预制钢-UHPC组合梁中橡胶-短栓钉剪力件的抗剪性能试验研究

为了探究钢-UHPC组合梁中橡胶-短栓钉剪力件的抗剪性能,试验设计并制作了10个推出试件,研究橡胶套筒尺寸和加载制度对其抗剪性能的影响规律。试验结果表明:试件以栓钉剪断为主要破坏形式,并伴随栓钉附近局部混凝土压碎。橡胶套筒厚度对剪力件的抗剪承载力影响较小,橡胶套筒厚度为2mm的组合剪力件承载力为普通剪力件的94%。随着橡胶套筒厚度的增加,剪力件的抗剪刚度随之下降,最小为普通剪力件的87%;相对滑移则随着厚度增加而增加,最大为普通剪力件的142%。而随着橡胶套筒的高度增加,剪力件的抗剪承载力随之减少,橡胶套筒高度为50mm的组合剪力件承载力为普通剪力件的89%;随着橡胶套筒高度的增加,剪力件的抗剪刚度随之下降,最小为普通剪力件的75%;相对滑移则随着高度的增加而增加,最大为普通剪力件的137%。

采用支点位移法施工的斜拉桥钢-UHPC组合梁受力分析

为了解采用支点位移法施工对大跨度斜拉桥钢-UHPC组合梁负弯矩区力学性能的改善情况,以主跨442 m的沾临高速公路黄河特大桥主桥为背景,采用MIDAS Civil软件建立主桥三维有限元模型进行受力分析。计算无应力索长及成桥状态钢-UHPC组合梁线形,并在二者保持不变的基础上,分别对采用、未采用支点位移法施工的钢-UHPC组合梁成桥及运营状态下的弯矩、梁底应力、UHPC桥面板顶(底)缘应力进行对比分析。结果表明:相比于未采用支点位移法,采用支点位移法施工的钢-UHPC组合梁斜拉桥可减小或者消除辅助墩处组合梁的负弯矩,显著增加辅助墩处负弯矩区UHPC桥面板的压应力储备,达到施加预应力的效果,显著改善了负弯矩区钢-UHPC组合梁的力学性能,应用效果良好。

钢-UHPC组合梁桥负弯矩作用下的设计优化

负弯矩区开裂是钢混组合梁桥的主要技术难题,利用钢-超高性能混凝土(UHPC)可以显著改善甚至规避钢混组合梁桥负弯矩区的开裂问题。本文基于钢-UHPC组合梁数值分析,研究了不同设计参数对钢-UHPC组合梁桥在负弯矩作用下的极限承载能力和开裂弯矩的影响。研究结果表明,采用一定厚度的UHPC和普通混凝土组合的方式可以显著改善结构的抗裂性能,而增加UHPC强度等级、厚度尺寸以及栓钉的直径对于刚度和极限抗弯承载能力并没有显著影响。这些结果可以为钢-UHPC组合梁桥的设计提供优化参考。

钢-UHPC组合梁单钉连接件抗拔性能分析

为研究钢-UHPC组合梁单钉连接件的抗拔性能,通过6组UHPC中单钉连接件的拉拔试验和ANSYS软件数值计算,分析了栓钉直径、高度对抗拔承载力和破坏模式的影响.提出了钢-UHPC单钉连接件抗拔承载力计算公式,得到了不同UHPC和栓钉强度下栓钉钉杆拉断和UHPC开裂2种典型破坏模式的高径比界限.结果表明,若高径比大于界限值,抗拔试件破坏时栓钉钉杆被拉断,UHPC板完好,属于延性破坏;若高径比小于界限值,试件为UHPC开裂破坏,栓钉脱出,UHPC冲切破坏面与竖直面的夹角约为43°,属于脆性破坏.钢-UHPC单钉连接件抗拔承载力公式的计算值略低于模拟值,相对误差小于10%.

钢-UHPC组合梁抗弯性能理论研究

为解决钢-NC组合梁桥自重大、易开裂的难题,提出了钢-UHPC组合梁桥结构。基于组合梁正弯矩抗弯性能试验,对梁体力学性能进行了理论分析,提出了组合梁抗弯承载力修正的塑性计算方法,计算结果表明:考虑钢梁屈服后强化和UHPC材料裂后抗拉性能的修正的塑性计算方法可以准确计算桥梁工程常见截面的钢-UHPC组合梁的抗弯承载力;进行组合梁竖向挠度计算时,应考虑界面滑移效应的影响;对于钢-UHPC组合梁竖向挠度的计算,栓钉抗剪刚度取1/2Q时计算值更接近试验值。该计算方法可为组合梁理论计算提供一定参考。

钢-UHPC组合梁的长栓钉连接件抗剪性能研究

为了解钢-UHPC组合梁中长栓钉连接件的抗剪承载力和钢-UHPC界面滑移特性,采用推出试验和有限元法进行研究。设计、制作13个采用不同长栓钉布置形式的钢-UHPC试件进行推出试验,同时建立采用不同长栓钉与UHPC接触关系(面面接触、绑定约束、内置区域)的推出试件有限元模型,分析试件的长栓钉抗剪承载力、界面滑移性能,拟合得到考虑UHPC增强系数的钢-UHPC组合梁的长栓钉抗剪承载力、荷载~滑移公式,并与国内外规范、相关研究公式及试验值进行对比。结果表明:钢-UHPC推出试件破坏模式均为长栓钉剪断;采用面面接触的有限元模型荷载~滑移曲线与试验结果较为接近,而采用绑定约束和内置区域的模型中长栓钉受力行为与实际不符,计算值与试验值误差较大;现有规范及相关研究中的栓钉抗剪承载力、荷载~滑移公式计算值与试验值误差较大,本文公式计算值与试验值吻合较好,可用于长栓钉连接件钢-UHPC组合梁抗剪性能的初步确定。

钢-UHPC组合梁剪力滞效应研究

基于Gjelsvik位移模式与修正的翘曲位移函数,建立一个能同时考虑界面滑移和剪力滞效应的钢-UHPC组合梁模型,研究以矮肋板作为桥面体系的新型组合梁剪力滞效应。利用最小势能原理,得出简支组合梁在均布荷载和集中荷载下的解析解,并将解析解与试验值和ANSYS结果进行对比,验证解析解的适用性和准确性。比较矮肋板与矩形板桥面体系组合梁剪力滞效应的差异,发现相同荷载工况下,矮肋板有效宽度系数比矩形板减少了近17%,说明矮肋板桥面体系组合梁剪力滞效应更明显。对组合梁剪力滞效应影响因素进行分析,发现矮肋板桥面体系组合梁剪力滞效应除与宽跨比、荷载类型、荷载作用位置有关外,还与剪力连接件的剪切刚度、UHPC翼缘板参数取值等因素有关。研究结果还表明:适当减小宽跨比、剪力连接件的剪切刚度都可降低矮肋板桥面体系组合梁剪力滞效应。

钢-UHPC组合梁自锚式悬索桥力学性能与经济性分析

为了解钢-UHPC组合梁自锚式悬索桥的受力性能及经济性,以益阳青龙洲特大桥为背景,建立全桥空间有限元杆系结构模型及组合梁局部有限元模型,研究钢-UHPC组合梁的抗弯承载能力、UHPC桥面板的抗裂能力,并与常规钢-混组合梁经济性进行对比。结果表明:在最不利组合下,组合梁箱形钢主梁、钢横梁的最大拉应力分别为206.3MPa、212.9MPa,小于钢材抗拉强度设计值;正截面承载能力状态UHPC桥面板上、下缘最大压应力分别为33.76MPa、24.4 MPa,安全系数达1.85,结构受力安全;频遇组合下UHPC纵肋下缘最大拉应力为16.73MPa,为初裂应力的89%,抗裂性能良好。桥面板采用UHPC结构时,比采用普通混凝土结构增加了163%的建造费用,但综合结构变化后的其他主要分部工程,总体建造成本仅增加2.0%,考虑到UHPC结构优异的力学性能及耐久性,钢-UHPC组合梁方案经济上较为合理。

钢-UHPC组合梁斜拉桥桥面板裂缝宽度计算方法研究

针对钢-UHPC组合梁斜拉桥设计过程中桥面板裂缝宽度计算缺乏依据的问题,开展了理论与试验研究。理论计算发现:在最大拉应力相同的条件下,UHPC桥面板轴拉受力状态的裂缝宽度为纯弯受力状态裂缝宽的7.8倍,揭示了常规采用纯弯板试验的名义应力来衡量桥面板抗裂性能偏不安全的问题。提出了组合应力裂缝宽度的计算方法:考虑截面与材料的非线性,推导了桥面板受压区高度与曲率的计算公式,根据法国规范(NFP 18-71016 April 2016),得到了裂缝宽度计算方法。并开展了UHPC桥面板开裂试验,试验结果与计算值吻合较好,验证了计算结果的准确性,为钢-UHPC组合梁桥面板裂缝宽度计算提供了一种实用的方法。

钢-UHPC组合梁新型胶栓连接件受力研究

为了探究环氧胶与传统栓钉组合的新型剪力连接件的受力机理,文中浇筑8组UHPC试件进行推出试验,以有无环氧胶为对比试验。试验表明13mm直径的新型胶栓剪力连接件的组合效果是最好的,钢-UHPC组合梁栓钉连接件在加载过程中,首先由环氧胶承受荷载作用,栓钉受力与变形很小,当环氧胶破坏之后,栓钉再承受荷载作用直至被剪断。

螺栓连接钢-UHPC组合梁负弯矩区抗弯有限元分析

为分析高强螺栓连接件对钢-UHPC组合梁抗弯性能的影响,采用Abaqus有限元软件建立11组钢-UHPC组合梁非线性分析模型,研究钢梁上翼缘不同开口孔径、螺栓预紧力条件下钢-UHPC组合梁的刚度、抗裂性以及变形能力。结果表明:钢梁上翼缘开孔直径对组合梁刚度有影响且在一定范围内,开孔直径与螺栓杆直径差越大,组合梁抗裂性越好;螺栓预紧力越大,组合梁的延性与转动能力越小。

钢-UHPC组合梁负弯矩区抗弯试验分析

研究了带有湿接缝的钢-UHPC组合梁在负弯矩作用下的抗弯性能。共制作了6个试件,对有无湿接缝钢-UHPC组合梁以及矩形湿接缝和T形湿接缝受力性能分别进行了对比研究;总结和讨论了钢-UHPC组合梁的试验观测结果、裂缝形态、破坏模式。结果表明:湿接缝的存在降低了钢-UHPC组合梁的承载能力,同时,湿接缝的存在对开裂荷载和开裂位置有影响,导致不同的裂缝分布;湿接缝形状的差异对屈服荷载和极限荷载的影响不显著,但其表现出不同的开裂发展过程。

钢-UHPC组合梁受弯性能非线性分析

钢-UHPC组合梁受弯性能的非线性分析是掌握其受弯性能的关键手段。文章依据超高性能钢纤维混凝土UHPC损伤塑性本构关系,采用有限元软件建立了钢-UHPC组合梁非线性数值模型,通过全过程破坏力学性能对比验证了数值模型的适用性,并进一步分析了构造尺寸、材料强度参数变化对钢-UHPC组合梁受弯性能的影响规律。结果表明:所建立的钢-UHPC组合梁的损伤力学模型能够较好地模拟钢-UHPC组合梁地全过程受弯破坏行为;钢-UHPC组合梁的极限承载力随钢材屈服强度的提高最为显著,随钢梁翼缘宽度、腹板厚度、UHPC翼板厚度的增大有一定提高,而随UHPC强度等级的增大提高较小;其延性性能随UHPC强度等级的增大而显著提高,随钢材屈服强度、腹板厚度、钢梁翼缘宽度的增大而显著降低。

钢-UHPC组合梁纵向抗剪性能试验研究

钢-超高性能混凝土(UHPC)组合梁的纵向抗剪性能严重影响组合梁的正常使用和结构安全性。为探究钢-UHPC组合梁的纵向抗剪性能,完善钢-UHPC组合梁中UHPC板的纵向抗剪承载能力计算公式,对2个钢-UHPC组合梁试件展开了四点弯曲试验,通过试验观测得到该组合梁的开裂损伤模式、荷载-挠度曲线、钢-混界面滑移发展等结构行为。在试验研究的基础上,基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型建立了该组合梁的有限元模型,通过将有限元模拟得到的荷载-挠度曲线与试验得到的结果对比,证明了该有限元模型的正确性。基于该数值模型,通过参数分析确定了UHPC板中斜压杆发展角度,给出了斜压杆发展角度的拟合公式。基于传统的钢筋混凝土拉压杆理论,考虑UHPC抗拉强度,修正了钢-UHPC组合梁纵向抗剪承载能力计算公式。结果表明:布置纵向双排栓钉的钢-UHPC组合梁,UHPC板纵向剪切裂缝呈八字形延伸发展,其裂缝发展形式与相同栓钉布置方式的普通混凝土板相似;钢-混凝土组合梁采用UHPC翼缘板,拉-压杆模型中压杆与拉杆的承载力均得到提高,能有效提高混凝土板纵向抗剪承载能力;通过与数值结果对比,证明修正的钢-UHPC组合梁的纵向抗剪承载力计算公式具有良好的精度。

钢-UHPC组合梁斜拉桥多尺度有限元分析与试验研究

为确保富龙西江特大桥的新型钢-UHPC桥面板具有足够的抗裂性能和极限承载力,首先通过多尺度有限元分析计算出最不利工况下的应力状态,包括采用全桥杆系有限元模型计算第1体系应力和采用局部精细有限元模型计算第2体系应力。然后,开展了一系列钢-UHPC组合桥面板及其湿接缝的足尺模型试验,验证了桥面板系统在上述应力状态下的可行性。试件包括1块简支整浇钢-UHPC组合板、1块两跨连续整浇钢-UHPC组合板、1块带燕尾榫湿接缝的简支钢-UHPC组合板。有限元分析结果表明:第1体系和第2体系的应力叠加后,钢箱梁的最大纵向应力为156.04 MPa,最大横向应力为48.18 MPa;UHPC的最大压应力为21.67 MPa,最大拉应力为3.88 MPa。足尺模型试验的结果表明:湿接缝是桥面板的薄弱部位;燕尾榫湿接缝的名义开裂应力为10.2 MPa,比整浇UHPC低41.4%,但仍达到了有限元分析所得最大拉应力的2.6倍,表明抗裂性能有足够的富余度;所有试件均发生延性良好的弯曲破坏,由于开裂后的承载能力储备充足,在一定限度内的超载工况下不会发生破坏。综合有限元分析和试验的结果可知,富龙西江特大桥在运营阶段的受力状况良好,不存在桥面板开裂风险,钢箱梁处于弹性受力状态。

钢-UHPC轻型组合梁负弯矩区接缝抗弯试验

针对传统钢板组合梁墩顶负弯矩区混凝土顶板易开裂的问题,提出了一种预制钢-UHPC轻型组合梁结构,设计了适用于该组合梁墩顶负弯矩区的横向接缝构造,通过强配筋及现浇UHPC材料的方式提高负弯矩区阶梯状T型湿接缝的抗弯、抗裂性能。以云南昌保高速公路某跨线桥为依托工程,对组合梁墩顶负弯矩区进行1∶2缩尺模型抗弯加载试验,分析了加载全过程的荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线及截面应变分布、裂缝开展、破坏形态等,结果表明:横梁上部UHPC湿接缝的设置协同横梁构造有效提升了墩顶负弯矩区的抗裂性能;由于新旧UHPC界面钢纤维不连续,使得负弯矩区现浇UHPC与预制梁UHPC桥面板结合处成为结构受力最薄弱位置,组合梁抗弯承载力也由该处截面控制,提出了与横梁接缝结构破坏模式相对应的接缝截面塑性抗弯承载力计算方法,抗弯承载力理论计算值与试验值基本相符。

钢-UHPC轻型组合梁施工技术研究

钢-UHPC轻型组合π梁是一种新型结构形式,将工字钢梁与UHPC桥面板相结合形成“π”形组合梁,具有结构轻盈、施工便捷、安全耐久等优点。本文以首座钢-UHPC轻型组合连续梁桥--麻埔停车区跨线桥为依托工程,介绍了钢-UHPC轻型组合结构体系在先简支后连续桥梁中的特点、施工方法以及UHPC质量控制要点,以期为同类型工程施工提供参考。依托工程的实施表明:UHPC桥面板与钢梁整体预制,一次成型;组合梁无繁杂的预应力张拉,构造简单;吊装后无须进行钢板焊接,施工方便快捷。

钢-UHPC轻型组合连续梁桥设计与施工

以云南省保山市昌保高速公路一座3 m×30 m跨线天桥为工程背景,针对传统钢板组合梁负弯矩区混凝土顶板易开裂的问题,提出了一种预制“π”型钢-UHPC轻型组合梁结构,设计了适用于该组合梁的负弯矩区横向UHPC-NSC组合接缝和双榀“π”型梁间纵向UHPC接缝结构。介绍了UHPC材料的配制、钢-UHPC组合梁纵横向接缝设计、纵向接缝模型试验、负弯矩区1∶2缩尺模型抗弯加载试验,以及该桥的预制装配施工流程。相关结构设计、模型试验和工程实践经验可供实际工程参考。

UHPC 在槽形钢-混凝土组合梁的应用与分析

以某大跨连续钢-混凝土组合梁为工程背景,对钢-UHPC组合梁和钢-C50混凝土组合梁进行整体和局部对比分析。结果表明,整体计算中,钢-UHPC组合梁的刚度略小于钢-C50混凝土组合梁,基本组合下钢-UHPC组合梁中钢梁应力比钢-C50混凝土组合梁下降约27%。局部有限元分析中,频遇组合下钢-C50混凝土组合梁的桥面板已开裂;钢-UHPC组合梁桥面板的最大拉应力作用范围比钢-C50混凝土组合梁小,仅出现在纵肋下缘,且最大拉应力小于UHPC材料的开裂应力。钢-UHPC组合梁可大幅降低结构自重,进一步减小钢梁截面,有望解决大跨度连续组合梁中桥面板开裂问题。

基于塑性损伤模型的钢-UHPC组合梁抗弯性能分析

钢-UHPC组合梁是将钢梁与UHPC翼板通过剪力连接件连接而成的一种新型组合梁。对比于钢-普通混凝土组合梁,钢-UHPC组合梁的桥面板厚度由于UHPC的超高强力学性能而大为降低,从而显著减小了组合梁自重荷载,增强了组合梁跨越能力。由于UHPC具有较高抗拉强度和较强微裂缝自愈合能力,钢-UHPC组合梁一定程度上改善了钢-普通混凝土组合梁负弯矩区桥面板在外部荷载及效应作用下极易开裂和耐久性不足等问题,从而较大提升了组合梁安全使用性能,在确保结构良好耐久性的同时降低了后期维护成本。目前,已有文献针对钢-UHPC组合梁精细化力学模型及其数值分析开展研究较少,由于UHPC材料的复杂性,迄今尚无统一的理论模型可全面描述UHPC材料的本构关系。为建立钢-UHPC组合梁精细化数值模型,并在此基础上系统分析钢-UHPC新型组合梁抗弯性能,基于UHPC单轴拉压本构推导了UHPC损伤因子,采用ABAQUS有限元程序建立了受弯破坏实例钢-UHPC组合梁损伤力学数值模型,对比数值计算与试验梁力学性能分析了数值模型的适用性,以UHPC翼板厚度、腹板高厚比、下翼缘厚度为主要结构参数,分析了36根钢-UHPC数值模型组合梁全过程抗弯破坏的力学性能。模型验证分析表明:在破坏阶段前,数值计算荷载-位移曲线与试验曲线响应趋势吻合良好;在破坏阶段后,与试验梁的迅速破坏不同,模型梁展现出了良好的延性性能,数值计算获得了更为完整的荷载-位移破坏阶段与下降段曲线;数值计算损伤演化及损伤分布与试验结果较为吻合。总体上,所建立数值模型能够准确模拟钢-UHPC组合梁全过程破坏行为,真实揭示UHPC翼板损伤过程中应力、应变场转移及开裂、压溃演化特征。抗弯性能分析表明:单位用钢量下,与增大下翼缘厚度相比,增大腹板高厚比对组合梁抗弯承载力提高更大,而增大UHPC翼板厚度对组合梁抗弯承载力提高相对较小;增大下翼缘厚度可显著提高钢-UHPC组合梁弹性抗弯承载力与极限抗弯承载力比值,但同时会一定程度上降低组合梁延性能力。在满足延性需求的前提下,可通过变化下翼缘厚度有效调整组合梁不同弯曲受力阶段抗弯承载力分配,从而满足结构不同承载性能需求。