预应力UHPC槽形节段与整体式混凝土板组合梁受剪性能

将预制的UHPC槽形节段通过干缝连接和预应力张拉形成槽形梁,再与整体现浇的混凝土板组合成的组合梁,称为预应力UHPC槽形节段与整体式混凝土板组合梁(PUCS-MCS组合梁)。它是一种能充分发挥不同材料的性能、施工方便且整体性能好的新型桥梁结构。为探究其抗剪性能,开展了9根模型梁的试验。分析了接缝数、接缝处剪力键数、剪跨比、UHPC钢纤维体积率、配箍率和纵筋率等参数对试件变形、破坏模式、抗剪承载力的影响;基于试验研究结果,提出了PUCS-MCS组合梁抗剪承载力计算方法。结果表明:PUCS-MCS组合梁均为剪压破坏,所有梁在开裂前的荷载-挠度曲线差异不大,在开裂后刚度不断下降;PUCS-MCS组合梁的抗剪承载力随接缝处剪力键数、UHPC钢纤维掺量、配箍率和纵筋率的增大而增大,随干接缝数量增加和剪跨比的增大而减小,其中影响最显著的是干接缝和剪力键,影响最小的是钢纤维掺量和配箍率,因此PUCS-MCS组合梁可不配箍筋,并可采用较低钢纤维掺量的UHPC。

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。

不同类型钢纤维UHPC无腹筋梁受剪性能试验

基于单点加载下4根超高性能混凝土无腹筋梁构件受剪破坏试验结果,研究其受剪性能,以钢纤维类型为主要研究参数,分析钢纤维类型对无腹筋梁的受剪承载力、裂缝发展形态、挠度和韧性等发展规律。结果表明:端钩型钢纤维对提高超高性能混凝土无腹筋梁的受剪承载力、阻滞裂缝发展及控制试件变形能力作用优于光滑平直型和波浪型钢纤维,而端钩型Ⅱ钢纤维优于端钩型Ⅰ钢纤维;端钩型Ⅰ和光滑平直型钢纤维增韧效果较好,但分担纵筋拉力较少;波浪型钢纤维分担纵筋拉力较多,提高超高性能混凝土无腹筋梁抗裂性的效果较好,但增韧效果较差。经对比分析,陈璇公式计算值精确度较高,离散程度小。

部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁抗裂性能

为研究部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁的抗裂性能,开展了4根不同钢纤维掺量的部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁与1根部分充填式窄幅钢箱-NC组合梁静力加载试验。试验表明:在负弯矩作用下,部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁裂缝呈现数量多、短小且密集的特点;同等配筋率的条件下,不同钢纤维掺量(0、1%、2%和3%)部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁与部分充填式窄幅钢箱-NC组合梁相比,在弹性阶段其刚度明显提高,最大裂缝宽度随钢纤维掺量的增加而减少,开裂强度分别提高了36.0%、48.8%、82.0%和112.0%,UHPC显著提高了组合梁的抗裂性能;可以参考按照JTG 3362—2018中裂缝宽度式乘以0.8的修正系数来计算部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁裂缝宽度。

U型组合再生混凝土-高强混凝土梁抗火性能

为突破单一混凝土材料在受力和抗火两方面的性能难以协同优化的难题,该文创新性地提出U型组合再生混凝土-高强混凝土梁(简称为RAC-HSC组合梁),系统地开展了火灾试验和常温、火后受弯试验,综合分析了不同工况下组合梁的性能表现。研究表明:火灾下,RAC-HSC组合梁的耐火性能显著优于高强混凝土整浇梁,其梁内温度较低,跨中挠度较小,跨中未出现明显裂缝,且未观察到爆裂现象;常温及高温后的受弯试验中,RAC-HSC组合梁的屈服荷载、极限承载力及初始刚度均显著优于再生混凝土梁,基本达到或超过普通混凝土整浇梁和高强混凝土整浇梁的水平。该文所提出的U型组合再生混凝土-高强混凝土梁是混凝土构件“抗火-受力一体化设计”的有益尝试。

组合梁栓钉对高性能混凝土约束收缩效应研究

为探究高性能混凝土在栓钉约束作用下的收缩特征及开裂行为,制作了钢-混凝土组合构件,通过试验研究了不同栓钉因素对高性能混凝土约束收缩应变、约束度及开裂风险的影响规律,运用正交试验方法研究了栓钉直径、间距、高度对高性能混凝土约束收缩的影响,得到了主要敏感因素。结果表明:高性能混凝土较普通混凝土的约束收缩应变发展趋势更为平滑;各栓钉因素对约束收缩的敏感性影响的主次顺序依次为直径、间距、高度;混凝土收缩在组合梁高度方向上呈现出一定的收缩梯度,混凝土约束收缩应变随高度增加而增大,但栓钉高度在30 mm处、间距在75 mm处、直径在150 mm处对高性能混凝土约束收缩几乎没有影响;栓钉对混凝土的约束作用可定义为3个阶段,即约束增强阶段、约束下降阶段和约束稳定阶段;组合梁构件最大开裂风险发生在栓钉的根部,当栓钉间距由150 mm减少到75 mm,直径由13 mm增加到22 mm时,最大开裂风险分别增加了20.03%和36.05%,栓钉高度的改变对最大开裂风险没有影响;采用高性能混凝土以及直径小、高度高的栓钉布置方式可以有效减小混凝土的收缩及开裂风险。

玻璃砂超高性能水泥基复合材料的制备及性能

为实现超高性能水泥基复合材料(ultra-high performance cementitious composite,UHPCC)的可持续性和环保性,以玻璃砂替代UHPCC中的河砂,制作玻璃砂超高性能水泥基复合材料(glass sand ultrahigh-performance cementitious composite,GS-UHPCC),通过开展力学性能试验,探讨不同玻璃砂替代率和玻璃砂粒径对GS-UHPCC抗压、抗折性能的影响,定量表征GS-UHPCC的弯曲韧性和能量吸收能力,并通过X射线衍射和扫描电镜试验,分析了玻璃砂的增韧机理.结果表明,以平均粒径为0.27 mm的玻璃砂替代河砂,当体积替代率为40%时效果最好,替代后GS-UHPCC在养护28 d时的抗压强度相较于未掺时提升了17.0%,抗折强度提升了14.8%,能量吸收能力最优,微观结构致密,水化反应最为完全.本研究得出的最优玻璃砂替代率与粒径,可为GS-UHPCC的应用提供可行性支持.

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。

FRP筋-钢筋混合配筋的超高性能混凝土梁受弯有限元分析

研究配筋率、混合配筋等效配筋率、FRP筋面积比、UHPC抗拉强度、钢筋配置形式对UHPC梁受弯性能的影响。分析各参数对UHPC梁屈服荷载、峰值荷载、挠度及破坏形式的影响。结果表明:随着配筋率的增加,纯钢筋UHPC梁刚度、屈服荷载、峰值荷载及对应的挠度均得到不同程度提高;UHPC混合配筋梁随FRP筋面积比的增大,峰值荷载及峰值荷载挠度增大,UHPC混合配筋梁的抗变形能力变差;随UHPC抗拉强度的提升,UHPC梁的开裂荷载、屈服荷载和峰值荷载增大,对应的挠度减小;采用双层布置的UHPC混合配筋梁比单层布置梁屈服荷载、峰值荷载小。本文为FRP-钢筋混合配筋UHPC结构的工程应用提供参考。

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-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。

超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁受弯性能研究

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)由于较高的强度和耐久性可作为理想的加固材料。首先基于已有试验结果,研究了可合理考虑加固层和混凝土梁接触面间黏聚力接触的UHPC加固钢筋混凝土梁精细有限元模型建模方法。在此基础上,建立了162个加固梁的有限元模型进行了数值模拟分析,研究了不同加固筋截面积、加固层厚度以及加固层有无拼缝等关键参数对构件破坏模式和承载力的影响规律。研究结果表明:考虑黏聚力接触的数值模型可以较好地模拟UHPC加固钢筋混凝土梁的受弯性能;加固层厚度与加固筋截面积均会影响试件破坏模式与承载力提升幅度,但对于含拼缝试件,加固层厚度对上述性能影响较小。

基于试验数据库的UHPC梁抗剪承载力计算方法

为研究钢筋UHPC梁的抗剪承载力计算方法,首先,建立了钢筋UHPC梁的抗剪试验数据库;然后,以此为基础对法国NF P18—710规范、瑞士SIA 2052指南、日本JSCE—2006指南、GB 50010—2010规范、JGJ/T 465—2019规范和DBJ 43/T 325—2017规程中的抗剪承载力计算公式进行评估和分析;最后,修正了法国NF P18—710规范的抗剪承载力公式。研究结果表明:各规范公式均不同程度地保守估计了钢筋UHPC梁的抗剪承载力,其中无腹筋UHPC梁的各规范ξ_(m)为1.71~2.71,有腹筋UHPC梁的各规范ξ_(m)为1.52~2.09;国外规范中,法国NF P18—710规范的ξ_(m)分别为1.52~1.71,预测结果误差最小且安全储备较合理;与法国NF P18—710规范预测结果相比,瑞士SIA 2052指南的ξ_(m)为1.70~1.95,预测结果更为保守;日本JSCE—2006指南对于无腹筋UHPC梁预测结果与法国NF P18—710规范相比较为接近,而对于有腹筋梁预测结果偏差较大;国内规范中,GB 50010—2010规范的预测结果最为保守,ξ_(m)为2.13~2.71;JGJ/T 465—2019规范和DBJ 43/T 325—2017规程在GB 50010—2010规范基础上考虑了钢纤维对抗剪承载力的影响,预测精度有所提高。其中,JGJ/T 465—2019规范的ξ_(m)为1.59~1.74,DBJ 43/T 325—2017规程的ξ_(m)为1.66~1.81。基于规范计算模型误差分析,提出了考虑剪跨比影响的UHPC基体抗剪承载力系数和考虑钢纤维影响的钢纤维抗剪承载力系数的取值方法,修正了法国NF P18—710规范的抗剪承载力计算公式,可较好地预测钢筋UHPC梁的抗剪承载力。

UHPC-窄幅钢箱组合梁裂缝宽度计算方法

针对钢-混凝土组合梁负弯矩区易开裂的情况,提出了UHPC-窄幅钢箱组合梁结构,通过UHPC抵抗组合梁负弯矩区的拉力。通过对5根试验梁进行负弯矩下的静力加载试验,得到不同钢纤维掺量对翼板中裂缝分布的影响,分析了各试验梁的裂缝分布特点,并推导了裂缝宽度的计算方法,得到理论值与试验值吻合良好。

考虑剪力滞和剪切变形效应的UHPC箱梁长期挠度分析

为准确计算UHPC箱梁在长期荷载作用下的挠度,基于剪切变形规律的截面翘曲位移函数,运用能量变分法建立考虑剪力滞、剪切变形效应以及UHPC收缩徐变效应的UHPC箱梁挠度计算控制微分方程,推导均布荷载和集中荷载作用下UHPC简支箱梁挠度计算公式,并利用有限元模型计算结果对其正确性进行验证。通过数值算例分析不同效应、截面配筋以及材料特性对UHPC箱梁挠度计算的影响。结果表明:考虑剪切变形效应产生的挠度明显大于剪力滞效应;均布荷载和集中荷载作用下,仅考虑剪力滞和剪切效应后产生的简支梁跨中挠度相对于按初等梁理论计算的瞬时挠度分别增大了9.4%和10.9%,而同时考虑UHPC收缩徐变效应后分别增大了约1.5倍左右;截面配筋对箱梁挠度计算有一定的影响,两种荷载作用下,考虑配筋后计算得到的简支梁跨中瞬时和长期挠度分别是不考虑配筋时挠度的0.96倍和0.89倍;用UHPC材料代替普通混凝土材料可显著降低结构的短、长期挠度以及收缩徐变引起的挠度变化。提出的公式可为长期荷载作用下UHPC箱梁的挠度计算提供理论依据。

装配式组合梁负弯矩区阶梯型UHPC接缝抗裂性能试验研究

为提高装配式组合梁负弯矩区桥面板抗裂性能,简化施工工艺,提出了组合梁桥负弯矩区阶梯型超高性能混凝土(UHPC)湿接缝方案。以湖北某装配式组合梁桥为背景,设计制作了1根1∶2缩尺模型试件进行负弯矩加载,对阶梯型UHPC接缝抗裂性能进行试验研究。利用截面非线性计算方法对接缝区域钢筋应变进行非线性分析,基于分析结果,讨论了UHPC基体裂缝宽度实测值与规范计算值之间的差异。结果表明:试件破坏模式为纯弯段内钢梁底板屈曲破坏;负弯矩作用下,钢梁与混凝土桥面板之间的最大滑移量为0.163 mm,接缝区域截面应变分布基本满足平截面假定,接缝与预制部分共同受力良好;UHPC与普通混凝土(NC)具有不同的裂缝分布特征,UHPC裂缝分布较密,而NC裂缝分布较疏;接缝区域内,区域Ⅱ以及接缝截面裂缝发展较快,钢-UHPC截面抗裂能力强于钢-NC-UHPC截面;试件接缝区域桥面板顶面裂缝宽度达到0.1 mm时,接缝界面名义应力超过12.8 MPa,安全系数达到了1.69;非线性计算方法可以有效预测钢筋应变;接缝区域UHPC基体裂缝宽度宜采用UHPC行业标准或法国UHPC规范进行计算,计算时宜考虑混凝土的抗拉贡献;阶梯型UHPC接缝方案具有优异的安全与耐久性能,施工方便,能够满足实际工程需求。

可拆卸式钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键的抗剪性能试验

试验共设计16个推出试件,探究螺栓直径、螺栓等级、螺栓预紧力和剪力键类型对钢-预制超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)组合梁中高强螺栓剪力键抗剪性能的影响.试验结果表明,推出试件以剪力键剪断为主要破坏模式.螺栓剪力键的抗剪性能随螺栓的直径和螺栓等级的增大而提高;螺栓预紧力仅对初始抗剪刚度有影响;相比于传统焊钉剪力键,螺栓剪力键的单栓抗剪承载力有所下降,但整体抗剪性能仍满足结构性能要求.结合试验结果和国内外规范公式,提出一条更精确的计算公式用以预测钢-预制UHPC组合梁中螺栓剪力键的抗剪承载力.

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。

预应力超高性能混凝土工字形梁抗剪性能试验

为了研究预应力超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)工字形梁的抗剪性能和抗剪承载力计算方法,设计并完成了3片预应力UHPC工字形梁的单点加载试验,获得了试验梁的荷载-位移曲线、破坏模式和裂缝分布特征等关键结果;基于试验结果,结合法国UHPC规范、瑞士UHPC规范、中国公路桥梁规范及公路桥涵超高性能混凝土应用规范意见稿计算了试验梁的抗剪承载力,分析了各个规范的适用性。此外,基于修正压力场理论(modified compression filed theory,MCFT),分别采用Mohr-Coulomb准则和Rankine准则,计算了试验梁的抗剪承载力,并进行了分析讨论。研究表明:预应力UHPC工字梁的抗剪承载力随着剪跨比的增加而减小,箍筋对于抗剪承载力影响较大;各国规范对UHPC梁的抗剪承载能力的计算较为保守。采用Mohr-Coulomb准则的计算结果较Rankine准则的计算结果与试验值更为接近;特别是小剪跨比的试验梁,处于弯剪复合状态,Mohr-Coulomb准则考虑了受压区UHPC法向和切向应力的影响,更为接近实际状况。

UHPC-NC组合箱梁顶板界面抗剪性能试验研究

为了研究超高性能混凝土(UHPC)与普通混凝土(NC)组合箱梁的界面抗剪性能,该文设计了3类界面处理方式不同的试件,分别为不处理类、凿毛类、涂缓凝剂+水冲洗类,同时进行了UHPC与NC的组合推出试验,分析3类试件的破坏形态和抗剪性能.试验结果表明:UHPC与NC组合结构进行界面处理后,推出试件的破坏形态为普通混凝土侧的拔出破坏,与界面不处理的破坏形态相同,且各类试件的初始剪切刚度相近.但不同界面处理方式对试件的平均抗剪强度影响较大,进行界面处理后相较于不处理时的平均抗剪强度大幅提高,均为不处理时的4倍以上.