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。

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.

部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁负弯矩下抗剪强度

为研究部分充填式窄幅钢箱-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)组合梁在负弯矩下的裂缝开展、局部屈曲和竖向抗剪强度,对5根不同UHPC翼板层厚和钢箱不同充填高强混凝土(high strength concrete,HSC)高度的组合梁试件进行反置正向加载,得到了试件在加载过程中的破坏过程、荷载-裂缝宽度曲线、荷载-跨中挠度曲线、跨中应变分布和腹板应力应变等并进行分析。结果表明:相比于普通混凝土(normal concrete,NC)翼板试件,半UHPC和全UHPC翼板试件其抗剪承载力提升不大,仅8.3%和11.6%;相比于未充填试件,半充填和全充填试件其抗剪承载力分别提升了61.7%和87.2%。用UHPC替换部分NC翼板后试件能有效地控制裂缝发展,钢箱内充填HSC能有效地减小腹板局部屈曲。考虑翼板、钢梁和充填HSC对抗剪承载力的贡献,通过分项叠加法确定试件的抗剪承载力计算方法,能较准确地计算试件的抗剪承载力。

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。

预制钢-UHPC组合梁中橡胶-短栓钉剪力件的抗剪性能试验研究

为了探究钢-UHPC组合梁中橡胶-短栓钉剪力件的抗剪性能,试验设计并制作了10个推出试件,研究橡胶套筒尺寸和加载制度对其抗剪性能的影响规律。试验结果表明:试件以栓钉剪断为主要破坏形式,并伴随栓钉附近局部混凝土压碎。橡胶套筒厚度对剪力件的抗剪承载力影响较小,橡胶套筒厚度为2mm的组合剪力件承载力为普通剪力件的94%。随着橡胶套筒厚度的增加,剪力件的抗剪刚度随之下降,最小为普通剪力件的87%;相对滑移则随着厚度增加而增加,最大为普通剪力件的142%。而随着橡胶套筒的高度增加,剪力件的抗剪承载力随之减少,橡胶套筒高度为50mm的组合剪力件承载力为普通剪力件的89%;随着橡胶套筒高度的增加,剪力件的抗剪刚度随之下降,最小为普通剪力件的75%;相对滑移则随着高度的增加而增加,最大为普通剪力件的137%。

钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键群的抗剪性能试验研究

为研究高强螺栓作为钢-预制UHPC组合梁剪力键的抗剪性能,共设计15个推出试件,探究螺栓间距和螺栓数量对试件的破坏模式、荷载-滑移曲线、极限承载力、延性和初始抗剪刚度的影响。试验结果表明,推出试件的主要破坏模式为螺栓剪力键剪断,同时在螺栓剪切面下端有局部UHPC受压剥落,UHPC预制板只在剪力槽四周出现细微裂缝。减小螺栓间距会导致试件的抗剪性能降低;而增加螺栓数量可以有效地提高试件的抗剪性能,但也会导致单栓初始抗剪刚度下降。分析国内外现行钢-混凝土组合梁中剪力键的抗剪承载力计算公式,并以此提出一条更适用于钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键群的抗剪承载力计算公式。对比提出公式的计算值与试验值,两者的平均比值、标准差和变异系数分别为1.02、0.02和0.02。

钢-UHPC组合梁单钉连接件抗拔性能分析

为研究钢-UHPC组合梁单钉连接件的抗拔性能,通过6组UHPC中单钉连接件的拉拔试验和ANSYS软件数值计算,分析了栓钉直径、高度对抗拔承载力和破坏模式的影响.提出了钢-UHPC单钉连接件抗拔承载力计算公式,得到了不同UHPC和栓钉强度下栓钉钉杆拉断和UHPC开裂2种典型破坏模式的高径比界限.结果表明,若高径比大于界限值,抗拔试件破坏时栓钉钉杆被拉断,UHPC板完好,属于延性破坏;若高径比小于界限值,试件为UHPC开裂破坏,栓钉脱出,UHPC冲切破坏面与竖直面的夹角约为43°,属于脆性破坏.钢-UHPC单钉连接件抗拔承载力公式的计算值略低于模拟值,相对误差小于10%.

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。

基于并行计算和遗传算法的钢-UHPC华夫板组合梁优化设计

为实现钢-超高性能混凝土(UHPC)华夫板组合梁结构快速经济合理的设计,提出了基于并行计算与遗传算法的结构优化设计方法.通过Python建立了并行计算平台,使Abaqus和Python能够执行同步数值模拟和数据处理,以成本最小化为目标,采用遗传算法对钢-UHPC华夫板组合梁进行了优化,验证了所提方法的可行性.结果表明,遗传算法中密集的分析任务可以并行化并分配给不同的计算资源以提高计算效率;使用并行计算可以提高8.6倍的优化效率;并行计算和串行计算的CPU平均使用率分别为82%和18%.本文方法的成功应用可为其他类型结构的优化设计提供参考.

钢-UHPC组合梁抗弯性能理论研究

为解决钢-NC组合梁桥自重大、易开裂的难题,提出了钢-UHPC组合梁桥结构。基于组合梁正弯矩抗弯性能试验,对梁体力学性能进行了理论分析,提出了组合梁抗弯承载力修正的塑性计算方法,计算结果表明:考虑钢梁屈服后强化和UHPC材料裂后抗拉性能的修正的塑性计算方法可以准确计算桥梁工程常见截面的钢-UHPC组合梁的抗弯承载力;进行组合梁竖向挠度计算时,应考虑界面滑移效应的影响;对于钢-UHPC组合梁竖向挠度的计算,栓钉抗剪刚度取1/2Q时计算值更接近试验值。该计算方法可为组合梁理论计算提供一定参考。

钢-UHPC轻型组合梁负弯矩区接缝抗弯试验

针对传统钢板组合梁墩顶负弯矩区混凝土顶板易开裂的问题,提出了一种预制钢-UHPC轻型组合梁结构,设计了适用于该组合梁墩顶负弯矩区的横向接缝构造,通过强配筋及现浇UHPC材料的方式提高负弯矩区阶梯状T型湿接缝的抗弯、抗裂性能。以云南昌保高速公路某跨线桥为依托工程,对组合梁墩顶负弯矩区进行1∶2缩尺模型抗弯加载试验,分析了加载全过程的荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线及截面应变分布、裂缝开展、破坏形态等,结果表明:横梁上部UHPC湿接缝的设置协同横梁构造有效提升了墩顶负弯矩区的抗裂性能;由于新旧UHPC界面钢纤维不连续,使得负弯矩区现浇UHPC与预制梁UHPC桥面板结合处成为结构受力最薄弱位置,组合梁抗弯承载力也由该处截面控制,提出了与横梁接缝结构破坏模式相对应的接缝截面塑性抗弯承载力计算方法,抗弯承载力理论计算值与试验值基本相符。

钢-UHPC组合梁的长栓钉连接件抗剪性能研究

为了解钢-UHPC组合梁中长栓钉连接件的抗剪承载力和钢-UHPC界面滑移特性,采用推出试验和有限元法进行研究。设计、制作13个采用不同长栓钉布置形式的钢-UHPC试件进行推出试验,同时建立采用不同长栓钉与UHPC接触关系(面面接触、绑定约束、内置区域)的推出试件有限元模型,分析试件的长栓钉抗剪承载力、界面滑移性能,拟合得到考虑UHPC增强系数的钢-UHPC组合梁的长栓钉抗剪承载力、荷载~滑移公式,并与国内外规范、相关研究公式及试验值进行对比。结果表明:钢-UHPC推出试件破坏模式均为长栓钉剪断;采用面面接触的有限元模型荷载~滑移曲线与试验结果较为接近,而采用绑定约束和内置区域的模型中长栓钉受力行为与实际不符,计算值与试验值误差较大;现有规范及相关研究中的栓钉抗剪承载力、荷载~滑移公式计算值与试验值误差较大,本文公式计算值与试验值吻合较好,可用于长栓钉连接件钢-UHPC组合梁抗剪性能的初步确定。

UHPC-钢组合桥面板结构设计分析

以某全互通立交为工程背景,匝道曲线段采用钢-UHPC组合连续梁结构,通过MIDAS有限元仿真计算分析了UHPC-钢组合桥面板在车辆荷载作用下的受力性能,对比了不同加劲肋对组合桥面板第二体系应力的影响,得到了一些有价值的结论,可以为类似结构设计提供参考。

UHPC 在槽形钢-混凝土组合梁的应用与分析

以某大跨连续钢-混凝土组合梁为工程背景,对钢-UHPC组合梁和钢-C50混凝土组合梁进行整体和局部对比分析。结果表明,整体计算中,钢-UHPC组合梁的刚度略小于钢-C50混凝土组合梁,基本组合下钢-UHPC组合梁中钢梁应力比钢-C50混凝土组合梁下降约27%。局部有限元分析中,频遇组合下钢-C50混凝土组合梁的桥面板已开裂;钢-UHPC组合梁桥面板的最大拉应力作用范围比钢-C50混凝土组合梁小,仅出现在纵肋下缘,且最大拉应力小于UHPC材料的开裂应力。钢-UHPC组合梁可大幅降低结构自重,进一步减小钢梁截面,有望解决大跨度连续组合梁中桥面板开裂问题。

基于UHPC的钢-混凝土连续组合梁桥负弯矩区抗裂构造研究

针对钢-混凝土连续组合梁桥负弯矩区混凝土开裂的问题,提出了采用预制UHPC横梁且带预应力锚栓钢端板的连续组合梁新构造,该构造在位于钢-混凝土连续组合梁负弯矩区内,通过栓钉、钢端板、预应力钢筋、化学高强度膨胀螺栓将预制UHPC桥面板和预制UHPC横梁与相邻梁体进行桥梁连接。该构造限制了负弯矩区钢筋混凝土桥面板裂缝的产生和发展,具有适宜的刚度和良好的抗震性能,减小了混凝土横梁的厚度,减轻了桥梁自重,工厂预制UHPC构件以及简明的构件连接方式有效提高了施工质量和施工速度。

圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究

以含钢率和套箍系数为参数,开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验;而后,采用已验证的有限元模型,对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明,高强钢管UHPC梁发生延性破坏,组合截面满足平截面假定,受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管,高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加,钢管混凝土梁达抗弯承载力时,中性轴趋近截面中线,受拉区钢管应力减小,受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现,对于高强钢管UHPC梁而言,现有中国规范GB50936−2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题,为此该文提出了新实用计算方法。

钢-UHPC组合梁剪力滞效应研究

基于Gjelsvik位移模式与修正的翘曲位移函数,建立一个能同时考虑界面滑移和剪力滞效应的钢-UHPC组合梁模型,研究以矮肋板作为桥面体系的新型组合梁剪力滞效应。利用最小势能原理,得出简支组合梁在均布荷载和集中荷载下的解析解,并将解析解与试验值和ANSYS结果进行对比,验证解析解的适用性和准确性。比较矮肋板与矩形板桥面体系组合梁剪力滞效应的差异,发现相同荷载工况下,矮肋板有效宽度系数比矩形板减少了近17%,说明矮肋板桥面体系组合梁剪力滞效应更明显。对组合梁剪力滞效应影响因素进行分析,发现矮肋板桥面体系组合梁剪力滞效应除与宽跨比、荷载类型、荷载作用位置有关外,还与剪力连接件的剪切刚度、UHPC翼缘板参数取值等因素有关。研究结果还表明:适当减小宽跨比、剪力连接件的剪切刚度都可降低矮肋板桥面体系组合梁剪力滞效应。

兰张高铁十八里堡特大桥56 m UHPC组合简支梁设计研究

UHPC材料是一种新型纤维增强水泥基复合材料,利用其力学性能高的特点建造桥梁后可以实现桥梁结构轻型化。国内公路和市政桥梁中均已有应用先例,而铁路桥梁主体结构未见应用。兰州至张掖高速铁路十八里堡特大桥拟建造56 m UHPC组合简支梁桥,以解决大跨度混凝土桥梁地震响应大这一技术难题,十八里堡特大桥UHPC简支梁的建造应用将拓宽国内铁路桥梁建设中主体结构只有钢和混凝土两种建筑材料的限制。该桥已完成设计研究分析,研究结果表明:(1)拟建造应用的56 m UHPC简支梁仅为同等跨度普通混凝土梁梁重的72%;(2)提出UHPC组合薄壁简支梁剪力键的主要构造形式;(3)提出UHPC组合简支梁的主要施工方法;(4)建立UHPC组合简支梁双层梁有限元计算模型,分析UHPC薄壁箱梁受力特征,计算分析UHPC与普通混凝土组合梁相对收缩效应和相对徐变效应。

16m无筋预应力UHPC简支工字梁抗弯性能足尺模型试验研究

以国内首座无筋预应力体系UHPC桥梁——广州北环高速扩建F匝道桥16 m UHPC工字梁-普通混凝土桥面板组合梁为研究对象,进行四点弯曲下的足尺模型抗弯试验研究,测得各级荷载下梁的应变和挠度,以研究无筋预应力UHPC梁的抗弯承载能力,并与有限元计算值进行对比。结果表明:相对于普通钢筋混凝土梁,UHPC梁的开裂大大延迟;裂缝细而密;UHPC工字梁的跨中截面应变满足平截面假定;无筋预应力UHPC工字梁与普通混凝土桥面板之间界面滑移量极小,现浇板与UHPC梁之间连接良好。采用有限元模型对UHPC组合梁进行受力仿真分析,弹性模型在梁开裂前,荷载和变形与试验值吻合较好。结合试验研究和有限元分析,验证了该UHPC组合梁抗弯承载力满足设计要求。

大跨度自锚式悬索桥半封闭箱型加劲梁抗风性能试验研究

文章以一拟建大跨度自锚式悬索桥为工程背景,通过ANSYS有限元分析和节段模型风洞试验,研究了半封闭箱型钢-UHPC组合加劲梁的抗风性能。研究结果表明,半封闭箱型钢-UHPC组合加劲梁在-3°、0°及3°风攻角下,颤振临界风速均大幅高于颤振检验风速,颤振稳定性满足规范要求,且安全储备较大。加劲梁在5°、3°和-3°风攻角下发生了超过规范允许幅值的竖向涡激共振,在3°风攻角下发生了超过规范允许幅值的扭转涡激共振。对原加劲梁进行气动外形改良后,竖向涡激共振和扭转涡激共振均消失,同时颤振稳定性也明显改善。