断扩展,直至影响结构的使用甚至发生断裂破坏。以阳泉市跨太旧高速G匝道钢—混组合梁桥为依托,运用MIDAS FEA建立空间精细化有限元模型,采用目前较为普遍的S—N曲线法分析其疲劳性能。研究结果表明,G匝道钢—混组合梁桥满足规范设计要求,且具有很大的安全储备。边跨钢梁梁端下缘、钢梁节段拼接处下缘及中支点墩顶钢梁上缘等为易疲劳区域,与混凝土接触的钢梁上翼缘板,负弯矩区的钢梁下翼缘板、腹板的疲劳寿命较大。