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。

大跨斜拉桥节段预制钢-UHPC组合桥面结构受力性能研究

为充分利用UHPC的超高抗压、抗拉强度,促进斜拉桥主梁结构轻量化,提出一种适用于大跨斜拉桥、UHPC层参与主梁体系恒载受力的节段预制正交异性钢-UHPC组合桥面结构,该结构通过低型面槽口型开孔板(PBL)剪力键群实现钢-UHPC界面剪力连接。以丹江口水库特大桥为背景,通过有限元法对提出的组合桥面结构在全桥和主梁节段中的静力性能及其影响因素进行分析,并评估所提出的钢-UHPC界面剪力连接构造的抗剪安全性。结果表明:节段预制正交异性钢-UHPC组合桥面结构由UHPC层受拉、正交异性钢桥面板受压控制设计,UHPC层作为主体结构的一部分,可有效降低正交异性钢桥面板在第一体系中的应力水平;就降低UHPC层受拉、正交异性钢桥面板受压应力水平而言,适当加厚UHPC层和U肋、设置次横隔板,比加厚钢面板和横隔板更为有效;运营阶段作用效应标准组合下,UHPC层和正交异性钢桥面板最大应力可达到相应应力限值的68%~98%和38%~86%,其既满足相关设计要求,又能取得较好的材料性能利用率;低型面槽口型PBL剪力键群的横、纵向抗剪安全系数分别达到了12.3和4.0,所提出的钢-UHPC界面剪力连接构造的抗剪性能满足设计要求。

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。

基于拓扑优化和模块化组成的UHPC围护结构受力性能研究

针对围护结构安全、美观、轻量化的需求,该文提出一种基于拓扑优化和模块化组成的超高性能混凝土(UHPC)围护结构及其节点连接方式。首先,基于给定材料体积约束下结构柔顺度最小化的方法,对UHPC围护结构进行优化,并开展优化前后受力性能对比。采用模块化设计,取模型中受力最不利区域的优化结果作为基本构型单元,进而提出一种可将模块简单拼装的UHPC榫卯节点。考虑节点接缝处受力较为薄弱的特性,开展该类节点受力性能的有限元分析,并将其与传统螺栓‒钢板节点进行对比。结果表明:基于拓扑优化和模块化组成的UHPC围护结构在保证刚度和承载性能较高的同时,体积约减小35%;文中榫卯节点相较于螺栓‒钢板节点受力性能上较有优势,因此能够实现与传统螺栓‒钢板节点达到等强的要求;为取得较好效果,UHPC榫卯节点接缝键齿的内倾角不宜大于60°,外倾角不宜小于90°。

风荷载作用下复杂雨棚结构UHPC人行天桥关键节点分析

因景观造型的需求,天桥雨棚常设计为复杂的异型结构,在风荷载作用下,会对板厚较薄的UHPC主梁结构受力产生较大影响。以广州某道路快速化改造工程中一座UHPC箱梁人行天桥为研究对象,对风荷载作用下复杂雨棚结构UHPC人行天桥关键节点进行了分析研究,包括装配式超高混凝土桥梁的抗扭计算,扭矩较大的预制箱梁节段接缝处理,雨棚主杆件在箱梁锚固点处处理方式,超宽运输宽度的天桥梯道牛腿及横隔板的后浇处理方式等。

FRP与ECC在混凝土结构加固工程中的应用

随着城市建筑更新发展,未来结构加固工程将占据越来越高的市场比例,而混凝土结构加固更是重中之重。从复合材料应用的角度出发,区别于传统加固方法,以独特的视角总结了纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)、纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitous Composite,ECC)、FRP-ECC复合加固混凝土结构三类加固方法。针对FRP及ECC,从材料自身特点、加固原理,以及在混凝土加固工程中的应用及监理管控要点等方面进行分析,为加固工程管理人员提供参考。

装配式钢节点UHPC混合结构在输变电工程中的应用

装配式钢节点UHPC混合结构是一种预制梁、柱,采用UHPC超高性能混凝土,在梁柱节点设置钢连接件,现场通过钢连接件实现梁-柱连接,柱-柱连接的一种结构形式。不仅力学性能与抗震性能良好,在施工阶段免支撑,施工速度快,且能实现较高装配率的优点,还具有UHPC超高性能混凝土材料的高强度、高耐久性、高韧性、超高的稳定性和可塑性、维护成本低、环保与可持续性的优势。通过一个试点工程项目,介绍设计方法、构件设计的关键要点及节点构造,为设计人员与相关研究人员提供参考。

横隔板含上缘过焊孔的钢桥面UHPC加固结构计算与试验研究

基于Ansys子模型技术有限元分析计算了原钢桥面与UHPC加固后组合桥面中上缘过焊孔的疲劳细节应力,其中横隔板-面板焊接细节的名义应力最大,达188.7 MPa,开裂风险极高。采用钢-UHPC组合桥面结构加固后,该细节的名义应力降至25.4 MPa,降幅达86.5%,但UHPC层最大拉应力达14.3 MPa。由此开展了不同配筋形式的钢-UHPC组合桥面结构抗弯参数试验,试验结果表明:钢筋间距为50 mm的钢-UHPC组合桥面板,其UHPC层抗裂强度达22.3 MPa,抗裂安全系数达1.56,满足实桥抗裂要求。相关研究结论可为类似钢桥面加固结构设计提供参考。

硫酸盐侵蚀对不同养护制度UHPC水化产物微结构的影响

采用^(29)Si和^(27)Al MAS NMR、XRD、SEM等测试技术研究了硫酸盐侵蚀对不同养护制度的超高性能混凝土(UHPC)水化产物微结构的影响。结果表明:标准养护和80℃高温蒸汽养护条件下,UHPC水化产物主要为C-SH、Ca(OH)_2、AFt、AFm和TAH;210℃、2 MPa蒸压养护8 h后,水化产物主要为tobermorite、Ca(OH)_2和TAH。硫酸盐侵蚀对不同养护制度的UHPC抗压强度和水化产物微结构的影响微弱,但可促进210℃蒸压养护的UHPC胶凝浆体中TAH向AFm和AFt的转化。同时硫酸盐侵蚀180 d时,C-S-H凝胶MCL和Al[4]/Si略有降低,但降低幅度较小,UHPC具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力。

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.

UHPC管桩-钢立柱灌浆连接段结构设计与轴压受力机理研究

针对UHPC管桩与海上平台钢立柱可靠与快速连接的难题,提出了一种基于混合剪力键的新型灌浆连接结构。基于DNV规范开展了灌浆连接段的结构设计,利用ABAQUS软件对压弯荷载作用下灌浆连接段力学性能进行了分析,并对轴压荷载作用下的受力机理进行了研究。结果表明:在压弯荷载作用下,最上方钢键齿及最下方的混凝土键齿应力较高,各部件应力均低于强度允许值,结构受力基本合理;其承受轴压荷载的破坏模式为灌浆连接段根部的UHPC管桩压剪破坏,增大灌浆连接段长度、缩小灌浆连接段厚度、提高剪力键间距均有利于提高其轴压承载力。

传输触发体系结构指导下的ECC整体算法处理器设计

以传输触发体系结构(TTA)为基础,为支持大数运算扩展寄存器堆,并增加模乘单元以加速模乘操作,提出一种ECC整体算法处理器.该处理器具有如下特点: ①利用TTA工具链可快速开发出ECC公钥系统;②模乘单元将以基数为处理字长的高基数Montgomery算法与行共享流水结构相结合,具有良好的可扩展性;③流水站实现矢量乘操作,并同时支持GF(p)和GF(2n)双有限域;④通过调整总线宽度和流水站个数,可满足不同性能/面积要求.在0.18μm CMOS工艺下,其高性能和紧缩面积版本的电路等效门数分别为117.4×103和40.6×103,可分别在0.87ms和7.83ms内完成一次GF(p)或GF(2n)上的192位EC标量乘运算.

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。

PVA-ECC高温冷却后力学特性与微观损伤机理

为研究工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite,ECC)高温后的力学性能和微观特征,对ECC进行了高温后材料力学性能试验和微观特征观测。对常温(25℃)、200℃、300℃、400℃及500℃自然冷却和喷水冷却后的ECC试件开展了抗压和抗折性能试验,并结合扫描电镜分析了ECC微观结构损伤特征以及探究了ECC高温后损伤机理。实验结果表明:高温后ECC表面未发生剥落,500℃以内未见爆裂现象,随着温度升高,纤维由混凝土表面逐渐向内部熔化,且失水增多,最大烧失率13.9%;力学性能方面,ECC自然冷却后抗压强度随温度升高呈现先降低后升高再降低的现象,而喷水冷却后抗压强度随温度的升高单调降低,且强度降低显著;高温后抗折强度随温度升高逐步下降,自然冷却降低幅度较喷水冷却显著;结合微观结构变化,ECC经历高温时,纤维部分熔化导致纤维与基体的黏结性能减弱;随着温度升高水化产物之间逐渐呈现独立存在的分散体,但喷水冷却后未水化颗粒二次水化现象明显,使ECC抗折强度较自然冷却提升17%。ECC具有良好的热稳定性,且冷却方式影响ECC材料的表观特性、力学性能和微观特征。

水胶比对UHPC强度发展及微观结构演变规律的影响研究

为了研究水胶比(W/B)对UHPC力学性能及微观发展规律的影响,测试了不同W/B(0.16、0.17、0.18、0.19、0.20)对7、28 d时UHPC的力学性能的影响,采用吸水率和SEM观察UHPC水化产物和孔结构的变化,采用TG和XRD表征UHPC水化产物的变化规律。研究发现:保持流动度不变(230±10)mm,随W/B的增大,UHPC在7、28 d时的力学强度均呈现先上升后下降的趋势,UHPC的W/B为0.18时出现力学性能最优值,对应7 d时的抗压强度和抗折强度分别为149.0、39.3 MPa;28 d时的抗压强度和抗折强度分别为169.2、44.4 MPa。微观分析表明,UHPC水化产物的量与水胶比呈现“正相关”关系。而强度下降的原因是由于W/B较低时,为保证工作性,增加了高效减水剂剂量,造成黏度增大,成型时内部空气无法排除,造成强度下降;W/B较高时,内部孔隙率增加,从而降低UHPC的力学性能。

基于UHPC的预制装配式节点新型连接与结构体系创新研究

根据调查,分析了目前预制装配式建筑节点接缝连接存在的问题,提出将超高性能水泥基材料UHPC材料用于装配预制构件连接节点的新设想。通过系列的试验研究,论证了当钢筋搭接长度为10d时,预制梁节点、柱节点、梁柱节点均可等同现浇,且部分性能还优于现浇。基于试验结论,提出了一种新型预制装配式框架体系的设想,此体系安全可靠,高效便捷,具有一定的推广价值。

基于核磁共振T_(2)谱的ECC孔隙结构冻融演化特征

为了进一步研究在冻融作用下高延性水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,简称ECC)孔隙结构的演化特征,通过对ECC的不同冻融循环次数作用,得到核磁共振T_(2)谱分布曲线,对T_(2)谱峰值分析。在此基础上,得到了在不同冻融循环次数下ECC的孔隙结构演化特征和ECC孔隙结构冻胀变化规律。结果表明:随着水胶比增大,冻融循环次数的增多,ECC小、中孔隙增多;经过对不同冻融循环次数T_(2)谱的比较分析,验证了ECC孔隙率变化率和孔隙体积收缩系数临界值N_(c)均介于200-250次冻融循环阶段内。

ECC结构抗震性能研究进展

在地震作用下,钢筋混凝土结构易发生混凝土剥落、结构连续性倒塌等破坏。工程设计水泥基复合材料(ECC)的韧性好、变形性能优异,具有明显的拉伸应变硬化效应和多缝开展特征,将其应用于建筑结构代替普通混凝土材料,可较好地满足结构抗震性能方面的要求。从试验、理论及有限元分析的角度,系统介绍了ECC材料的拉压力学性能和ECC梁、柱、节点和框架等构件或结构的抗震性能。国内外研究表明,在低周往复荷载作用下,ECC构件裂缝细密,其变形、延性及耗能混凝土结构有较大提升,减少箍筋用量也能避免结构或构件发生剪切失效。在地震作用下,ECC结构比混凝土结构的破坏程度大为减轻。