钢-UHPC组合桥面板横向负弯矩区受弯性能研究

为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明:开孔板(perfobond leiste,PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16%~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明:PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。

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。

考虑二次受力的UHPC加固RC墩偏压极限承载力

为揭示考虑二次受力UHPC加固桥墩偏压受力的损伤机理和极限状态,设计制作了UHPC加固RC墩和未加固墩构件,并进行了相应的试验研究和理论分析,并与未加固墩进行了比较。开展了考虑二次受力的UHPC增大截面法加固RC桥墩的小偏压试验,研究了不同初始受力条件下加固墩的破坏模式和极限承载力。结合有限元模型讨论了UHPC抗压强度、加固层的厚度和配筋率对极限承载力的影响。根据极限状态下的受力特性和平衡关系,推导了UHPC加固RC墩偏压极限承载力计算公式。结果表明:UHPC搭配钢筋网加固墩小偏压承载力与未加固墩相比,提升幅度达到了183%以上。UHPC强度对试件极限承载力的影响较大,UHPC厚度增大对加固试件承载力提高也较明显,加固层配筋率对构件承载力的提高影响较小。初始荷载的增大会降低原墩的混凝土利用率,降低加固墩的极限承载力。所提出考虑二次受力公式的计算承载力与实测值误差在3%之内,与有限元计算值误差在8%之内,具有较高的计算精度。研究结果可以为UHPC加固RC墩偏压承载力计算提供理论依据。

预制拼接槽型UHPC柱偏心受压性能试验研究

为研究预制拼接槽型UHPC柱在受压条件下的力学性能及其影响因素,开展2根整浇UHPC柱及14根预制拼接槽型UHPC柱在不同拼接形式、不同偏心受压方向及不同偏心距下的轴心或偏心受压试验研究.通过考察试件的极限承载力、破坏形态、轴向及侧向变形性能,研究了拼接方式、偏压方向和偏心距对其静力性能的影响.试验结果表明:钢纤维延缓了UHPC的开裂,增强了试件的变形能力,但预制拼接槽型UHPC柱在轴压和小偏压荷载下仍表现出明显脆性破坏特征;在该试验中,偏压柱的破坏形态主要为小偏心受压破坏及大偏心受拉破坏;在相同偏心距下,不同拼接形式、不同偏心受压方向的柱体破坏形态及承载能力表现趋于一致;在相同尺寸与配筋下,预制拼接槽型UHPC柱承载力随偏心距的增加而减小.最后,通过对比试件承载力试验值和我国现行规范理论计算值,定性地指出了现行规范的局限性.本文试验数据可为预制拼接槽型UHPC柱设计提供参考.

平钢板-UHPC组合桥面板纵向抗负弯性能试验研究

某大桥次边跨及中跨主梁为钢-UHPC组合梁,钢-UHPC组合梁的桥面板首次采用一种通过PBL剪力键将8 mm平钢板与15 cm的UHPC层连接起来的新型组合桥面体系。为了探究该桥新型钢-UHPC组合桥面板抗负弯矩性能与安全性,完成了2块足尺模型的静力性能试验,进行了桥梁整体受力和桥面板局部受力计算,以及桥面板抗负弯矩极限承载力构成分析。结果表明:UHPC名义开裂强度达8.90 MPa以上,其值远大于实桥荷载作用下UHPC层上缘的纵桥向最大拉应力,组合桥面板负弯矩抗裂性能良好,能满足工程需求;组合桥面板抗负弯承载力的计算,UHPC受拉本构宜采用三折线模型,抗负弯承载力简化计算的UHPC受拉区等效均布应力折减系数可取0.76,抗负弯承载力状态的受压钢板受力仍处于线弹性阶段,抗负弯破坏模式与抗正弯明显不同,为受拉钢筋拉断;PBL剪力键能保证了钢板与UHPC板整体共同受力;组合桥面板在负弯矩作用下的延性良好,裂宽增长缓慢,UHPC的名义极限强度达名义开裂强度的4.1倍以上,到达极限荷载后,组合板承载力没有明显下降。

FRP网格-UHPC复合加固RC梁抗弯性能有限元分析

我国建筑、桥梁等结构大多已接近使用年限,亟需加固改造。为解决新旧接触界面易产生剥离、新加结构与原有部分无法共同受力的问题,改善传统加固方法,采用FRP网格-UHPC复合加固钢筋混凝土梁。用ABAQUS有限元软件进行数值模拟分析,模拟结果与试验结果吻合较好,能够准确模拟FRP网格增强超高性能混凝土(UHPC)复合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能。分析FRP网格横、纵向结点数和复合加固层粘结长度等参数对加固梁受弯性能的影响,结果显示,随着粘结长度的增加,加固效果提升显著,承载力最大提升幅度为121.929%;通过增加横向网格结点数,可以有效地增强FRP网格与UHPC之间的机械锚固能力,从而使承载力提升。研究成果为FRP网格-UHPC加固混凝土结构提供参考。

板厚对UHPC薄板抗弯性能的影响

薄壁薄板结构是超高性能混凝土(UHPC)一个重要应用,而厚度减小会影响到钢纤维的取向和分布,并直接影响力学性能,如抗弯性能等。对5~50 mm UHPC薄板的抗弯性能进行研究,并通过三维视频显微镜和图像法研究由厚度引起的纤维分布取向变化,发现板厚大于20 mm后所能承受的破坏荷载快速增加,但抗弯强度随板厚减小而增加,纤维取向性(沿长度方向)也逐渐增强,尤其是对厚度为5~10 mm的薄板。抗弯强度变化主要取决于钢纤维取向性和厚度因子,而后者对超薄板影响较大。

UHPC在T梁桥错孔拼宽湿接缝中的设计研究

装配式桥梁拼宽改造会出现错孔拼宽的情况,由于新旧桥错孔布置导致活荷载作用下新旧桥竖向变形在横向不协调,常规的普通混凝土拼接湿接缝方案难以满足车辆荷载产生的横向拉应力。以某高速公路改扩建项目中3×30m预应力混凝土T梁错孔拼宽改造为背景,在常规对孔拼接缝方案的基础上,结合超高性能混凝土(UHPC)抗拉性能,研究了一种不等宽柔性拼接方案,并采用有限元软件建立在最不利错孔15m情况下T梁实体模型,分析温度、车辆荷载、沉降对T梁拼接缝处的受力性能。结果表明:该结构在单项运营荷载及运营荷载组合作用下,结构受力满足材料性能要求,方案可行。

UHPC加固RC柱的轴压性能试验及有限元模拟分析

超高性能混凝土(UHPC)因其优异的力学性能和耐久性能,广泛应用于钢筋混凝土结构的加固中。对UHPC加固钢筋混凝土短柱轴心受压进行试验研究,利用ABAQUS有限元分析软件建立UHPC加固钢筋混凝土短柱轴心受压的有限元模型,峰值荷载模拟值与试验值吻合良好。分析长细比对加固柱荷载及塑性变形性能的影响,每组5个试件长细比分别为2,4,6,8和10,共6组30个试件。结果表明:相同长细比下UHPC加固钢筋混凝土柱能较大提升柱的承载力和延性;随着长细比L 0/d增大,加固柱的承载力降低,破坏时试件的极限位移明显增大;当长细比进一步增大,试件极限承载力降低趋势开始变缓,峰值荷载对应的位移增大,抵抗塑性变形能力变差,该研究为UHPC加固钢筋混凝土柱工程应用提供参考。

UHPC梁抗冲击性能影响因素有限元分析

为研究配箍率、纵筋率、UHPC强度对UHPC梁抗冲击性能的影响,采用LS-DYNA软件,建立落锤冲击下的UHPC梁有限元模型,进行数值计算,分析对比其破坏形态、位移时程。结果表明UHPC中的钢纤维提高了梁的抗剪能力,导致配箍率对UHPC梁的冲击响应影响较小;当纵筋率小于1.0%时,破坏形态为少筋破坏,随着纵筋率增大,梁抗冲击能力增强,破坏形态转变为适筋破坏,跨中最大位移减少,但影响程度随着纵筋率增加而逐渐减少;UHPC抗压强度不同,梁的破坏模式有差异,当强度从100MPa增加到140MPa时,梁体破坏形态从落锤两侧出现斜向损伤转变为跨中受拉损伤。对于UHPC梁抗冲击设计,可减少箍筋的配置,而提高纵筋率或UHPC强度。

部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁抗剪试验研究

目的为研究部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁的抗剪性能,方法对4根倒置组合梁试件通过三点加载方式进行了静载试验,通过研究其负弯矩作用下的破坏形态及变形特征,得到了组合梁的荷载-挠度曲线、应变分布、荷载-滑移曲线、最终破坏形态等。结果试验研究结果表明:UHPC翼板显著提升了组合梁的变形能力和极限承载力;相较于试件SUCB-3(NC翼板),试件SUCB-1(1/2UHPC翼板和SUCB-4(全UHPC翼板))的承载力分别提高了18.2%和27.3%,变形能力则分别增强了38.02%和41.2%;钢纤维的添加能有效地抑制翼板裂缝的开展,钢纤维掺量从0提高到2%,试件的最大裂缝宽度从1.06 mm降低到0.92 mm,变形能力增强了23.61%,承载力则提高了4%。结论提出了考虑钢箱、UHPC翼板和充填混凝土贡献的组合梁抗剪承载力计算公式。

窄幅钢箱-UHPC组合梁负弯矩下抗弯性能试验研究

为改善钢-混凝土组合梁负弯矩下的受力性能,提出一种新型窄幅钢箱-超高性能混凝土(UHPC)组合梁。通过6根试验梁的反向静力加载试验,得到试验梁受力全过程跨中荷载-挠度、荷载-应变、荷载-最大裂缝宽度关系曲线、裂缝发生发展及破坏形态等,基于简化塑性理论推导出了组合梁极限抗弯承载力计算公式。结果表明:窄幅钢箱-UHPC组合梁在负弯矩下具有良好的受力性能;提高配筋率、钢纤维掺量和UHPC相对板厚都可在一定程度上改善组合梁延性,提高其极限抗弯承载力;翼板配筋率对承载力影响较大,配筋率由1%增加至2%时,其极限抗弯承载力提高了15%;钢纤维掺量和UHPC相对板厚对初始开裂荷载影响较大,钢纤维掺量从1%增加到2%时,初始开裂荷载提高32%,UHPC相对板厚由0增加到0.5时,初始开裂荷载提高56%;增加钢纤维掺量和UHPC相对板厚可有效控制裂缝宽度,减少结构主裂缝数量,改善组合梁耐久性;组合梁极限抗弯承载力计算公式计算值与试验值吻合较好,表明塑性理论适用于窄幅钢箱-UHPC组合梁的承载力计算。

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。

温度作用下钢-UHPC轻型组合桥面疲劳性能研究

文中以宜昌长江大桥钢桥面加固改造工程为背景,通过有限元计算,分析不同温度作用下组合桥面疲劳易损细节的应力变化规律.结果表明:相比传统沥青钢桥面,钢-UHPC轻型组合桥面能够在不增加桥梁恒载情况下,降低疲劳细节应力幅值,改善钢桥面抗疲劳性能;不同温度作用下,相比传统沥青钢桥面,钢-UHPC轻型组合桥面各疲劳易损细节应力的降幅达15%~46%.

钢-UHPC轻型组合结构短栓钉抗剪性能试验研究

通过6个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)轻型组合结构短栓钉推出试验,对其抗剪承载力、破坏形态、栓钉应变及荷载-滑移曲线进行了研究,探讨了栓钉直径、长度、数量以及界面黏结对短栓钉抗剪性能的影响规律.结果表明:所有试件均为栓钉根部剪切破坏,UHPC板除栓钉根部沿承压方向部分UHPC压碎外,其余部分保持完好,UHPC可以抵抗栓钉传递的高压应力;栓钉根部截面屈服后应力强化阶段明显,栓钉发生剪切破坏时,栓钉根部上侧应变超过3500με;长径比为2.0的短栓钉在UHPC中也能发挥全部强度;所有试件的荷载-滑移曲线分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段,所有短栓钉的最大滑移量均小于4 mm,工程应用时应按照弹性剪力连接件进行设计;栓钉直径对栓钉抗剪性能提高最显著,直径16 mm的栓钉比直径13 mm的栓钉的抗剪承载力和极限滑移分别提高了46.4%和11%,弹性刚度和塑性刚度分别提高了35.8%和59.1%,增加栓钉长度和界面黏结能有效提高栓钉的剪切刚度,长径比为3.0的栓钉比长径比为2.5的栓钉的弹性刚度提高了12.3%,界面有黏结试件比界面无黏结试件的弹性刚度提高了17.4%;相同间距内,合理增加更多栓钉有利于提高整体抗剪强度,但会降低延性变形能力.最后,结合实验数据和国内外UHPC中栓钉推出试验结果,建立了UHPC中栓钉荷载-滑移曲线和抗剪承载力预测表达式,计算值与试验值吻合良好.

预制UHPC永久模板钢筋混凝土组合梁抗剪性能有限元分析

为了研究预制超高性能混凝土永久模板钢筋混凝土组合梁抗剪性能,选取合适的U型UHPC预制单元本构关系,建立了钢筋混凝土梁的有限元永久模型,并与已有的试验数据进行比较,验证了模型的可靠性,并分析配箍率、剪跨比等参数对超高性能混凝土组合梁抗剪性能的影响。结果显示:超高性能混凝土预制单元可显著提高斜向开裂荷载和极限荷载;预制单元会限制箍筋的作用,所以配箍率对组合梁影响小;剪跨比对组合梁抗剪性能影响大,但是和配箍率一样都会影响其延性。

UHPC桥面板力学性能与承载力计算方法

为研究某超千米混合式组合梁斜拉桥超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)桥面板的静力抗弯力学性能,本文设计制备了抗压强度大于160 MPa.弹性模量大于45 GPa的UHPC材料,并开展了两片足尺UHPC桥面板静载抗弯试验,桥面板长宽高为3.8 m×1.0 m×0.17 m.通过分析UHPC桥面板抗弯受力状态和破坏机理,提出了UHPC桥面板受力计算图式,建立了UHPC桥面板的开裂弯矩和考虑UHPC受拉软化段应力下降的承载力计算公式.结果表明:UHPC桥面板具有优异的抗弯力学性能,开裂弯矩均值达到77.4 kN·m,受拉纵筋屈服时的弯矩均值为237.1 kN·m,板件破坏模式以底部受拉纵筋屈服为主要特征;理论公式计算值与试验值吻合较好.研究工作为UHPC桥面板在千米级斜拉桥主梁中的应用提供了理论分析和试验依据.

FRP筋增强UHPC模壳型混凝土组合梁受弯性能

为研究纤维复合材料(fiber-reinforced polymer,FRP)筋增强超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)模壳型混凝土组合梁的受弯性能,基于已验证模型,对U型UHPC模壳型混凝土组合梁进行有限元模拟,分析不同配筋率下截面构造形式和UHPC厚度、混凝土和筋材力学性能对构件的开裂、屈服、极限荷载,及其对应挠度、破坏模式、能量耗散和延性等的影响.研究表明:UHPC模壳可有效延缓组合梁开裂;增加UHPC面个数可有效提高极限荷载;适当提高UHPC强度、FRP筋弹性模量和UHPC厚度均可以有效提高极限荷载;混合配筋组合梁比钢筋组合梁有更好的能耗和延性;盲目提高FRP筋抗拉强度并不能提高组合梁受弯性能,但混合配筋模式下,提高FRP配筋率可以提高极限荷载和极限挠度.该研究结果可为UHPC模壳型混凝土组合梁结构设计与分析提供参考.

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。

石英砂对UHPC力学性能的影响规律

研究了标准砂与工业石英砂作为细集料对UHPC100力学性能的影响规律。试验结果表明,两种养护条件下,标准砂UHPC3 d抗压与抗折强度增长较快,28 d两种砂的强度逐渐一致,但工业石英砂UHPC的抗折强度增长更高,抗拉强度与弹性模量则随着龄期呈明显增长趋势,不论是标准养护还是高温养护,工业用石英砂UHPC7 d力学性能更加突出,高温养护条件更佳。