UHPC-NC翼板充填式窄幅钢箱组合梁负弯矩区抗弯强度

为探究超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC-NC)翼板充填式窄幅钢箱组合梁负弯矩下的抗弯强度,设计8根UHPC-NC翼板充填式窄幅钢箱组合梁进行反向静力加载试验,分析翼板UHPC钢纤维掺量、配筋率以及充填混凝土高度等参数对抗弯承载力的影响。试验结果表明:在负弯矩作用下,UHPC-NC翼板的钢纤维掺量对抗弯极限承载力影响不大,在弹性阶段时刚度略有提高,3%与2%钢纤维掺量的试件其刚度基本一致。配筋率为2%较1%的试件其极限承载力提高了5.8%,而配筋率为3%较2%其极限承载力提高了8.2%。钢箱内采用半充填与全充填试件相比于无充填其承载能力提高45.1%、60.1%,同时提高了试件的刚度,但全充填比半充填试件仅提高了10.9%,充填混凝土协助钢箱腹板受压,可以有效防止在负弯矩作用下钢箱过早屈曲,从而提高组合梁的承载力。通过建立抗弯承载力计算模型,推导出试件抗弯承载力的计算式,将计算值与试验值进行对比分析,发现考虑滑移效应后弹性抗弯承载力与试验值更为吻合。

钢-FRP复合筋超高性能混凝土梁受弯裂缝分析

为了研究钢-FRP复合筋(Steel-FRP Composite Bar,SFCB)增强超高性能混凝土(Ultra-High PerformanceConcrete,UHPC)梁抗裂性能,对4根SFCB-UHPC梁和1根普通混凝土梁进行四点受弯试验,研究了混凝土强度和SFCB配筋率对SFCB-UHPC梁抗裂性能的影响。结果表明:提高混凝土强度和SFCB配筋率可以显著增强试验梁的抗裂性能和开裂弯矩;正常使用极限状态下,普通混凝土梁由裂缝宽度控制的承载力利用系数比SFCB-UHPC梁高,试件更容易充分发挥抗裂强度。本研究可为SFCB增强UHPC梁推广应用提供技术支撑。

Field validation of UHPC layer in negative moment region of steel-concrete composite continuous girder bridge

Improving the cracking resistance of steel-normal concrete(NC)composite beams in the negative moment region is one of the main tasks in designing continuous composite beam(CCB)bridges due to the low tensile strength of the NC deck at pier supports.This study proposed an innovative structural configuration for the negative bending moment region in a steel-concrete CCB bridge with the aid of ultrahigh performance concrete(UHPC)layer.In order to investigate the feasibility and effectiveness of this new UHPC jointed structure in the negative bending moment region,field load testing was conducted on a newly built full-scale bridge.The newly designed structural configuration was described in detail regarding the structural characteristics(cracking resistance,economy,durability,and constructability).In the field investigation,strains on the surface of the concrete bridge deck,rebar,and steel beam in the negative bending moment region,as well as mid-span deflection,were measured under different load cases.Also,a finite element model for the four-span superstructure of the full-scale bridge was established and validated by the field test results.The simulated results in terms of strains and mid-span deflection showed moderate consistency with the test results.This field test and the finite element model results demonstrated that the new configuration with the UHPC layer provided an effective alternative for the negative bending moment region of the composite beam.

部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点抗震性能试验研究

为研究不同连接构造的部分包覆钢-混凝土组合梁柱节点(PEC梁柱节点)的抗震性能,对2个PEC梁柱节点试件进行了拟静力加载试验,研究了低周往复荷载作用下PEC梁柱节点试件的破坏现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能。结果表明:强轴连接PEC梁柱节点的滞回曲线呈梭形和弓形,在达到极限承载力后仍能保持一定的延性和耗能能力;弱轴连接PEC梁柱节点牛腿与梁间的焊缝处发生破坏,未展现出预期的耗能能力,PEC梁仍在弹塑性状态,没有达到极限状态;PEC梁柱节点核心区混凝土替换为加劲肋板后,试件仍具有较好的承载力、延性和耗能能力,刚度退化规律无明显变化,且强轴连接节点与弱轴连接节点刚度变化规律基本一致;PEC柱牛腿设计过短会导致焊缝连接处断裂,试件延性和耗能能力得不到发挥,剩余刚度较大。

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。

开槽侧板加强型连接梁柱节点子结构抗连续倒塌性能研究

为了优化侧板加强型节点的抗连续倒塌性能,提出了一种开槽侧板加强型梁柱连接节点形式。通过静力加载试验,得到了新型节点子结构的破坏模式、竖向抗力发展机制、应变分布、延性水平和动力承载力等。试验结果表明:钢梁翼缘在盖板附近首先开裂并向腹板外排螺栓中部延伸贯穿,导致竖向承载力快速下降为峰值荷载的20%左右。相比传统侧板加强型和圆弧扩盖板型梁柱节点,新型节点的峰值承载力分别提高了62.1%和19.6%,塑性弦转角分别提高了203.6%和25.8%。通过有限元分析得到了试件的断裂路径发展过程,进一步地通过参数化分析发现:扩大过焊孔构造对改善峰值后塑性弦转角及残余强度提升无明显作用;随着螺栓群远离钢梁翼缘起始断裂位置,最小残余强度比不断增大,但峰值后塑性弦转角呈先增大后减小的趋势;当螺栓群内移45mm时,峰值后塑性弦转角及最小残余强度比分别达到0.149rad和0.88,提高了38.2%和200.8%。

既有混凝土梁-耗能段组合节点抗震性能试验及有限元研究

提出一种端板连接型和一种U形-三面连接型既有混凝土梁-耗能段组合节点,可在既有混凝土梁与耗能段之间形成可靠连接。设计2个端板连接型和U形-三面连接型既有混凝土梁-耗能段组合节点试验模型,并开展往复荷载下的抗震性能研究。随后采用校正的有限元法对2种组合节点开展参数化研究,每种组合节点均包括12个考虑混凝土强度、后锚固锚栓长度和后锚固直径影响的分析模型。结果表明:试件ECBSL-1的承载力不足,节点破坏为非预期的锚栓拔起;试件ECB-SL-2的破坏模式和承载能力均与纯短剪切型耗能段相同,即节点具有足够承载能力。提高混凝土强度、后锚固锚栓长度和直径可有效增大端板连接型组合节点的承载力和位移,但改变锚固锚栓长度和直径对混凝土损伤影响较小。增大混凝土强度、后锚固锚栓长度和直径对U形-三面连接型组合节点的承载力、位移和混凝土损伤影响较小,设计时仅需采用本文建议值。

钢-混凝土组合梁螺栓连接件受剪性能试验研究

传统螺栓连接件的直径小于钢梁预留孔的孔径,导致螺栓与孔壁存在间隙,容易引发钢梁与上部混凝土板间发生相对滑移使组合梁挠度增大。为尽量减小或消除上述间隙,本文引入铰制孔螺栓和螺纹孔螺栓作为组合结构的剪力连接件,并提出锥套自锁螺栓连接件。设计并开展了8个螺栓连接件推出试验,基于各试件的荷载-滑移曲线,研究了3种螺栓连接件与传统螺栓连接件间的抗剪承载力、滑移能力及抗剪刚度等受剪力学性能的具体差异。研究结果表明:3种螺栓连接件的破坏形态与传统螺栓连接件表现一致,均为螺栓杆剪断,混凝土无压溃现象;3种螺栓连接件的抗剪承载力均接近于传统螺栓连接件的抗剪承载力;基于试件的荷载-滑移曲线,3种螺栓连接件均可分为弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段;3种螺栓连接件的延性系数和抗剪刚度均明显优于传统螺栓。综合考虑力学性能、施工性能和经济性,本文建议选用铰制孔螺栓用于组合结构的剪力连接件。

新型部分填充钢-混凝土组合梁受剪性能试验及有限元模拟研究

采用合理的材料本构关系,利用ABAQUS有限元软件建立足尺有限元模型,对新型部分填充钢-混凝土组合梁进行受剪承载力分析。结合试验研究,通过改变剪跨比、型钢强度等级、梁高度、型钢腹板厚度、翼缘栓钉间距等因素对新型组合梁组合截面受剪承载力进行了研究。结果表明,新型组合梁有较好的受剪承载力,混凝土强度等级和新型组合梁高度对峰值承载力的影响不显著,但混凝土显著提高了新型组合梁的整体稳定性;而新型组合梁高度每增加50mm,其峰值剪力值约提高7%~21%;型钢腹板厚度每增大2mm,新型组合梁峰值剪力就提高10%左右,腹板对其受剪承载力影响较大。运用叠加原理,结合腹板、翼缘内侧混凝土、翼缘栓钉和箍筋的受剪贡献,对《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)中组合梁截面受剪承载力计算公式进行了优化。结果表明,修正后的计算公式具有良好精度。

GFRP型材-混凝土组合梁受弯性能分析

为了研究玻璃钢纤维(GFRP)型材-混凝土组合梁的受弯性能,采用有限元分析软件ABAQUS建立其数值模型并进行模拟分析。对混凝土采用塑性损伤模型,并考虑了GFRP型材的各向异性的特征,连接界面采用牵引-分离模型来模拟GFRP型材与混凝土的粘结-滑移行为。试验结果验证了模拟分析的正确性。此外,进行了参数扩展分析,研究了混凝土板截面尺寸、GFRP型材截面尺寸(腹板高度和腹板、翼缘板厚度)对GFRP型材-混凝土组合梁受弯性能的影响。结果表明:剪力键间距为100mm的组合梁的极限承载力比间距为150、200mm的试件分别高21.4%和30.7%。FRP剪力键可有效提高抗剪性能,改善界面粘结性能。混凝土截面高宽比超过1.2时,组合梁破坏模式从受弯破坏向剥离破坏转变。合理设计组合梁截面尺寸可以有效地提高组合梁的极限抗弯承载力、最大挠度和拟延性特征,在力学性能和工程造价之间取得良好的平衡。

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。

NC–UHPC组合梁抗冲击性能的数值研究

超高性能混凝土(UHPC)材料已成为极具前景的高性能材料,并在冲击和爆炸等防护工程领域中取得了良好的效果.对于普通钢筋混凝土(NC)梁在受到冲击荷载时较易发生局部冲剪破坏,而纯UHPC梁虽可改善其冲击性能,但高昂的造价限制了其进一步的应用.为了实现结构抗冲击性能和经济的平衡,提出UHPC局部替换和包裹的方案改善钢筋混凝土梁的抗冲击性能.本文设计了NC梁、UHPC梁和NC–UHPC组合梁等不同的研究工况,然后对比分析各个试件的抗冲击性能.结果表明:相比普通钢筋混凝土梁,UHPC局部替换方案可以有效的避免梁的局部冲剪破坏,而UHPC包裹在冲击荷载下梁的破坏模式由冲剪破坏转变为弯曲破坏,两种方案均可有效的减少梁跨中的峰值位移和残余位移;UHPC局部替换相较于包裹方案,梁的跨中峰值位移和残余位移较小,且具有更高的跨中承载能力,在实际过程中建议UHPC局部替换长度取大于2倍梁高以避免局部冲剪破坏.

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。

石灰石粉硅灰复合胶凝体系预制梁混凝土试验研究

文中研究了石灰石粉、硅灰以不同比例取代粉煤灰的预制梁混凝土工作性能及物理力学性能变化规律,并结合扫描电镜分析其对混凝土微观形貌的影响,从微观层面揭示石灰石粉硅灰复掺胶凝体系影响混凝土性能的微观机理。结果表明,石灰石粉取代粉煤灰掺量的67%、硅灰取代粉煤灰掺量的33%,预制梁混凝土性能最佳,相较于基准混凝土,坍落度提高10%,扩展度提高6.3%,1 h坍落度、扩展度经时损失分别下降了33.3%,37.5%;3,7,28 d抗压强度分别提高3.2%,4.2%,12.6%;3,7,28 d弹性模量分别提高3.5%、3.7%、6.1%;干缩率接近基准混凝土。复合胶凝体系混凝土微观结构中C─S─H凝胶比例大幅提高,C─S─H凝胶聚集成层状,对混凝土起到更好的填充和黏结作用。按适宜比例复掺的石灰石粉硅灰预制梁混凝土工作性能和力学性能要优于单掺粉煤灰,并且不影响混凝土的干缩变形。

负弯矩区部分充填式窄幅钢箱-UHPC-NC组合梁抗剪承载力研究

为研究部分充填式窄幅钢箱-UHPC-NC组合梁负弯矩区受剪性能,开展3根部分充填式窄幅钢箱组合梁加载试验,研究组合梁的破坏模式、变形及裂缝分布规律。基于ABAQUS软件建立组合梁有限元模型,通过试验结果验证模型的准确性,并分析充填混凝土强度fcu、充填混凝土高度hf、UHPC层厚度hu和剪跨比λ对组合梁抗剪承载力的影响。研究结果表明:3根组合梁钢箱上箱室均发生剪切破坏,翼板跨中出现弯曲主裂缝,加载点与支座间产生剪切斜裂缝。在弹性阶段,UHPC和NC、钢箱与翼板协同工作性能良好,NC翼板组合梁端部表现出明显的剪切破坏;UHPC翼板组合梁的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载较NC翼板组合梁分别提高55%、37.5%和12.5%,最大裂缝宽度从1.48 mm降至0.82 mm。有限元模型计算与试验结果吻合良好,可用于组合梁受力性能参数分析。组合梁抗剪承载力随hu的增加基本呈线性关系,当hu从0增加至100 mm时,组合梁抗剪承载力提高12.5%;当hf达到0.3后、提高fcu对组合梁抗剪承载力的影响并不显著,hf应控制在0.3左右且fcu不宜过高;组合梁抗剪承载力随着λ的增加基本呈线性关系递减,λ=2.8为组合梁弯剪破坏和受弯破坏界限剪跨比。提出考虑钢箱、充填混凝土和翼板贡献的组合梁抗剪承载力计算公式,并与试验和数值模拟结果进行验证分析,结果吻合良好且偏于安全。

箱形截面钢-混凝土组合连梁的抗震性能

对一种箱形截面钢-混凝土组合连梁展开研究,通过有限元模拟和理论分析对其屈服模式、抗震性能进行了深入探索。对不同参数取值下组合连梁的屈服模式进行对比分析,基于组合连梁长度与屈服承载力的关系,给出屈服模式的判定准则,研究了不同参数对组合连梁屈服模式的影响规律。结果表明:减小截面高度、钢腹板高厚比、钢材屈服强度、混凝土强度,增大剪跨比、钢翼缘宽厚比、截面高宽比等措施均使耗能梁段更容易弯曲屈服。轴向受压时,弯曲屈服型构件的延性普遍优于剪切屈服型构件;轴向受拉时,剪切屈服型构件的延性优于弯曲屈服型构件。剪切屈服型构件的弹性段刚度、屈服荷载、极限荷载以及能量耗散系数普遍大于弯曲屈服型构件。

超高性能混凝土-充填式窄幅钢箱组合梁裂缝宽度计算

为了探讨超高性能混凝土-充填式窄幅钢箱组合梁裂缝发展规律和分布,评估现行规范中最大裂缝宽度计算公式对该类组合梁的适用性,考虑组合梁钢纤维掺量、充填混凝土高度和配筋率3个因素,对6根该类组合梁开展弯曲试验;根据超高性能混凝土的特性,提出该类组合梁钢筋应力计算方法;修正现行规范中最大裂缝宽度计算公式,并考虑钢纤维掺量的影响,建立该类组合梁的最大裂缝宽度计算公式。结果表明:组合梁开始出现裂缝后最大裂缝宽度发展较缓慢,在最大裂缝宽度达到0.16 mm之前,荷载等级-最大裂缝宽度曲线大致呈线性,组合梁屈服后裂缝宽度迅速增大;增加钢纤维掺量和配筋率可明显限制裂缝发展,钢箱充填超高性能混凝土可明显增强组合梁极限承载能力;现行规范中最大裂缝宽度公式计算该类组合梁最大裂缝宽度过于保守,所提出该类组合梁钢筋应力计算方法和组合梁最大裂缝宽度公式的计算值与弯曲试验实测值均吻合较好。

采用栓接灌浆套筒的板间干接缝抗弯性能研究

为提高钢混组合梁装配效率,实现绿色建造,同时又保持优良的结构性能,课题组在已有研究的基础上提出了一种采用灌浆套筒与高强螺栓钢板共同连接的预制板间干接缝构造。为揭示新型连接对装配式组合梁性能的影响,开展了该类组合梁抗弯性能试验和有限元精细化分析,并与传统整体现浇和胶结缝装配的组合梁进行对比分析,研究结果表明:(1)试验梁破坏特征以及接缝处传力性能和混凝土板抗裂性能良好;(2)与已有文献对比可知,试验梁裂缝分布远比胶结缝组合梁均匀,更趋向于整体现浇板;(3)有限元对比表明,试验梁极限承载力比胶结缝组合梁提高13.3%,比整体式组合梁承载力略低4.5%,相比于采用胶接缝的组合梁,滑移分布和混凝土损伤都更接近整体现浇梁。研究成果验证了新型连接方式的施工可行性和受力可靠性,为实际桥梁工程设计和施工提供了参考。

预弯钢-混组合跨座式单轨轨道梁力学性能分析及截面优化

[目的]传统跨座式单轨轨道梁大多采用宽为850 mm的截面形式,针对我国三四线城市的城市轨道交通建设要求,相关企业提出了宽为1250 mm的跨座式单轨列车截面形式。为解决新型跨座式单轨列车的特殊需求,有必要对其轨道梁的力学性能和截面形式进行研究。[方法]采用数值模拟方法,建立了预弯钢-混组合轨道梁模型;基于传统轨道梁截面形式,提出宽为1250 mm的预弯钢-混组合跨座式单轨轨道梁初步截面形式;分析不同荷载组合情况下的截面力学性能,并以用钢量最省为目标,对初步截面形式进行截面参数优化。[结果及结论]随着钢箱梁顶板厚度增加、钢箱梁上翼缘最大正应力呈减小的趋势;随着钢箱梁底板厚度的增加,钢箱梁下翼缘最大正应力值呈减小的趋势;随着腹板厚度的增加,钢箱梁腹板最大剪应力值呈减小的趋势。在最不利荷载工况组合下,所提轨道梁初步截面形式的刚度与强度均满足规范容许限值;优化后的顶板厚度、腹板厚度、底板厚度分别为16 mm、20 mm、16 mm,钢材表面积可节省约29.89%。