30 m预应力UHPC箱梁抗弯性能试验及结构优化研究

为了解大尺寸预应力UHPC箱梁的抗弯性能,以预应力UHPC公路桥——河北石磁跨线桥为背景,设计、制作1片长30 m的足尺预应力UHPC箱梁模型进行四点弯曲试验,结合有限元计算结果,分析试验现象及裂缝分布、跨中荷载~位移曲线、受拉区UHPC及筋材应力~应变曲线。在此基础上分别考虑普通钢筋配筋情况、预应力筋数、腹板厚度和底板厚度等参数对预应力UHPC箱梁进行结构优化设计研究。结果表明:箱梁破坏时受压区UHPC未压溃、受拉区钢纤维被拔出,裂缝贯通底板;根据荷载~位移曲线,箱梁受力可分为弹性阶段、裂缝发展阶段、裂缝快速发展阶段和破坏阶段;根据应力~应变曲线,受拉区UHPC在纵筋屈服时仍能贡献抗拉能力;试验现象及力学指标实测值均说明了预应力UHPC箱梁抗弯能力还有很大富裕空间,可进一步优化。完全不配置普通钢筋的预应力UHPC箱梁仍能满足抗弯承载能力极限状态设计要求;底部预应力筋数增多可有效提高受压区UHPC的抗压强度利用率;腹板厚度过薄会造成腹板主拉应力过大问题,不宜薄于8 cm;采用体外预应力的方法可有效减薄底板所需厚度。

UHPC箱梁桥面体系主要设计参数优化及试验研究

为获取UHPC箱梁桥面体系主要设计参数的合理取值范围,以某单跨跨径102 m的UHPC简支箱梁桥为背景,通过单参数影响效应分析和ANSYS优化设计模块分析对桥面板厚度h_(1)、上弦板高度h_(2)、上弦板厚度b及上弦板间距L的合理取值进行优化设计,并对优化后的UHPC箱梁桥面体系开展1∶2缩尺模型试验和有限元模拟,最后对UHPC箱梁桥面体系抗裂性能参数(上弦板受拉钢筋直径和上弦板高度)进行分析。结果表明:h_(1)、h_(2)、b和L合理取值范围分别为UHPC单箱室顶板(不含翼缘)横向跨度的1/40~1/35、1/10~1/8、1/37~1/31和1/2.8~1/1.4,对于背景工程h_(1)、h_(2)、b应分别不小于14、55、15 cm,L应不大于4 m;ANSYS优化结果与力学特性指标优化结果参数取值较为接近,优化后背景工程全桥UHPC体积减少约11.0%;试验梁上弦板发生面内受弯破坏,为UHPC箱梁桥面体系最不利受力部件;试验梁开裂应力值是正常使用极限状态设计值的2.14倍,具有较高安全储备,优化方案能满足工程应用要求;增大上弦板受拉钢筋直径及上弦板高度整体上可有效提高UHPC箱梁桥面体系的抗裂性能。

密集隔板UHPC箱梁体外预应力束转向构造研究

为了探究体外预应力束转向块在密集隔板UHPC(ultra-high performance concrete)箱梁桥中的合理构造形式,结合UHPC箱梁隔板的构造特征,提出了UHPC肋块式转向块构造;以广东某拟建UHPC连续箱梁桥为工程背景,通过建立是否借助隔板进行转向的线弹性对比模型,验证了在承受预应力束转向力时UHPC肋块式转向块对腹板应力的控制效果,提出了UHPC肋块式转向块在承受转向力时的5种局部效应;根据计算结果,设计UHPC肋块式转向块足尺试验,观察其裂缝发展、挠度变化以及破坏形态;建立试验全过程非线性有限元模型,对转向块不同配筋方式进行了参数分析,并提出了配筋建议。结果表明:UHPC肋块式转向块抗裂设计名义应力限值可取9.6 MPa;当UHPC耗材0.2 m3时,UHPC肋块式转向块承受体外预应力束转向力达2 004 k N,同时保证了结构的耐久性。

密集横隔板UHPC箱梁锚固区局部效应分析及配筋设计

为获得密集横隔板UHPC箱梁隔板连通式齿块(即齿块锚固在相邻隔板上)锚固区的应力分布特征及配筋设计方法,以某拟建UHPC连续箱梁桥为工程背景,应用ABAQUS对其锚固区进行了多种参数分析,并基于参数分析结果、力流特征及力流平衡关系对锚固区进行了配筋设计研究。结果表明:在预应力的作用下,隔板连通式齿块锚固区存在隔板弯曲效应在内的6种典型拉应力集中效应,其中隔板弯曲效应主要表现为横隔板内侧面与齿块交接区域的拉应力集中;齿块部位的压应力沿纵桥向先逐渐增大随后逐渐减小,核心受压区位于靠近锚固端部位;与独立三角齿块相比,隔板连通式齿块由于隔板的锚固作用使得其锚固区的拉应力集中效应大为减弱,其中对于径向力效应的减弱效果最为显著;增加隔板宽度及隔板间间距会有效降低锚固区的应力集中效应,但当隔板宽度超过6倍齿块宽度时或横隔板与横肋之间的间距超过2 m时,拉应力的下降趋势变得不明显;多齿块锚固在同一横隔板上对锚固区的不利影响较小,当齿块间距增大到6 m时,多齿块锚固效应转变为单齿块锚固效应;基于已有规范提出的拉压杆模型基本构形及配筋设计方法可用于指导密集横隔板UHPC箱梁锚固区的工程设计。

密集横隔板UHPC箱梁锚固区局部承压性能研究

为获得密集横隔板UHPC箱梁"隔板连通式齿块"的局部承压受力特征及承载能力,该文以某拟建UHPC箱梁桥为工程背景,通过大吨位张拉试验及非线性有限元模型对UHPC箱梁锚固区进行了受力分析,得到了以下结论:UHPC锚固区局压开裂为UHPC的拉应力控制;"隔板连通式齿块"中"局部弯曲效应"和"径向力效应"均不显著,但"锚下劈裂效应"和"隔板弯曲效应"较为明显且为导致锚固区承载失效的重要因素;背景工程中尺寸小巧的"隔板连通式齿块"张拉到4700 kN时无开裂风险,采用25根钢绞线锚固同样能满足承载能力要求,可在实际工程中广泛采纳;UHPC锚固区的拉应变值即便进入到了拉伸应变硬化阶段锚固区仍能正常使用,为建造经济化在设计中可适当利用UHPC的拉伸应变硬化特征。此外,UHPC锚固区局压承载力基于不同承载力公式所得的计算结果差距较大(最大差值达到了40.9%),其中基于Kim公式、《活性粉末混凝土结构技术规程》以及《超高性能混凝土结构设计技术规程》(征求意见稿)中局压承载力计算公式所得结果与FEA结果较为接近。

列车激励下UHPC简支箱梁桥面板局部振动研究

基于现场试验分析高速列车激励下32m简支PC箱梁的局部振动行为。建立车-轨-桥耦合振动分析模型,计算梁体不同位置的加速度响应,与实测结果进行对比验证其可靠性。采用数值方法研究56m简支UHPC箱梁的局部振动特性,对比不同滤波条件下两种箱梁的振动响应,分析车速对局部振动的影响规律,讨论车桥高阶共振机理及其对行车安全性的影响。研究结果表明:梁体不同位置均表现出局部振动特性,顶板中心和翼板边缘最为显著;UHPC箱梁的局部振动较PC箱梁更剧烈;箱梁在特定速度下出现振动较大的现象,与桥面板局部振动模态和列车激励的高阶共振有关;PC箱梁的局部振动受第6和第7共振速度带影响较大,UPHC箱梁受第3、第6和第7共振速度带影响较大。

薄壁型钢UHPC组合箱梁受弯性能试验研究

提出一种新型薄壁型钢UHPC组合箱梁,开展了6根薄壁型钢UHPC组合箱梁与1根薄壁型钢箱梁对比梁的四点弯曲静载试验,利用三维数字图像相关测量技术对箱梁的应力-应变与变形及裂缝性能进行测试分析。研究结果表明:外包UHPC能使薄壁型钢箱梁的破坏形态由局部压屈破坏转变为底部薄壁型钢下翼缘及纵筋先后达到屈服后顶部UHPC压碎的正截面受弯破坏;外包50 mm厚UHPC的未配纵筋与箍筋的组合箱梁试件XL2的正截面受弯承载力比薄壁型钢箱梁试件XL1的对应值提升77.5%;薄壁型钢表面焊接了纵筋与箍筋的组合箱梁试件XL3~XL7的整体协同工作性能得到了大幅度提升,其中,XL4试件的正截面受弯承载力比未配纵筋与箍筋的XL2试件的对应值提升了178.8%;增大薄壁型钢壁厚与外包UHPC层厚度也能在一定程度上提高薄壁型钢UHPC组合箱梁的正截面受弯承载力与抗裂能力。

单向预应力UHPC连续箱梁桥面体系优化设计研究

为方便布置体内预应力束和进一步改善桥面板受力状态,对大跨单向预应力UHPC(Ultra-high Performance Concrete)连续箱梁桥的桥面体系进行优化设计,提出新型正交异性UHPC矮肋板桥面体系方案。以广东省某桥为工程背景,进行了基于正交异性UHPC矮肋板桥面体系方案的UHPC箱梁结构试设计并开展相关的试验研究。结果表明:(1)与矩形桥面板方案相比,优化的正交异性UHPC箱梁矮肋板桥面体系自重可减少17.0%,并可在矮肋板纵肋处方便地布置体内束;与华夫桥面板方案相比,可在不明显增加桥面体系自重的前提下,大幅减小桥面板的纵向应力,降幅可达46.8%;(2)基于正交异性UHPC矮肋板桥面体系的UHPC箱梁方案试设计整体计算满足受力要求,桥面体系计算中标准组合作用下桥面板最大纵向拉应力2.66MPa,横隔板最大横向应力6.09MPa;(3)试验及计算结果表明,矮肋板试件初裂名义应力8.84MPa,抗裂设计名义应力限值10.70MPa,UHPC箱梁横隔板上弦板底面横向应力达到8.43MPa时仍处于线弹性受力阶段,表明试设计方案能满足设计要求。

UHPC简支箱梁桥的剪力滞效应分析

为研究箱梁的剪力滞效应,运用能量变分法和有限元法对比分析了48 m UHPC简支箱梁和C60混凝土简支箱梁在不同荷载工况下,跨中截面和沿梁纵向截面的剪力滞系数分布规律和应力差异。结果表明:变分解和有限元解吻合较好,跨中截面和沿梁纵向截面在工况II下剪力滞效应最明显,在顶板和底板与腹板交接处有最大的剪力滞系数,UHPC箱梁最大剪力滞系数是C60混凝土的0.6%,但UHPC箱梁相比于C60混凝土箱梁截面尺寸减小,使其自重比C60混凝土轻32%;箱梁的最大应力均在工况II下跨中截面,UHPC箱梁的应力大于C60混凝土的应力;相比于各自的极限抗压和抗拉强度,两者压应力均有富余,而拉应力UHPC富余3%,C60混凝土富余-82%。

超大跨径UHPC简支箱梁拼装施工

本文针对桥梁施工技术领域,具体为超大跨径预应力超高性能混凝土(UHPC)简支箱梁拼装施工工艺。北江四桥跨越大站镇岸河堤一跨102 m预应力超高性能混凝土(UHPC)简支箱梁,为单向预应力结构,纵向按全预应力构件设计,混凝土强度为 R120。每幅由 25 节预制 UHPC 简支箱梁拼接而成,其中单个节段最长是 5 m,最重约 142 t。节段梁由梁场处 160 t 龙门吊吊运至 200 t 运梁车上,并由运梁车沿便道运输至桥位提梁站,采用 600 t 汽车吊进行吊装,通过调梁小车将节段纵移至安装位置,节段胶拼后进行临时预应力张拉,体外预应力施工,最后进行湿接缝施工完成 UHPC 简支箱梁拼装工作。