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。

UHPC-部分充填窄幅钢箱组合梁抗弯性能

为研究UHPC-部分充填窄幅钢箱组合梁负弯矩下的抗弯性能,制作了6根试验梁探究翼板配筋率、UHPC钢纤维掺量及板厚对组合梁截面应变分布、破坏形式及极限承载力的影响。试验结果表明:3%钢纤维掺量的UHPC翼板开裂荷载比0、1%、2%钢纤维掺量的UHPC翼板分别大63.1%、29.8%、7.7%,说明钢纤维的加入,能够控制裂缝的发展,提高翼板的塑性,可有效改善破坏时的脆性现象。翼板配筋率提高1%时,抗弯承载力提高5.3%。用UHPC替代翼板1/2厚度的普通混凝土,开裂能力提高了56.2%,极限荷载提高了7%。基于简化塑性理论提出了组合梁抗弯承载力计算式,计算值与试验值吻合较好。

武汉理工二桥UHPC天桥设计与施工

武汉理工大学理工二桥横跨友谊大道,是连接南北校区的主要通道。该桥位于友谊大道主线高架和地面辅道之间,受天桥上、下通行净空和校区场地限制,要求梁高不超过1m。根据交通疏导要求,上部结构采用预制吊装法施工。为降低梁高并减轻梁体重量,主桥采用UHPC超高性能混凝土,单箱三室鱼腹形截面,梁高1m,边腹板及顶板仅10cm。利用Midas有限元软件对该桥各项指标进行验算,结果均满足规范要求且有较大富余,体现了超高性能混凝土在桥梁设计施工中的实用性。

大跨度曲线UHPC连续刚构箱梁桥的设计研究与实践

以上海市松江区外下洋路油墩港桥为研究对象,研究基于UHPC的大跨度曲线连续刚构桥的总体设计和构造设计;结合体内及体外预应力布置方式,研究节段箱梁及下部桥墩的装配化施工方案。分别建立空间梁单元模型和整梁空间实体单元模型进行计算分析,并对计算结果进行对比分析。分析结果表明空间实体单元模型的应力分布与空间梁单元相比趋于均匀,采用空间梁单元模型的计算结果进行分析验证偏于安全,结构受力完全满足要求。该工程首次提出采用钢结构横隔板代替传统混凝土横隔板,钢结构横隔板构造简单,便于节段箱梁的预制施工。从空间实体单元模型计算结果来看,钢横隔板与UHPC横隔板的作用效果基本一致,满足结构整体受力性能的需求。

64m节段预制UHPC高速铁路简支箱梁设计及拼装架设过程受力分析

文中利用UHPC对64 m大跨度节段预制高速铁路简支箱梁展开设计研究,对其构造设计、静力、动力计算、稳定性分析、和拼装架设过程的受力进行分析.结果表明:64 m节段预制UHPC简支箱梁结构受力和变形均满足规范要求,施工和运营阶段均不发生失稳破坏.拼装过程架桥机-吊杆-主梁三者刚度耦合共同受力不可忽略,且架桥机抗弯刚度对主梁影响较大,而吊杆抗拉刚度对其影响较小.

UHPC在现浇预应力混凝土箱梁齿块中的应用

预应力混凝土箱梁齿块因其优良的传力性能,在桥梁工程中得到广泛应用。然而,在实际应用过程中预应力混凝土箱梁齿块存在一些挑战,特别是在张拉预应力筋的过程中,预应力混凝土齿块常常发生开裂现象。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)作为新型水泥基材料,由于其超高的力学性能和耐久性能,被认为是应对齿块开裂问题的优良选择。阐述了超高性能混凝土的力学性能、耐久性能,结合某引桥现浇预应力混凝土箱梁多个齿块在预应力张拉过程中发生开裂现象,在采用超高性能混凝土对损坏齿块修复的同时,从局部承压区破坏理论和有限元分析,揭示了混凝土齿块的开裂机理。研究结果表明,混凝土强度和局部承压提高系数对齿块局部承压承载能力影响较大。最后,对预应力混凝土箱梁钢束张拉齿块的施工给出了注意事项和改进措施。

低高度预应力UHPC-RC组合箱梁桥设计研究

针对福建某人行天桥的工程背景,基于UHPC的优异性能,研究开发了低高度预应力UHPC-RC组合箱梁桥。研究进行了组合箱梁的设计与计算分析,并根据模型试验获得新型结构的基本受力性能。随后,利用经试验结果验证后的有限元模型,针对新型结构的不同参数对结构受力性能,尤其是承载力的影响进行了深入分析。研究结果表明,采用UHPC-RC材料设计的桥梁,其强度、挠度以及自振频率计算均能满足现行桥梁规范的要求。同时,UHPC在人行天桥中可有效减轻自重、减小结构尺寸,提升桥梁结构的刚度和稳定性,充分发挥其材料特性。采用预制拼装施工方法,可充分利用UHPC的抗拉强度,增大预制块大小,减小预应力及普通钢筋的配置,实现优化结构设计。

新型UHPC连续箱梁桥的体外预应力锚固构造形式研究

针对新型UHPC连续箱梁桥的结构特点及预应力体系布置,对其腹板处体外预应力下折索进行齿块锚固研究.对独立矩形齿块进行应力分析,揭示板厚对锚固区壁板外侧'局部弯曲效应'的影响.通过拓扑优化分析构建出一个揭示齿块锚固区传力机理的简化平面杆系模型,提出两种齿块锚固区局部加强的方法.在此基础上,对UHPC箱梁桥的腹板体外预应力锚固齿块进行构造设计,对比6种不同锚固方案,分析横隔板、预应力筋齿块内转向和锚固长度对锚固区受力的影响,最终得出较为合理的体外预应力齿块锚固构造形式.

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。

主跨400m的UHPC连续梁桥优化设计

利用超高性能混凝土（UHPC）的优越性能，提出了与之相适应的新型箱梁结构，主要目的是利用材料的高强度及新结构的轻型化，解决常规混凝土连续箱梁桥易开裂下挠、自重过大、跨径难以突破300m的难题。在原有工作的基础上，对主跨400m的UHPC连续箱梁桥进行了整体性能分析及优化设计，优化内容包括桥梁边跨长度、梁高、板厚等主要参数，以得到其合适的取值范围，根据优化结果建议：边跨与主跨跨径比范围为0.55~0.65；中支点梁高与主跨跨径比范围为1/20~1/25；跨中梁高与支点梁高比范围为1/1.8~1/2.3。整体性能分析结果表明，运用UHPC及新结构，能轻松实现连续梁桥400m跨径的突破，并具有较大的整体刚度及安全储备。综合考虑长期社会经济效益，在主跨跨径300~500m范围内，该新型结构可与斜拉桥、悬索桥等其它桥型形成强有力的竞争选型方案。

高速铁路UHPC试验箱梁的设计与施工研究

国内高速铁路32 m简支箱梁均采用整孔运输、架设施工,简支梁向更大跨度发展需解决梁重增加这一主要矛盾。超高性能混凝土(UHPC)材料是一种新型纤维增强水泥基复合材料,用其建造桥梁可以减小结构尺寸。为实现铁路大跨度简支梁整孔运架技术,对24 m UHPC简支箱梁的主要构造进行了设计计算,并结合24 m UHPC试验梁的制作提出了主要施工工艺要求。结果表明,高速铁路UHPC简支箱梁理论计算可行,可推广至更大跨度简支梁的建造实践;结合结构受力要求宜选用水胶比较高的UHPC材料;UHPC箱梁的模板应设计为内模可伸缩体系以适应材料收缩变形较大的特点。UHPC节段蒸养应严格按照升温、恒温、降温三个阶段蒸养。

预制结构拼接用超高性能混凝土配制及工程应用研究

为制备预制结构拼接用超高性能混凝土(UHPC),探讨了矿渣粉比表面积、骨胶比及机制砂替代率对UHPC工作性能和力学性能的影响。结果表明:矿渣粉比表面积越大,制备的UHPC浆体黏度越高,但同时水化反应程度越大,强度发展越快,比表面积800 m~2/kg的矿渣粉制备UHPC的3、28 d抗压强度分别为96、143 MPa;随骨胶比的增大,工作性能及力学性能均降低;机制砂替代石英砂后浆体结构中界面过渡区比例多,强度进一步下降,单轴拉伸曲线出现应变软化。骨胶比0.9、机制砂替代率为50%制备的UHPC扩展度720 mm,28 d抗压强度128 MPa,极限拉伸强度9.3 MPa,极限拉伸应变0.21%,单轴拉伸呈现应变硬化现象,其综合性能优异,适用于预制箱梁湿接缝加固工程。

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。

钢-超高性能混凝土叠合箱梁桥吊装和滑移架设

文章针对在秦淮新河上架设钢-超高性能混凝土(UHPC)叠合箱梁桥的实践,分析了叠合箱梁预制厂与架设场地距离较远、运输困难,桥梁架设与航道通行互成干扰,箱梁焊接变形大、线形难以控制等问题。介绍了吊装加滑移架设桥梁的施工主要流程和施工步骤,总结了门式施工栈桥、确保航道通行,水路运输箱梁、快捷经济安全,分段吊装架设、箱梁滑移定位,三维空间渐变、调控桥梁线形,主梁体系变换、整体协调进行等具体工程措施,为该类桥梁的架设提供了有益的参考。

跨海桥梁工程UHPC应用与箱梁试设计研究

为促进超高性能混凝土(UHPC)在跨海桥梁工程的应用,依托宁波舟山港主通道工程,提出采用UHPC代替C60微膨胀混凝土进行湿接缝施工并进行工艺试验,开展新型超高性能混凝土-高性能混凝土(UHPC-HPC)组合T梁设计、足尺梁试制和应用,以及大跨等高度UHPC箱梁桥试设计研究。结果表明:叠合梁湿接缝采用UHPC代替C60微膨胀混凝土,施工效率提高42%,接缝结合面结合度高;与原设计的预应力混凝土T梁相比,设计的新型UHPC-HPC组合T梁重量减轻约30%,钢绞线用量减少约20%,斜截面抗剪承载能力提升约30%,截面抗裂性验算应力限值提升约110%,已建成一座5×30 m互通匝道桥,并为其设计了健康监测系统全过程监测运营期桥梁结构安全状态;UHPC试件海上暴露1年后,试件仅表面发生锈蚀,内部无锈蚀现象;与既有70 m跨度混凝土箱梁和85 m跨度钢-混组合梁比较,采用参数分析与优化设计方法试设计的80~120 m跨度UHPC箱梁经济性较好。

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。

大跨径波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥力学性能分析

在波形钢腹板-PC组合箱梁基础上,利用高强UHPC材料替换混凝土翼缘板以构建新型的波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥。基于珠海前山河大桥设计原型,设计波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥,对其力学性能和经济性进行分析,并与实桥原型设计和PC箱梁方案对比分析。研究表明:①波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥可大幅降低结构自重,最大悬臂状态下内力大幅降低,作用组合下应力验算满足规范要求,跨中最大挠度小于规范容许值;②波形钢腹板的局部屈曲稳定、整体屈曲稳定和组合屈曲稳定均满足规范要求,连接件受剪承载力亦满足要求;③构造优化后技术方案综合单价比原型设计和PC箱梁桥分别降低16.9%和57.8%;波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥整体受力性能、局部受力性能和技术经济性优良,有望成为大跨连续梁桥有竞争力的桥型。

采用UHPC桥面的铁路耐候钢钢箱梁设计研究

郑济高铁在济南附近同时跨越京沪高铁、津浦铁路及水白线,为三层立交结构。由于现场条件复杂,需对此工点的结构形式、构造及施工方案进行研究,以避免新建铁路施工对下方既有高铁和铁路造成较大影响。结合工点情况,进行桥式方案、桥面结构形式比选及施工方案比选,并对国内外耐候钢研究应用成果进行归纳总结。确定此工点采用免涂装耐候钢钢箱梁,UHPC+正交异形板的桥面结构,并针对耐候钢的材质、锈层稳定、防排水设计、维修养护提出详细要求。该方案具有自重小、对既有铁路影响小、施工速度快、耐久性好、后期养护维修工作量小等优点,是新建铁路跨越既有线时有竞争力的桥型之一。