简支变结构连续小箱梁桥负弯矩区UHPC-NC组合桥面板抗裂性研究

针对当前简支变结构连续小箱梁桥负弯矩区钢束易堵孔、运营中桥面开裂病害等问题,提出一种无负弯矩钢束的UHPC-NC组合桥面板结构。以一座3×30 m简支变结构连续小箱梁桥为研究对象,以正常使用极限状态梁体不开裂为控制准则确定UHPC合理构造尺寸,对所提出的负弯矩组合桥面板结构进行1∶2的缩尺模型试验。试验显示:裂缝首先出现于UHPC-NC交界面处的普通混凝土部分,随后逐渐向UHPC层沿伸,且C50混凝土开裂、梁体破坏对应的截面弯矩分别为3 520,9 152 kN·m(考虑1∶8弯矩缩尺比),大于正常使用极限状态、承载能力极限状态梁体截面弯矩3 300,5 838 kN·m,即该组合桥面板结构满足小箱梁的抗裂与承载能力要求。基于试验结果建立精细化有限元模型,采用参数分析法研究UHPC厚度对梁体开裂荷载、极限承载力等方面的影响。结果表明:梁体开裂弯矩主要由UHPC上覆层厚度决定,相较于普通钢筋混凝土梁,5 cm厚的UHPC上覆层可将梁体开裂弯矩提高28.9%,7.5 cm厚的UHPC上覆层可将梁体开裂弯矩提高41.6%;在配筋率不变的情况下,增大UHPC层厚度对梁体承载力无显著提升。综合考虑梁体受力性能以及施工便利性,建议背景工程UHPC厚度取10 cm。

CFRP-PCPs复合筋加固钢-混组合梁负弯矩区抗裂试验与理论计算

为解决钢-混组合梁负弯矩区混凝土板易开裂而造成刚度减弱的行业难题,以预制的CFRP-PCPs(carbon fibre reinforced polymer-prestressed concrete prisms)复合筋作为中支座的腹筋,并以复合筋的数量、预应力张拉水平和截面尺寸为主要参数设计制作了五根复合筋钢-混组合连续梁和一根普通组合连续梁,研究其在单跨单点荷载下负弯矩区的抗裂性能。结果表明:复合筋能显著增强中支座截面刚度,对负弯矩区的裂缝控制能力提升显著;与普通组合梁相比,复合筋梁的开裂荷载提高近30%,裂缝数量与裂缝宽度减少近50%;复合筋面积是提高裂缝控制能力的主要因素,预应力水平和截面尺寸对开裂荷载的影响较弱;复合筋的开裂荷载与预应力水平、面积正相关,其中预应力水平是影响复合筋效用时长的关键因素。基于现有理论和试验数据,本文提出CFRP-PCPs复合筋钢-混组合梁负弯矩区开裂荷载和复合筋的开裂荷载计算公式,计算结果与试验值较为吻合,可为复合筋在钢-混组合梁桥实际工程中应用提供参考。

波形钢腹板组合板梁桥负弯矩区抗弯性能研究

针对波形钢腹板组合板梁桥,为研究负弯矩区关键设计参数和极限抗弯承载能力计算方法,以某三跨波形钢腹板组合板梁桥为背景,采用ABAQUS软件建立有限元模型,探讨波形钢腹板组合板梁桥负弯矩区的受力性能,基于参数敏感性分析明确了负弯矩区钢梁设计参数的合理取值范围,揭示了波形钢腹板组合板梁桥负弯矩区抗弯特性,提出适用于波形钢腹板组合板梁桥的负弯矩区抗弯计算方法。结果表明:支点波形钢腹板厚度由抗剪及屈曲强度控制,负弯矩区受压下翼缘板宽厚比不宜大于28,波形钢腹板抗弯贡献仅约5.7%,实际工程中负弯矩区抗弯承载力计算可忽略波形钢腹板影响。

负弯矩区部分充填式窄幅钢箱-UHPC-NC组合梁抗剪承载力研究

为研究部分充填式窄幅钢箱-UHPC-NC组合梁负弯矩区受剪性能,开展3根部分充填式窄幅钢箱组合梁加载试验,研究组合梁的破坏模式、变形及裂缝分布规律。基于ABAQUS软件建立组合梁有限元模型,通过试验结果验证模型的准确性,并分析充填混凝土强度fcu、充填混凝土高度hf、UHPC层厚度hu和剪跨比λ对组合梁抗剪承载力的影响。研究结果表明:3根组合梁钢箱上箱室均发生剪切破坏,翼板跨中出现弯曲主裂缝,加载点与支座间产生剪切斜裂缝。在弹性阶段,UHPC和NC、钢箱与翼板协同工作性能良好,NC翼板组合梁端部表现出明显的剪切破坏;UHPC翼板组合梁的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载较NC翼板组合梁分别提高55%、37.5%和12.5%,最大裂缝宽度从1.48 mm降至0.82 mm。有限元模型计算与试验结果吻合良好,可用于组合梁受力性能参数分析。组合梁抗剪承载力随hu的增加基本呈线性关系,当hu从0增加至100 mm时,组合梁抗剪承载力提高12.5%;当hf达到0.3后、提高fcu对组合梁抗剪承载力的影响并不显著,hf应控制在0.3左右且fcu不宜过高;组合梁抗剪承载力随着λ的增加基本呈线性关系递减,λ=2.8为组合梁弯剪破坏和受弯破坏界限剪跨比。提出考虑钢箱、充填混凝土和翼板贡献的组合梁抗剪承载力计算公式,并与试验和数值模拟结果进行验证分析,结果吻合良好且偏于安全。

大跨度铁路钢-混组合梁负弯矩区桥面板抗裂措施研究

为研究铁路荷载作用下大跨度钢-混组合梁负弯矩区桥面板开裂情况及抗裂技术,以某主跨168 m的铁路钢-混组合连续刚构桥为背景,采用MIDAS Civil软件对桥面板受力情况进行建模分析,并开展抗拔不抗剪连接件技术及预应力技术对桥面板抗裂性能影响的研究,结合抗裂措施工作原理及施工可行性,提出适用于减小负弯矩区桥面板裂缝宽度的实施方案。结果表明:采用普通栓钉连接、桥面板常规配筋条件下的钢-混组合梁,运营阶段主力及主力+附加力工况下负弯矩区桥面板裂缝宽度均不满足规范要求;墩顶处桥面板与0号块固结及非固结2种形式下,抗拔不抗剪连接件桥面板抗裂方案均不适用,抗拔不抗剪连接件的适应性受桥面板与0号块连接构造及桥面板整体与钢桁架上弦杆顶面连接形式影响较大;对桥面板配置纵向预应力筋能有效降低拉应力水平,设后浇带预应力筋张拉方案负弯矩区桥面板最大拉应力较桥面板浇筑成型后张拉预应力筋方案更低,更能充分发挥预应力效应,且便于工程实施,建议工程应用中宜控制湿接缝占比小于10%,预应力筋锚固断面拉应力突变值宜控制在2 MPa以内。

简支转连续钢-混组合梁负弯矩区连接构造受力性能试验研究

以国内某座简支转连续钢-混组合梁桥工程为依托,设计了两根负弯矩区具有混凝土横梁连续段的试验梁SCB-1和SCB-2,针对不同荷载作用下两根梁的受力性能进行室内试验研究,同时就试验过程中的构件扭转现象进行了有限元分析。结果表明:极限荷载下试验梁破坏模式为钢筋先屈服,负弯矩区横梁连接栓钉受力约为220MPa,满足使用要求,试验梁裂缝主要集中在横梁中线两侧1/5~1/3计算跨径范围内,是构件抗裂的关键区域;构件设计过程中应尽量避免偏载和不均匀支撑的共同作用;扭转现象使得构件整体受力性能降低约20%,实际工程中建议增加横向连接刚度。

简支转连续钢-混组合梁桥负弯矩区设计及工程应用

以国内某座简支转连续钢-混组合梁桥为依托,提出了一种简支转连续结构负弯矩区构造设计方案。采用有限元分析和实桥试验相结合的方法,对简支转连续钢-混组合梁桥负弯矩区的受力性能进行分析,验证了该构造设计的可行性,最后就负弯矩区改善开裂的措施进行了探讨。研究结果表明,对于钢-混组合连续梁桥,简支转连续的施工方法与焊接连续施工方法相比,可减小墩顶负弯矩;承载能力极限状态时,负弯矩区混凝土最大裂缝宽度满足规范要求;桥面板钢筋直径以及混凝土自身力学特性是影响负弯矩区开裂的关键因素,适当加大桥面板钢筋直径、采用超高性能混凝土可以有效减小简支转连续钢-混组合梁桥负弯矩区混凝土的开裂;顶升支座法可以在一定程度上减小墩顶负弯矩,对控制开裂有利。

装配式组合梁负弯矩区阶梯型UHPC接缝抗裂性能试验研究

为提高装配式组合梁负弯矩区桥面板抗裂性能,简化施工工艺,提出了组合梁桥负弯矩区阶梯型超高性能混凝土(UHPC)湿接缝方案。以湖北某装配式组合梁桥为背景,设计制作了1根1∶2缩尺模型试件进行负弯矩加载,对阶梯型UHPC接缝抗裂性能进行试验研究。利用截面非线性计算方法对接缝区域钢筋应变进行非线性分析,基于分析结果,讨论了UHPC基体裂缝宽度实测值与规范计算值之间的差异。结果表明:试件破坏模式为纯弯段内钢梁底板屈曲破坏;负弯矩作用下,钢梁与混凝土桥面板之间的最大滑移量为0.163 mm,接缝区域截面应变分布基本满足平截面假定,接缝与预制部分共同受力良好;UHPC与普通混凝土(NC)具有不同的裂缝分布特征,UHPC裂缝分布较密,而NC裂缝分布较疏;接缝区域内,区域Ⅱ以及接缝截面裂缝发展较快,钢-UHPC截面抗裂能力强于钢-NC-UHPC截面;试件接缝区域桥面板顶面裂缝宽度达到0.1 mm时,接缝界面名义应力超过12.8 MPa,安全系数达到了1.69;非线性计算方法可以有效预测钢筋应变;接缝区域UHPC基体裂缝宽度宜采用UHPC行业标准或法国UHPC规范进行计算,计算时宜考虑混凝土的抗拉贡献;阶梯型UHPC接缝方案具有优异的安全与耐久性能,施工方便,能够满足实际工程需求。

负弯矩区钢-混凝土组合梁腹板开洞处钢筋受力性能研究

为了解负弯矩区腹板开洞钢-混凝土组合梁的内部受力钢筋的力学性能,对多个腹板开洞组合梁试件进行了试验研究和有限元分析,研究重点是洞口区域混凝土板内的钢筋受力特点和规律.试验及分析结果表明:负弯矩作用下,腹板开洞组合梁的破坏发生在洞口区,而不是弯矩最大处,洞口区混凝土板裂缝开展迅速并最终断裂,洞口处发生了明显的空腹破坏,洞口四角出现了次弯矩;在次弯矩作用下,洞口区混凝土板内的受力钢筋一部分受压,一部分受拉,钢筋的抗拉作用并没有充分发挥,其中洞口左端的上层钢筋受拉最为明显,抗拉作用较好;在合适的位置添加附加钢筋可以限制洞口上方混凝土板的裂缝开展,能够有效的提高试件的承载力和变形能力,其中在距离中心轴65 mm处添加直径为8 mm的附加钢筋时,试件的承载力和变形能力的提高效果最好.

跨线连续钢—混组合梁桥负弯矩区抗裂措施设计与研究

为改善跨线连续钢—混组合梁桥负弯矩区的受力性能以解决桥面板开裂问题,以深圳某高速改扩建工程4×85 m连续钢—混组合梁桥为研究对象。基于有限元法,研究增设预应力筋、支点升降法、后浇成型、微膨胀混凝土以及增大配筋率对负弯矩区桥面板抗裂性能的影响。结果表明:桥面板后浇成型可消除一期恒载引起的桥面板拉应力;支点升降法和预应力筋均能在桥面板中引入预压应力,有效降低桥面板的应力水平;增大配筋率只能减小最大裂缝宽度,当配筋率小于1.2%时,随着截面配筋率的增加,桥面板的最大裂缝宽度迅速减小,当配筋率超过2.4%时,随着截面配筋率的增加,桥面板的最大裂缝宽度减小幅度变小;微膨胀混凝土可有效减小桥面板的拉应力。最后基于工程实际提出了综合抗裂措施,可为后续类似工程设计提供参考。

钢混组合梁桥负弯矩区开裂应对研究

对钢-混凝土组合结构梁桥在负弯矩区混凝土桥面板受拉开裂问题及其研究概况进行了论述。通过对SCI、EI、中国知网等数据库进行大量的相关内容的检索阅读及整理,归纳并论述了钢-混凝土组合梁桥负弯矩区混凝凝土桥面板开裂问题的出现原因、研究意义、研究概况、基本内容及未来研究趋势。结果表明:组合梁负弯矩区混凝土开裂问题对桥梁耐久性等性能有较大影响;各国综合考虑钢筋和混凝土间粘结应力-滑移关系、钢梁与混凝土界面的滑移效应、混凝土收缩徐变以及拉伸刚化效应等,给出了关于混凝土桥面板裂缝宽度计算的公式,但各公式在考虑的影响因素项上存在差异,精确度不等;目前,学者们提出了施加预应力法、增强配筋法、UHPC湿接缝法三种主要的控制裂缝的手段,其中施加预应力法和增强配筋法各有优缺,且往往需要几种方法配合使用,UHPC湿接缝则兼具力学、施工、经济优势,但仍在探索阶段。有关于钢-混凝土组合结构梁桥的负弯矩区混凝土桥面板开裂仍是一项需妥善解决的问题。

外包内翻U形钢-混凝土简支组合梁负弯矩区有效翼缘宽度分析

外包内翻U形钢-混凝土简支组合梁作为一种新型组合梁,其负弯矩区有效翼缘宽度被研究得甚少。为了探索该种新型组合梁负弯矩区有效翼缘宽度的影响因素,在本课题组负弯矩区受弯性能试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS分析了有效翼缘宽度的变化规律,并针对跨中截面详细研究了荷载类型、宽跨比(b_(f)/L_(0))和高厚比(h/h_(f))对弹性和弹塑性阶段有效翼缘宽度的影响规律。研究结果表明:不同荷载类型下,均布荷载作用下的有效翼缘宽度大于非均布荷载作用下的有效翼缘宽度;当b_(f)/L_(0)<0.40时,有效翼缘宽度系数β近似等于1.00且不随宽跨比变化,当0.40≤b_(f)/L_(0)≤1.00时,β随宽跨比的增大而近似线性减小,弹塑性阶段的β略大于弹性阶段的β,且减小率小于后者;高厚比对有效翼缘宽度的影响可以忽略。基于有限元分析结果,提出了有效翼缘宽度的简化计算公式,并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的公式进行了对比。对比结果表明:相较于《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的计算结果,本文公式的计算结果与有限元计算结果吻合得更好;规范计算结果与另外2种方法的计算结果差别较大,偏于保守。

钢桁-混凝土组合连续梁桥面板负弯矩区抗裂技术研究

为解决大跨度连续组合桁架桥面板负弯矩区开裂问题,分别以主跨80,120 m的钢桁-混凝土连续组合梁为研究对象,采用midas Civil 2021软件建立空间杆系模型,并分别按优化施工顺序法、预加荷载法、施加预应力法、抗拔不抗剪剪力钉连接技术,以及综合抗裂技术等方法进行抗裂性能对比分析。结果表明,采用优化施工顺序使桥面板负弯矩区拉应力降低明显,但由于钢桁梁节点处的剪力集中效应,全桥桥面板拉应力仍较高;预加荷载法在预加力超过一定限值后,对负弯矩区抗裂能力再无贡献;施加预应力法可直接解决负弯矩区开裂问题,但预应力产生的次内力对主桁受力影响较大;抗拔不抗剪连接件可有效释放负弯矩区拉应力,但难以降低桥面板整体拉应力水平;综合抗裂技术在采用抗拔不抗剪连接件的同时,优化施工顺序,分期张拉钢束并改变桥面板的叠合时机,具有良好的的抗裂性能。

负弯矩区PBL剪力连接件剪切性能试验研究

当PBL剪力连接件应用于连续组合梁负弯矩段等拉应力区时,拉应力场是影响其抗剪性能的关键因素。为明晰拉应力对组合结构桥梁负弯矩段中圆孔形PBL连接件的影响规律,该文设计并开展5组共12个PBL连接件推出试验,研究当混凝土板处于拉应力场时连接件的剪切性能和承载机理。试验结果表明:与压应力场下的连接件相比,处于拉应力下的连接件开裂荷载更小且裂缝发展得更快,这是由于拉应力场降低了混凝土榫的约束程度,加快了混凝土的损伤发展。当试件处于拉应力场时,无贯穿钢筋连接件的极限承载力、抗剪刚度分别是压应力场连接件的0.78倍、0.89倍,有贯穿钢筋连接件的极限承载力是压应力场连接件的0.93倍,两者抗剪刚度较为接近,说明贯穿钢筋的存在能一定程度上缓解拉应力对连接件力学性能的“削弱”作用。对于处于拉应力场的连接件,当纵向钢筋配筋率从0.75%增加到1.88%时,其抗剪承载力增幅为9.57%,抗剪刚度增幅为40.12%,同时试件的横向裂缝显著减少。原因是更加密集的纵向钢筋增强了混凝土榫的约束程度,抑制了混凝土在拉应力作用下的损伤和开裂,进而提高连接件的抗剪承载力和抗剪刚度。最后,基于试验结果和有限元分析,提出考虑拉应力场和纵向钢筋配筋率影响的混凝土榫抗剪承载力折减系数,并对现有各抗剪承载力公式进行修正。

钢混叠合梁在负弯矩区的承载力及开裂控制技术

为探析预应力钢-混箱形组合连续梁墩顶处负弯矩区承载力等性能,按照1∶4的缩尺比例构建出了项目的模型梁,对该模型展开纯弯测试。通过有限元计算,得出计算结果表明:经过张拉测试后,模型梁发生塑性弯曲失效,且结构表面裂隙均匀分布,相邻裂隙间间隙距离较为接近,开裂弯矩达156.0 kN·m;预应力张拉值的大小发生变化后,混凝土板对称轴一侧预应力筋合力点与对称轴间距离S与1/2板宽B之比保持在0.15~0.5,说明结构承受较大开裂荷载。

钢混组合连续箱梁桥负弯矩区设计研究

为有效改善连续钢混组合箱梁桥负弯矩区受力性能,以临汾市滨河西路与彩虹桥、景观大道立交桥项目为工程案例,提出基于顶升工艺的连续钢混组合箱梁桥负弯矩区设计方法。对桥面板施工工序、支点顶升顺序、桥面板存放龄期等顶升设计参数展开研究,以期桥面板和钢梁达到良好的受力状态,并对结构线型进行了施工全过程监控。研究表明:皮尔格法可有效降低中支点桥面板拉应力,降低幅值达60%;支点顶升顺序会显著影响桥面板预压应力效果,各支点桥面板预压应力均匀是评价顶升顺序的重要技术指标;随着桥面板存放龄期的增长,其裂缝宽度明显减小。临汾市滨河西路与彩虹桥、景观大道立交桥项目的建成是基于顶升工艺的连续钢混组合箱梁桥在市政桥梁工程领域的一次成功尝试,其负弯矩区设计思路、设计参数取值可对国内钢混组合桥梁的大规模建造提供很好的借鉴意义。

组合梁桥负弯矩区预应力张拉范围研究

为了探究使用以预应力为主要抗裂方式的群钉预制板抗裂措施时的预应力张拉范围,同时为连续组合梁桥预应力张拉范围提供参考,依托某三跨连续组合梁桥工程,建立了双箱连续组合梁桥Midas模型,按照欧洲规范的迭代算法确定纵梁的开裂范围,研究跨径、边中跨比与梁高对负弯矩区预应力构件预应力张拉范围的影响。研究结果表明:边中跨比对于开裂的分布存在较大的影响;跨径、高跨比与边中跨比都会影响开裂区域的长度,但引入开裂比例α可以弱化边中跨比的干扰,使设计时更容易确定开裂区域长度。

组合梁桥负弯矩区临时竖向约束设计研究

为了提高组合梁桥负弯矩区的抗裂能力,提出了一种先张拉后结合的预制板群钉抗裂措施。为了保证预应力张拉时预制板的平面内稳定性,需要在张拉过程中设置临时竖向约束。根据某三跨连续组合梁桥,建立了跨径50~80m的4组Midas模型,并且保持预制板和湿接缝尺寸不变,保持主梁形式和间距不变,保持施工步骤不变,保持高跨比不变,计算所需的预应力,根据预应力研究设计了相应临时竖向约束的布置方法。研究结果表明:对于50~80m跨径的连续组合梁桥,若在预制板的每个剪力槽内均设置抗拔剪力钉,则抗拔剪力钉远多于最低抗拔要求的根数,不论是凸曲线还是凹曲线,其抗拔能力均满足要求。

钢混组合连续梁负弯矩区桥面板设计方法研究

钢混组合梁桥设计关键点之一是能否有效抑制负弯矩区桥面板开裂,若设计不当会造成极大的安全隐患。本文以北京市京雄高速公路中一跨径为40+60+40m的钢混组合梁为研究背景,采用Midas Civil软件建立三维杆单元有限元模型,对负弯矩区采取不同施工方法,定量比较中支点处混凝土桥面板及钢箱梁的应力差异,定性分析不同设计方法的施工适用性及优缺点。最后提出采用后浇筑中支点混凝土桥面板以及施加中支点强迫位移的组合方法,在提高中支点桥面板压应力储备的同时优化其预应力钢束用量。

FRP筋增强钢-ECC组合梁负弯矩区力学性能研究

为了研究FRP筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区的力学性能,对FRP筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁建立有限元模型,基于荷载-挠度曲线和破坏形态验证了有限元模型的合理性。在此基础上,研究了ECC强度、BFRP筋配筋率和波纹钢腹板强度等因素对FRP筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区力学性能的影响。研究结果表明:BFRP配筋率对FRP筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区的承载力基本没有影响,设计建议按构造配筋率取值;随着ECC抗拉强度和波纹钢腹板强度的增加,FRP筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区的承载力略微提高,但增幅不明显。