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。

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。

纳米C-S-H/PCE对蒸养UHPC力学性能增强机理研究

目前超高性能混凝土(UHPC)制品的力学性能有待进一步提升,采用纳米C-S-H/PCE对UHPC进行增强在理论上是一种可行的技术途径。本文研究了蒸养条件下掺入以聚羧酸(PCE)为分散剂的纳米水化硅酸钙(C-S-H/PCE)对UHPC力学性能的影响,通过测试水化热、水化产物、微观形貌和孔结构等对其机理进行了分析。结果表明,掺入3.0%(质量分数)纳米C-S-H/PCE可以显著提高蒸养UHPC的抗压强度和抗折强度。掺入纳米C-S-H/PCE可以促进UHPC的早期水化,生成更多的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,使水化放热温峰增高,并缩短达到水化温峰的时间。掺入纳米C-S-H/PCE可有效改善蒸养UHPC的孔结构,在掺量为3.0%(质量分数)时总孔隙率最小,有害孔比例最低。该研究可为纳米C-S-H/PCE在蒸养UHPC中的应用提供参考。

钢-薄层UHPC组合桥面结构中PBL剪力键抗剪性能试验

为探究钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面结构中PBL剪力键的抗剪性能,以抗剪钢板尺寸、贯穿钢筋设置和端部承压状态为试验参数,完成了16个PBL试件的推出试验。结果表明:(1)随着抗剪钢板尺寸的增加,试件由UHPC榫无明显损伤时的钢板剪断破坏转变为UHPC榫局部压碎或整体压碎后的钢板剪断破坏,PBL的极限承载力随之相应提高,但其延性系数无明显变化;(2)贯穿钢筋对PBL承载能力的影响与UHPC榫的损伤状态密切相关,其对PBL抗剪承载能力的提高由榫无明显损伤时的5.3%增加到榫局部压碎时的9.7%和榫整体压碎时的14.9%;(3)对于钢-UHPC组合桥面结构中平行阵列布置的多列PBL,当列间距不小于10倍贯穿钢筋直径或12倍抗剪钢板厚度时,相邻列剪力键间相互作用的影响较小。基于试验结果,提出了适用于组合桥面结构中PBL剪力键的抗剪承载力计算公式,并以本文及其它文献的试验结果验证了其适用性。

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。

50 m U形UHPC-NC简支梁桥设计研究

为简化混凝土U形梁施工和提升结构耐久性,以广西贺巴高速茶花山天桥为背景,提出一种可实现快速化施工、结构性能优异并兼具经济性的新型U形超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC-NC)组合梁结构。该U形UHPC-NC组合梁桥主跨50 m,纵梁采用UHPC,为弧形立面,跨中处梁高3.2 m,支点处梁高1.95 m,跨中区域腹板厚10 cm,近支点处腹板加厚至25 cm,支点区域腹板厚60 cm;每片纵梁分3段预制,相邻节段间设置齿键,采用胶接缝连接;2片UHPC纵梁由12道宽40 cm、高65 cm预制预应力混凝土横梁通过UHPC现浇接缝连接,纵梁与横梁均为预应力构件;桥面板由7.5 cm厚预制桥面板底模与16.5 cm厚现浇NC桥面板构成。结构分析结果表明:纵梁和横梁剪扭耦合效应明显,跨中区域以受弯为主,支点附近以剪扭耦合作用为主,且剪力和扭矩呈反对称分布;该桥各构件承载力、稳定性、抗裂性能和刚度均满足规范要求;与钢-混凝土组合梁和钢箱梁相比,新型U形UHPC-NC组合梁结构每平米造价分别低约32%和44%,具有良好的经济性。

河砂与石英砂对蒸养超高性能混凝土(UHPC)性能的影响及机理

本研究分别选用颗粒粒径分布相近的河砂与石英砂制备了不同胶砂比的超高性能混凝土(UHPC),探究了两种细集料对不同胶砂比情况下UHPC性能的影响。结果表明:(1)采用河砂制备的UHPC的扩展度稍大于采用石英砂者;(2)采用河砂制备的胶砂比为1.0的UHPC的抗压强度和抗拉强度最高,表现出明显的应变硬化现象,采用石英砂所制备的胶砂比为0.8的UHPC的抗拉强度最低,几乎无应变硬化现象;(3)细集料种类及胶砂比对水泥水化反应和掺合料火山灰反应的影响有限,蒸养条件下,硬化浆体中几乎无Ca(OH)_2存在;(4)UHPC内孔隙的直径大多小于1μm,胶砂比相同时,采用石英砂制备的UHPC所含孔径小于1μm孔的数量多于采用河砂者;(5)与石英砂相比,河砂与硬化浆体的界面过渡区较为致密,且采用河砂制备的UHPC中浆体对纤维的包裹性也较好。

采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的抗弯性能

为提高钢-UHPC组合结构的延性,本文提出一种采用装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板。设计并完成了不同抗剪连接程度的组合板的抗弯性能试验,分析了组合板试件破坏形态、极限承载力、刚度、裂缝发展规律和板端滑移,并与采用焊接栓钉的钢-UHPC组合板进行了对比分析,讨论了组合板试件的可拆卸性,最后对其极限抗弯承载力和抗弯刚度进行了理论分析并推导了计算公式。结果表明:装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板破坏模式为纵向水平剪切黏结破坏;降低栓钉间距能提高组合板的协同变形能力,从而提高组合板结构的极限承载力、弹塑性阶段的刚度和裂缝控制能力;与采用焊接栓钉连接的钢-UHPC组合板对比,其在发生较大变形的情况下钢板和UHPC板仍然可较容易地拆卸分离;推导了装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板的极限承载力计算方法和抗弯刚度计算公式,提出了抗弯刚度计算时应对UHPC板高度进行折减,折减系数(βU)在正常使用阶段建议为0.85,理论计算结果与试验结果吻合良好。本文研究成果可为采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的设计和应用提供理论依据。

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-GFRP板条-UHPC组合桥面结构开裂及裂缝宽度计算方法研究

为研究钢-GFRP板条-UHPC组合桥面结构的裂缝发展和分布规律,设计3片GFRP-UHPC组合板和2片钢-GFRP板条-UHPC组合梁试件分别进行四点和三点弯曲试验,研究组合板和组合梁试件的破坏形态及机理;分析钢筋配筋率和钢纤维掺量对组合板和组合梁开裂性能的影响;分析现行规范中的最大裂缝宽度计算方法对该组合桥面结构的适用性;基于有滑移-无滑移统一理论,考虑混凝土保护层厚度对平均裂缝间距的影响和混凝土受拉贡献,推导适合钢-GFRP板条-UHPC组合桥面结构的最大裂缝宽度计算公式。结果表明:钢-GFRP板条-UHPC组合梁破坏时钢梁下翼缘发生明显的屈曲变形,裂缝主要分布在组合梁上表面跨中区域,GFRP-UHPC组合板破坏时板端出现相对分离,裂缝主要分布在纯弯段;提高受拉钢筋配筋率能提高组合桥面结构的极限抗弯承载力、抑制UHPC表面裂缝的发展、减小裂缝宽度和平均裂缝间距,而增加钢纤维掺量对组合桥面结构的极限抗弯承载力和抗弯刚度影响较小;采用现行规范计算的组合桥面结构最大裂缝宽度理论值偏小;提出的钢-GFRP板条-UHPC组合桥面结构的最大裂缝宽度计算公式计算值与试验值较吻合,具有较好的适用性。

超大悬挑异形UHPC结构振动舒适度分析与控制

以上海大歌剧院核心区的螺旋楼梯为背景,该楼梯为国内首次采用超高性能混凝土(UHPC)构造的超大悬挑异形结构。鉴于目前对于UHPC悬挑结构的振动舒适度控制研究尚缺乏成熟先例,研究采用有限单元法对结构的模态和加速度响应进行了深入分析,并结合实地检测,形成了一套振动舒适度分析技术。在此技术基础上,采用调谐质量阻尼器来控制结构的振动舒适度,并通过数值模拟确定调谐质量阻尼器TMD的布置方案。最终,在工程实践中,验证了这套针对超大悬挑异形UHPC结构的振动舒适度分析与控制技术,研究所得经验可为未来类似工程提供有价值的参考。

UHPC中栓钉连接件疲劳荷载后力学性能研究

为研究钢-UHPC组合结构中栓钉连接件在疲劳荷载作用后的剩余力学性能,设计制作了2组共4个推出试件进行试验研究,一组为静载破坏试验,一组在进行200万次疲劳循环荷载后开展静载破坏试验。试验结果表明:1)钢-UHPC推出试件在静载试验和疲劳后的静载试验中栓钉破坏模式均为剪断破坏;2)在经历200万次疲劳循环加载后,钢-UHPC试件抗剪刚度退化30%~40%,极限承载力与静载试验相比下降幅度约为6%,普通混凝土中栓钉承载力下降约23%,表明疲劳荷载抗剪刚度影响显著,但对钢-UHPC推出试件承载力影响较小,且远小于普通混凝土中栓钉承载力退化水平。

某石砌体住宅楼UHPC抗震加固设计与分析

福建省某石结构体系经过鉴定,墙体承载力及抗震构造措施不满足鉴定标准要求,必须对墙体进行加固以消除安全隐患。依据抗震鉴定报告和现行规范标准要求,对比分析石砌体墙抗震加固方法的适用性,选择采用UHPC嵌缝加固法对石砌体墙进行抗震加固。通过墙体嵌缝加固设计,提出了具有嵌缝工作性的UHPC配合比,对加固前后石砌体墙的抗剪承载力进行验算分析。结果表明:UHPC嵌缝加固法可以明显提高石砌体墙的抗震性能,具有良好的推广和应用前景。

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。

基于UHPC的高性能桥梁结构研究与应用

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高力学性能和超长耐久性的水泥基复合材料,为桥梁结构的创新和高性能化带来了新的可能性.近些年来,国内外学者持续开展了桥梁结构领域UHPC的研究,并不断推动工程应用,取得了长足的进步.本文介绍了作者团队基于UHPC所研发的几种高性能桥梁结构,包括开裂在役钢桥面UHPC加固新结构、危旧混凝土梁桥UHPC加固结构、UHPC矮肋桥面板结构、UHPC大跨径箱梁结构、中小跨径UHPC装配式桥梁结构、UHPC-NC组合装配式桥梁结构、UHPC装配式盖梁结构和UHPC防撞结构等最新研发的结构形式,详细介绍了上述各类结构的特点和优势、理论和试验研究进展、实际工程应用,以期分享UHPC高性能桥梁结构研发和应用经验.

盾构管片UHPC加固技术及力学性能分析

针对盾构隧道运行期管片破损问题,提出了利用具有优异的力学性能和耐久性能的超高性能混凝土(UHPC)材料加固管片的方法。建立了UHPC加固通缝拼装管片的三维非线性有限元模型,讨论了加固前后管片力学特性和变形行为,揭示了UHPC加固的承载机理和破坏模式。在此基础上,探讨了不同厚度、配筋率的UHPC加固层对加固效果的影响。研究表明,UHPC加固盾构隧道不仅能有效控制管片变形,提高结构承载力,并且在满足抗裂性能的条件下,顶底相对位移继续发展的容许值可以达到厘米级。该文研究将为隧道管片加固提供新思路。

钢-UHPC组合结构桥梁研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有优异力学性能的新型水泥基复合材料,现已成为水泥基复合材料创新、应用及发展最具活力的领域,且在钢-UHPC组合结构桥梁中得到了应用。针对现有桥梁结构中存在的跨越能力受限及耐久性差等技术瓶颈,国内外学者利用UHPC的性能优势提出了钢-UHPC组合结构的解决方案,并在其受弯性能、抗裂性能、疲劳性能、栓钉抗剪性能、接缝性能影响因素和装配式结构体系及装配方法等方面取得了丰硕的成果。钢-UHPC组合结构具有较好的经济性和可行性,且在正负弯矩下具有较好的抗裂性能和受弯性能,能大幅降低钢结构疲劳细节应力幅;栓钉剪力件的抗剪性能受栓钉直径和屈服强度的影响显著;钢筋的锚固长度、接缝界面情况及接缝类型是影响接缝性能的重要因素。钢-UHPC组合结构适合装配式化施工,在装配式桥梁快速建造技术及大跨桥梁结构中具有较好的应用前景,且呈现出较好的发展势头。本文系统归纳了钢-UHPC组合结构的静力性能、疲劳性能、接缝性能及钢-UHPC组合结构桥梁等方面的研究进展,分析了钢-UHPC组合结构桥梁的应用前景,并指出了钢-UHPC组合结构在设计理论、规范体系及应用领域进一步完善的研究趋势,可为今后的研究工作及工程应用提供参考。

钢-UHPC轻型组合桥面受模拟行车扰动后抗裂性能研究

为探明钢-超高性能混凝土(Ultra-HighPerformanceConcrete,UHPC)轻型组合桥面结构在施工中受行车扰动后的抗裂性能,以重庆鱼嘴长江大桥为背景,进行了理论和试验研究.首先通过有限元计算获得施工中行车引起的UHPC层顶面最大拉应变(以下简称扰动幅度),计算结果表明:该桥UHPC层在施工中受到的最大纵、横向扰动幅度分别为144με和60με;接下来,依照实桥结构,设计并制作6个模型试件;然后,将试件平均分为两组,每组设1个不受扰动的对照试件和2个在UHPC凝结过程中接受扰动的扰动试件,两组试件的设计扰动幅度分别为160με和240με;最后,通过四点负弯矩静力试验对比了对照试件和扰动试件的抗裂性能.试验结果表明:幅度不大于160με的扰动对试件的抗裂性能无明显影响;幅度大于160με的扰动对试件的UHPC层造成损伤,导致试件的名义开裂强度降低,因此,建议在实桥施工过程中将行车扰动幅度的限值取为160με.

ECC/RC键槽节点装配整体式梁柱结构倒塌性能试验研究

为了研究键槽连接节点装配整体式梁柱结构倒塌性能以及不同后浇混凝土对其性能的影响,完成了2榀单层两跨梁柱结构的移柱静力加载试验,其分别在节点键槽处后浇普通C30混凝土、高延性ECC混凝土.试验获取了构件力-位移曲线、破坏形态以及变形性能等试验数据.研究结果表明:键槽连接节点梁柱结构在满足常规抗震荷载要求下,变形过程中能较好地形成梁机制、压拱机制以及悬索机制,是一种较好的装配式结构可采取的抗倒塌节点形式.依靠ECC高延性、高极限压应变等优越的材料性能,ECC键槽节点梁柱结构能表现出更高的承载能力以及更好的节点延性.钢筋与混凝土之间的局部不均匀相对滑移有利于结构发展大变形,提高结构的抗倒塌性能.

共轭双滑移取向铜单晶疲劳位错结构的SEM-ECC观察

利用扫描电镜电子通道衬度(SEM-ECC)技术观察和分析了[■ 2 3]和[■ 1 2]共轭双滑移取向铜单晶体的循环饱和位错结构.结果表明,驻留滑移带(PSBs)的位错结构随晶体取向的不同可呈现出不同的形态,如:[■ 1 2]晶体中的楼梯结构和[■ 2 3]晶体中的沿主滑移面排列的不规则或较规则胞结构.同时还观察到[■ 2 3]晶体中形变带的位错结构由一些不规则的墙和胞结构组成.对于晶体取向位于标准取向三角形[0 0 1]-[■ 1 1]边上的铜单晶体,其疲劳位错结构随晶体取向的不同发生有规律的变化,即:当晶体取向从[■ 1 2]分别向[■ 1 1]和[0 0 1]移动时,位错结构由PSB楼梯结构逐步变化到胞结构和迷宫结构.