钢-UHPC结合段PBL连接件和钢梁端面承压联合作用研究

钢-混结合段作为钢梁和混凝土连接为整体的核心部件,传力构件的受力性能对钢-混凝土结合段至关重要。为提高结合段的力学性能,进行了仅有钢梁端面承压、PBL连接件和两者联合作用3组推出试验。结果表明:3组试件最终破坏裂缝分布均为钢梁端面侧“八”字形分布;钢梁端面组(D组)试件破坏模式主要为UHPC的开裂破坏而失效,PBL连接件组(P组)和联合作用组(PD组)试件主要是贯穿钢筋的剪切破坏而失效;3组试件的荷载-滑移曲线均包含弹性、裂缝开展和屈服3个阶段,由于贯穿钢筋和UHPC榫具有抑制裂缝开展和提高试件延性的作用,P组和PD组试件裂缝开展阶段较D组更短,屈服阶段更长,延性更好。对荷载-滑移曲线进行拟合,提出了钢梁端面承压和PBL连接件承载力随滑移量变化的计算公式。引入滞后滑移差Δs_(j),当Δs_(j)=0~0.67 mm时,联合作用计算结果偏于安全。计算得到钢梁端面承压传力比例约为43%,PBL连接件传力比例约为57%,两者传力效果基本相当。利用UHPC作为外包混凝土时,建议采用承载能力更高的贯穿钢筋,以充分发挥UHPC的高强性能,从而提高结合段的承载能力。

型钢-UHPC轻型组合桥面板及其抗弯性能研究

正交异性钢桥面是目前800m以上国内外特大跨径钢桥的唯一选择,主因是自重轻、强度高、架设方便。但其存在疲劳开裂风险大、运维成本高的缺点。随着高性能材料UHPC的研发和应用,为构建自重轻、病害少、经济性好的桥面新结构提供了可能性。经过多年研究,作者提出一种新型桥面板结构——型钢-UHPC轻型组合桥面结构,将型钢、钢板条与UHPC组合,桥面板的形成无任何板件焊接,因而具有高抗疲劳性,且与传统钢桥面相比,自重持平、造价减半,可作为除“正交异性钢桥面”外的“第二种”大跨径钢桥的桥面结构方案。该文研究这种轻型组合桥面板预制板及横向接缝的抗弯性能,制作4个条带模型(包括2个预制板试件和2个接缝试件),开展三点弯曲的横向接缝负弯矩试验和预制板正弯矩试验,并对试验结果进行分析;基于“条带法”建立预制板试件极限承载力计算模型,提出接缝试件的UHPC开裂名义拉应力计算方法;基于某斜拉桥应用实例,进行整体计算和局部计算,验证新型组合桥面结构在实桥上应用的可行性。研究结果表明:(1)型钢与UHPC间在极限状态前相对滑移非常小,具有良好的协同受力性能;(2)预制板试件的正弯矩极限承载力以型钢屈服控制,而接缝试件负弯矩极限承载力以UHPC开裂和加密钢筋断裂控制;(3)接缝试件的“T形”接缝、加密钢筋、燕尾形的企口、交错式切割型钢钢条等构造设计对接缝整体抗弯拉性能有很好的提高效果;(4)预制板试件极限承载力计算模型所得计算值与试验值吻合良好,该模型搭配名义拉应力计算方法,可帮助工程实际问题的设计与应用;(5)试验结果与实桥的有限元计算值相比,新型桥面结构均有1.3倍以上的安全系数,新型组合桥面应用于实桥具有可行性。

预制桥梁构件UHPC湿接缝抗弯性能影响因素研究进展

随着预制桥梁构件快速发展,超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)作为一种超高力学性能与优异耐久性能的新型水泥基材料,在连接预制桥梁构件的湿接缝中得到广泛应用。为深化预制桥梁构件UHPC湿接缝抗弯性能影响因素的认识,着重介绍预制桥梁构件界面处理方法与UHPC湿接缝构造两类影响因素,为后续UHPC湿接缝设计、研究与应用提供参考。分析结果表明:高压水枪凿毛对预制桥梁构件UHPC湿接缝界面处理效果良好,可有效改善预制桥梁构件的抗弯性能;界面剂可通过改善界面机械咬合力与化学亲和力提升预制桥梁构件抗弯性能,但不同界面剂对其改善效果不尽相同;常用的UHPC接缝构造包括剪切口袋型、菱形、梳齿型与“V”型,均可对弯矩作用下预制桥梁构件的抗裂性能、整体结构性能以及耐久性能产生有利影响。

配筋形式对小箱梁“T”形UHPC湿接缝连接强度影响的有限元分析

本文以4 m×20 m预制小箱梁桥负弯矩区横向湿接缝为背景,应用UHPC材料替代传统高强微膨胀混凝土作为湿接缝材料,并做了“T”形构造设计.应用ABAQUS进行有限元建模,采用内聚力模型处理UHPC湿接缝与普通混凝土箱梁交界面,结果表明,在墩顶“T”形接缝翼缘的UHPC-NC交界面为危险截面;改变搭接钢筋直径和预埋筋与搭接钢筋的搭接长度对极限荷载影响较大,而对开裂荷载影响较小;改变预埋钢筋与搭接钢筋的搭接长度能有效影响UHPC-NC的连接强度,而改变搭接钢筋直径对UHPC-NC的连接强度影响较小.

UHPC两键齿胶接缝抗剪性能试验及有限元分析

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)节段预制拼装梁接缝位置钢筋及钢纤维不连续,使得接缝截面的抗剪性能与连续截面有显著差异,影响桥梁整体受力性能。为研究直剪作用下UHPC键齿接缝的抗剪性能,本文对4个UHPC两键齿接缝试件进行了双面直剪试验,研究侧向应力(5~10 MPa)、接缝类型(干、胶接缝)对UHPC键齿接缝抗剪性能的影响。试验结果表明:UHPC键齿胶接缝的极限抗剪承载力随侧向应力的增大而增大,但侧向应力对接缝刚度的提升较小;干接缝由于匹配效果较差,呈现典型的分步剪切破坏模式。采用ABAQUS有限元分析软件建立了数值分析模型,分析结果表明:UHPC键齿胶接缝的抗剪承载力随UHPC强度的增大而增大,相较于抗拉强度,抗压强度对键齿胶接缝极限抗剪承载力的提升更为明显;键齿构造对键齿胶接缝极限抗剪承载力的影响较小,当键齿间高比和深高比均为0.5时键齿胶接缝的极限抗剪承载力最优。

UHPC后浇装配式节点抗震性能试验研究

在外剪内框结构体系的基础上,研究一种将UHPC运用到装配式节点后浇段、钢筋上下短接的连接方式。为探究该连接方式下节点的抗震性能,进行1个柱节点、1个墙梁节点、2个柱基结点(1个UHPC连接、1个普通混凝土连接)的低周反复试验。在试验基础上利用ABAQUS软件进行有限元模拟,探究钢筋搭接长度对于试件承载力性能的影响。研究结果表明:梁柱节点试件破坏形式表现为梁底混凝土压碎、梁柱交接处裂缝过宽。使用此种连接方式整体耗能能力较好,符合“强柱弱梁、强节点强锚固”的要求。梁墙节点试件发生黏结滑移破坏,梁端耗能能力较差,此种连接方式在墙梁节点中的应用还有待进一步研究。UHPC装配式柱基结点正、负向峰值荷载分别较现浇结点提高近26.5%、15.6%,刚度高于普通混凝土柱基结点,且能减少节点区配箍率,改善节点区域箍筋密集问题。UHPC连接装配式柱基结点和普通混凝土柱基结点的延性系数均在4以上,相差不大。在试验基础上,通过ABAQUS模拟UHPC装配式柱基节点发现,有限元结果和试验结果吻合较好;当试件钢筋搭接长度超过14d,试件的承载力不再随搭接长度改变。综上所述,此种连接方式可大幅缩短钢筋锚固长度,凭借UHPC超强的力学性能使得其抗震性能基本等同现浇,具备一定的实际运用前景。

混合梁斜拉桥微膨胀UHPC灌注钢混结合段的时变效应

为明确微膨胀超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete,UHPC)灌注材料的收缩徐变对混合梁斜拉桥钢混结合段长期性能的影响,以湖北武穴长江公路大桥为工程背景,开展材性试验与结构反应实测。基于一种全桥杆系+局部空间网格的多尺度有限元建模方法,对不同灌注材料收缩徐变下钢混结合段的时变效应进行分析研究。研究结果表明:实桥所采用的微膨胀UHPC在测试龄期内膨胀应变呈现出先增后减且始终保持膨胀的趋势,在约5 d龄期时达到最大膨胀应变292.6με,至1 080 d时为83.8με;徐变系数在前50 d龄期内增长较快,至1 080 d时为1.63。灌注材料的收缩可在结合段内部产生显著的次应力,表现为内填混凝土的拉应力和钢格室的压应力;徐变则会导致混凝土应力松弛而使一部分恒载压应力向钢结构转移。运营20 a后,钢混结合段内填普通混凝土存在较高的开裂风险。未作收缩控制的普通UHPC虽亦出现拉应力,但未超过其抗拉强度,抗裂安全系数仍可达到1.5以上。而微膨胀UHPC处于受压状态,不存在开裂问题。微膨胀UHPC的应用,既可改善内填混凝土的抗裂性能,又有助于常规钢混结合段的结构优化,大幅减少材料用量和结构自重。

UHPC-RC节段组合梁的抗弯性能分析

为研究低预应力度条件下,不同节段接缝的超高性能混凝土-钢筋混凝土(ultra-high performance concrete-reinforced concrete,UHPC-RC)组合梁的抗弯性能,文章基于ABAQUS有限元软件,建立UHPC-RC节段组合梁的基准有限元模型,并利用已有的试验数据验证该模型的合理性。节段接缝分别为平面干接缝、平面胶接缝、齿键干接缝和齿键胶接缝,在基准有限元模型的基础上,进一步研究节段接缝类型对组合梁抗弯性能的影响。研究发现,在四点受弯加载方式下,接缝的几何特征(平面或齿键)对组合梁的极限荷载和开裂荷载影响较小,环氧树脂胶的使用对组合梁的抗弯性能影响较大。

预制拼装钢-UHPC组合桥面板湿接缝抗弯性能研究

纵肋上置并形成PBL剪力连接件的钢-UHPC组合桥面板是一种新型桥面结构。该结构采用预制拼装施工,工厂预制钢-UHPC组合梁段,现场进行施工组装,相邻钢梁通过焊接形成一体,而相邻UHPC桥面板则通过现浇UHPC湿接缝连成一体,湿接缝是其薄弱部位。针对该新型结构其湿接缝相关研究较少的问题,该文以某实际工程为背景,完成钢-UHPC组合桥面板湿接缝足尺模型抗弯性能试验。建立Abaqus有限元模型,并采用试验结果校核有限元模型。在此基础上,进行了湿接缝截面模拟方式、钢面板厚度、UHPC层厚度和燕尾榫角度的有限元模型参数分析。对比美国土木工程师协会(ASCE)、《美国房屋建筑规范》(ACI)以及中国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)关于构件的刚度计算公式,发现中国规范计算值更接近试验值。基于普通钢筋混凝土梁的抗弯刚度计算公式,结合试验数据进行了参数修正,并用有限元模型结果进行了校核。结果表明:钢-UHPC组合桥面板湿接缝有着优异的延性和刚度;采用摩擦行为模拟湿接缝界面计算成本小且计算效果良好;增加钢板厚度或UHPC层厚度均能有效提高构件刚度和承载力;燕尾榫角度对构件的刚度和承载能力影响很小;参数修正后的抗弯刚度计算公式能较好地计算钢-UHPC组合桥面板构件跨中位移。

UHPC湿接缝抗剪性能模型试验研究

为研究预制拼装桥梁UHPC湿接缝极限抗剪承载力计算方法及抗剪性能的影响因素,以台州市域铁路S2线铁路桥为背景,开展13个UHPC湿接缝模型的抗剪性能试验,得到模型接缝界面处的开裂荷载、极限抗剪承载力和界面的荷载~相对滑移关系;依据既有公式计算湿接缝极限抗剪承载力理论值,并与试验值进行比较分析,研究UHPC龄期、接缝构造形式、界面压应力等关键参数对湿接缝模型抗剪性能的影响。结果表明:基于Mohr-Coulomb准则的计算式能较准确地计算钢筋搭接平接缝模型的极限抗剪承载力理论值,其它公式欠缺对接缝粘结力的考虑;对湿接缝模型施加界面压应力可以大幅提高其开裂荷载,采用钢筋搭接可以提高所有湿接缝的抗剪性能和延性水平,UHPC龄期的增长对提高键齿接缝的抗剪性能效果显著;有界面压应力的钢筋搭接UHPC湿接缝的抗剪性能最好,更适合应用于实际工程。

接缝加强的无腹筋预应力UHPC拼接梁抗弯性能研究

接缝是无腹筋预应力UHPC拼接梁受力的薄弱位置,对梁的整体受力有不利影响,提出采用钢板对接缝进行加强,利用有限元软件ABAQUS,考虑仅在接缝底部进行加强、在接缝底部和侧面均加强两种方式,对UHPC拼接梁的抗弯受力性能进行数值分析,得到破坏形态、荷载-位移曲线、应力等计算结果,并与UHPC整浇梁、接缝未加强UHPC拼接梁进行对比分析.结果表明:经过接缝加强的UHPC拼接梁能达到整体受力的效果,荷载-位移曲线与整浇梁基本重合,在接缝底部和侧面均贴上钢板的方式加强效果更好.

装配式节段梁UHPC湿接缝界面力学性能数值模拟分析

为解决装配式节段梁菱形湿接缝抗剪性能弱、接缝界面易剥离、耐久性差等诸多工程实际问题,设计了一种“干”字形超高性能混凝土(UHPC)湿接缝,采用ABAQUS有限元软件分析接缝构造形式、接缝配筋率和接缝结合面粗糙度对UHPC湿接缝界面力学性能影响规律.研究结果表明:基于Traction-Separation结合面的有限元模型可较好模拟节段梁湿接缝界面力学性能;提出的“干”字形接缝界面力学性能显著优于菱形接缝,界面切向剪应力集中面积远小于菱形接缝,正弯矩受拉区钢筋和UHPC剥离位移最大可减小约83.7%;“干”字形湿接缝界面黏结正应力并不随着配筋率增加而同比例提高,配筋率对界面切向剪应力影响呈双峰效应;湿接缝配筋率建议取4.8%;配筋率和界面粗糙度对湿接缝界面法向剥离位移影响较小,可忽略不计.

预制节段UHPC梁接缝抗剪性能的有限元模拟

该文采用有限元软件ABAQUS对预制节段超高性能混凝土(UHPC)梁剪力键接缝的抗剪性能进行了三维精细有限元模拟。模型中同时考虑了材料非线性、几何非线性以及UHPC材料的塑性损伤,模拟得到的荷载-滑移曲线和破坏模态等均与试验结果吻合良好。采用经过验证的有限元模型对剪力键接缝的抗剪性能进行了数值参数分析,结果表明:接缝的抗剪承载力及其对应的滑移随着所施加的侧向应力或UHPC强度的增大而增大,但UHPC抗压强度对抗剪承载力的影响大于UHPC抗拉强度,而且UHPC的抗拉压强度之间无固定的相关规律,因此对于UHPC接缝抗剪承载力的计算应分别考虑抗拉强度与抗压强度的影响;由于剪应力分布的不均匀性,抗剪承载力的计算还应考虑多键块的强度折减效应。此外,对剪力键接缝构造的参数分析结果表明:当键块的宽度和总高度相同时,接缝抗剪承载力随着键块相对高度的减小而增大,但当键块相对高度小于1/2时,接缝的抗剪承载力基本保持不变;当键块总面积以及键块数量相同时,多个键块之间的协同工作能力随键块竖向间距的增大而变强;键块深度对接缝抗剪承载力的影响不大。与目前被广泛采用的普通混凝土接缝抗剪承载力的计算公式对比,有限元的预测值明显小于计算公式的预测值,且偏差随着侧向应力的增大而增大,因此有必要针对UHPC剪力键接缝提出新的抗剪承载力计算式。

新型无格室钢-UHPC结合段受力性能及参数分析

为研究新型无格室钢-UHPC结合段的受力性能和传力机理,以主跨240 m的沅水特大桥主桥为研究背景,采用有限元分析方法建立了钢-UHPC结合段局部模型,分析了结构受力以及影响结构传力的构造参数。结果表明:在最不利正弯矩工况下,结构传力平顺,各部分应力基本满足要求;栓钉连接件剪力大小基本呈马鞍状分布,综合剪力最大达29.7 kN,具有一定的安全储备;承压板承担轴向荷载比例为82.34%,承担比例随着承压板厚度的增大有所提高;混凝土强度增大和UHPC顶/底板厚度增大均可减小栓钉连接件剪力;UHPC结合段能有效减小栓钉连接件滑移;结合段长度增大的同时不能有效发挥中间栓钉连接件抗剪作用。

预制装配双向受力板的一种特殊UHPC接缝力学性能研究

为验证超高性能混凝土(UHPC)接缝对预制装配板双向性能的影响,本文采用数值仿真分析的方法,研究了超高性能混凝土(UHPC)连接预制装配式双向受力结构板湿接缝的力学性能。通过与同等尺度整浇结构板比较,讨论了装配式结构板的双向受力特性及湿接缝受力特性对装配式结构板的影响。结果表明UHPC接缝能够有效控制装配板在屈服前的变形及受力,达到与完整板相当的受力变形性能,同时满足规范的变形要求,并具备双向受力变形性能,证明了将UHPC湿接缝用于双向受力预制板连接的可行性。

用于湿接缝快硬UHPC的粘结性能研究

研究了快硬UHPC与钢筋的握裹强度、与普通混凝土的粘结强度,选择C40普通混凝土作为对照组进行对比。结果表明:对照组的28 d握裹强度为5.08 MPa,破坏在混凝土基材;快硬UHPC的3 h、3 d、28 d握裹强度分别为6.44、16.98、20.07 MPa,破坏在粘结界面或钢筋。对照组的28 d粘结强度为2.36 MPa,破坏在新老界面;快硬UHPC与C40的3 h、3 d、28 d粘结强度分别为2.76、3.57、3.39 MPa。快硬UHPC的3 h握裹强度及粘结强度均明显优于普通混凝土28 d龄期时的性能;3 d和28 d龄期则远高于普通混凝土。快硬UHPC作为湿接缝材料具有良好的安全性能。

带湿接缝的预制UHPC⁃NC组合板试验与分析

为研究新型装配式超高性能混凝土-普通混凝土(Ultra-high Performance Concrete-Normal Concrete,UHPC-NC)组合湿接缝板受力性能,设计制作了1块UHPC-NC组合湿接缝板模型,开展四点弯曲性能试验,并通过ABAQUS软件进行精细化建模分析。结果表明:组合湿接缝板主裂缝位于弯剪段预制板部位,发生弯剪破坏,湿接缝部位未产生较大破坏,结构抗弯性能良好;通过有限元模拟及参数分析计算,组合湿接缝板的底层UHPC板厚改变对组合板整体抗弯性能影响不大,增大UHPC层配筋率后组合板的屈服荷载和极限荷载有所提升,提升幅度分别为8.3%-31.5%、12.5%-49.1%,高配筋率(3.91%-5.11%)下提升幅度分别达到43.6%-46.5%、111.8%-153.6%。为避免发生界面破坏,湿接缝UHPC层配筋率建议取值不低于2%;综合考虑接缝性能与施工便捷,建议采用企口形湿接缝构造。

UHPC连接装配式框架顶层中节点施工工艺与受力性能试验研究

为检验某装配式混凝土蓄水池框架结构顶层梁柱中节点的施工工艺可行性和受力性能,确定最终的施工方案,设计和制作采用UHPC连接的节点预制和节点后浇2种施工工艺的足尺节点试件,其中钢筋在UHPC中的锚固长度取10倍钢筋直径,进行静力加载试验,研究其破坏模式、裂缝、挠度、承载力等受力性能。结果表明,2组节点试件在构件制作、安装、连接等环节均顺畅,具有施工可行性,但节点后浇的试件施工效率更高;破坏时,2组试件的UHPC部分均未产生裂缝,其承载力、抗裂性能、裂缝宽度、挠度均符合规范要求,具有良好的受力性能。

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。

钢-UHPC组合结构大直径栓钉抗剪性能有限元分析

为研究超高性能混凝土(UHPC)中大直径栓钉剪力连接件的静力性能,采用混凝土材料的损伤塑性模型,通过有限元数值模拟方法,对10组不同参数的栓钉剪力连接件的静力性能进行了对比和分析。研究参数包括栓钉直径、栓钉的长径比、混凝土强度和混凝土板的厚度。研究结果表明:装配大直径栓钉的普通钢混组合试件的混凝土板在测试中出现了大面积损伤,而装配大直径栓钉的UHPC板在测试中出现损伤的区域则较小;在UHPC板中,栓钉直径为30 mm的抗剪强度比栓钉直径为22 mm的抗剪强度高出约40%。栓钉长径比对试件静力性能的影响比混凝土板厚度对试件静力性能的影响更小。在参与测试的不同长径比的大直径短栓钉剪力连接件中,长径比为2.3的大直径短栓钉剪力连接件的抗剪性能最好。