波形钢组合桥面板受力性能分析

为研究波形钢组合桥面板的受力性能,首先设计了3组9个试件进行推出试验,分析其破坏形态、极限荷载值和滑移量,然后建立了有限元模型,分析了波形钢组合桥面板在跨中集中荷载下挠度、界面滑移、波形钢板和剪力连接件应力及其分布。研究结果表明：开孔板PBL剪力连接件破坏分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,试件为混凝土剪切破坏,破坏时有着良好的延性,贯穿钢筋和粘结摩擦力对剪力连接件的承载力和滑移量有着重要的作用,5 m跨径的波形钢组合桥面板极限承载力为630 kN,桥面板在荷载作用下经历弹性阶段、裂缝发展阶段、屈服阶段、破坏阶段4个阶段,开孔板PBL剪力连接件可以有效地将两种结构组合在一起,波形钢板和剪力连接件屈服区域均集中在跨中,其中波谷区域最明显。     

钢-UHPC组合结构新型剪力件的抗剪性能

为了解决钢-UHPC组合桥面板因UHPC层较薄导致剪力件高度受限、施工难度大、抗剪强度和刚度不足等问题,提出弧形钢筋、栓钉+弧形钢筋2种新型剪力连接方式. 考虑剪力件直径的影响,设计7组共14个推出试件,通过与栓钉剪力件对比分析,研究剪力件的抗剪性能及承载力. 结果表明：3种剪力件的破坏形态及破坏机理、荷载?滑移曲线变化规律区别明显. 弧形钢筋剪力件的延性和刚度均优于另外2种剪力件,且与直径呈线性关系. 基于线性回归分析,给出考虑栓钉周围楔形块对栓钉剪力件抗剪贡献的承载力计算公式、考虑弧形钢筋和其内部UHPC共同抗剪的承载力计算经验公式,计算结果与试验值较吻合.     

木-混凝土连接性能试验研究

目的研究木与混凝土间粘结作用,为木-混凝土组合结构的研究奠定前期基础．方法根据设置于木材表面抗剪连接件的形式及抗剪连接件数量的不同设计制作了三组共计九根木与混凝土间抗剪连接件试件和一根无抗剪连接件的对比试件,采用推出试验方法对木材进行加载直至木与混凝土间发生滑移破坏．结果通过推出试验获得了木-混凝土推出荷载的大小、木材在混凝土中滑移量、木材表面抗剪连接件荷载作用下其应力变化等相关实验数据．结论抗剪连接件的存在能够明显抑制木材与混凝土间受力过程中的相对滑移,相对滑移量的减少与抗剪连接件数量成正比,同时也与抗剪连接件形式有关;加载过程中抗剪连接件所受应力与抗剪连接件形式有关,同时也与抗剪连接件距加载点距离有关;研究也表明：抗剪连接件的存在对木与混凝土间粘结力的提高无明显影响。     

FRP-混凝土组合桥面板单调静力性能的试验研究

采用抗剪连接件将FRP板与混凝土板连接起来共同承担外部荷载,即形成了FRP-混凝土组合桥面板.开展了采用FRP开孔板连接件和环氧树脂2种方式连接的FRP-混凝土组合桥面板的单调静力性能试验,重点对其破坏形态、承载力、变形、滑移等进行研究.研究结果表明:组合桥面板的破坏均以FRP板与混凝土板的连接界面破坏为标志;采用FRP开孔板连接件连接的组合桥面板,在FRP板与混凝土板界面处的滑移增量随荷载增大逐渐加大,最大滑移量为0.55 mm,而采用环氧树脂连接的组合板在整个加载过程几乎没有滑移;采用环氧树脂连接的桥面板比采用FRP开孔板连接件连接的桥面板的抗弯承载力高22%,极限跨中挠度比后者小13.4%,这主要是由于FRP开孔板连接件滑移较大所致.     

混凝土强度对喜利得连接件性能影响的试验研究

为探讨混凝土强度对喜利得抗剪连接件的工作性能影响,通过推出试验测出了在普通强度混凝土和高强度混凝土中连接件的荷载-位侈曲线,并观察其破坏模式．分析得出混凝土强度变化对喜利得连接件强度影响很小,怛对其破坏模式有显著影响．给出了喜利得连接件的设计强度,并验证了喜利得连接件的荷载-位移关系式,对钢-混凝土组合粱的设计具有实用参考价值．     

配筋UHPC柱的抗震性能及影响因素分析

为研究配筋超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)柱抗震性能及影响因素,以碳纤维增强树脂(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布缠绕、钢筋强度和剪跨比为参变量,对1根普通钢筋UHPC柱、1根CFRP布缠绕的普通钢筋UHPC柱和3根高强钢筋UHPC柱进行了低周往复试验,分析了试件的破坏形态、荷载-位移曲线、延性和耗能能力等。结果表明:对于剪跨比为1.5～4.0的配筋UHPC柱,延性及耗能能力均较好;在CFRP缠绕或较大剪跨比下,试件的破坏形态由剪压破坏转变为弯剪破坏,延性得到明显改善;提高UHPC柱纵筋和箍筋的强度可提高试件的承载力和延性;普通箍筋的裂后工作能力较差,建议UHPC受剪构件配置屈服强度在600 MPa以上的箍筋;基于桁架-拱模型,建立了考虑钢纤维抗拉贡献、轴压比和剪跨比影响的配筋UHPC柱的抗剪承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好,可为UHPC结构设计提供参考。     

Experimental Study on Shear Behavior of New-Type Steel-Concrete Composite Bridge Deck

新型钢-混凝土组合桥面板抗剪性能的试验研究

赵秋,杜阳,蔡文平,杨明,董锐

（福州大学 土木工程学院,福州 350108）

创新点说明：

1）活性粉末混凝土力学性能优越,厚度一般为4~6 cm,去掉保护层后极短的栓钉较难提供足够的拉拔力,从而会降低该组合桥面板的使用效率和耐久性,且其它传统的截面高度较大的连接件在空间分布及受力性能上仍需考究。因此本文提出一种既能够布置在超薄RPC板中,同时也能够提高拉拔力的钢管抗剪连接件。

2）新型桥面板构造工作机理：利用管内活性粉末混凝土和贯通钢筋所起的销栓作用在界面提拱有效的抗拉拨和抗剪力。同时钢管侧壁薄,贯穿短钢管连接件的钢筋能最大限度的布置在RPC层的顶部,充分发挥钢筋网在RPC层中作用。

研究目的：

提出一种既能够满足布置在超薄RPC板中,同时也能够提高拉拔力的钢管抗剪连接件。

研究方法：

1）本文对钢管连接件进行推出试验,探索钢管连接件在钢-RPC组合桥面板中抗剪受力性能。

2）以钢管连接件是否贯穿钢筋为控制变量,抗剪试验共设计2组试件,每组包含3个试件。

3）为保证均匀加载及更好的获取下降段,采用微机控制电液伺服压剪试验机进行加载。

结果：

1）未贯穿钢筋的钢管连接件组合桥面板推出试件,在界面剪力作用下,钢管下方混凝土较大面积被压碎,钢管焊缝根部全截面屈服断裂,最终钢管内与管外混凝土产生剪切断裂,钢管携管内混凝土被拔出。

2）贯穿钢筋的钢管连接件组合桥面板推出试件,在界面剪力作用下,管内钢筋阻止钢管与混凝土的相对滑移,使得管内钢筋被拉拔发生屈服变形。随着相对滑移值增加,钢管内外RPC被压碎,最后钢管下缘被剪切断裂。

3）贯穿钢筋的钢管连接件相比未贯穿钢筋的钢管连接件的抗剪承载力降低约20%,屈服抗剪承载力降低21.4%,弹性阶段的抗剪刚度降低8.6%。钢筋网贯穿钢管连接件后对构件延性提高非常明显,延性系数提高1.75倍。

结论：

1）两组试件的延性系数均大于3.5,说明钢管连接件具有良好的耗能能力。

2）两组钢管连接件破坏模式均表现为下缘焊缝附近的钢管剪切断裂,该部位为该连接件受力最薄弱区域。

3）为便于钢管内RPC 填充密实,钢管长度宜设置为40～80 mm。

关键词：组合桥面板,推出试验,RPC,钢管剪力连接件,破坏模式

     

装配式槽钢组合梁中开孔钢板连接件力学性能

为研究新型装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中开孔钢板剪力连接件(PSP剪力连接件)的力学性能,设计7组标准试件并开展推出试验,对比分析不同参数PSP剪力连接件的受剪承载力和破坏模式。利用ABAQUS非线性有限元模型对PSP剪力连接件的破坏模式和受力机制进行数值模拟,并与试验结果对比验证计算结果的可靠性。在此基础上,进一步分析开孔钢板厚度、开孔直径、混凝土强度、穿孔钢筋及连接件间距对PSP剪力连接件力学性能的影响。结果表明：除10 mm厚度的PSP剪力连接件外,所有4 mm与6 mm厚度的PSP剪力连接件均发生明显弯曲变形,试件破坏时连接件周围混凝土均出现斜向裂缝;开孔直径和穿孔钢筋对受剪承载力和抗剪刚度影响较小,而增加开孔钢板厚度、混凝土强度能提高剪力连接件受剪承载力和抗剪刚度;对于双排PSP剪力连接件,增大连接件间距能够显著提高单排PSP剪力连接件平均承载力,当间距为250 mm时,单排平均承载力达到单个PSP剪力连接件的91.2%。根据试验及有限元荷载滑移曲线提出装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中单个PSP连接件荷载滑移曲线计算公式,为装配式双拼槽钢混组合梁的设计提供参考。     

基于超短栓钉的钢-超薄UHPC组合桥面性能

为了满足对自重敏感的大跨桥梁钢桥面的翻修与加固需求,提出采用超短栓钉作为连接件的钢-超薄UHPC轻型组合桥面结构（简称“新超薄体系”）. 通过钢-超薄UHPC组合板负弯矩试验,研究关键设计参数对超薄UHPC层抗裂性能的影响. 试验结果表明：当UHPC最大裂缝宽度小于0.15 mm时,裂缝宽度的增长近似呈线性,在钢筋屈服以后,裂缝宽度迅速增大;配筋率和钢筋直径对名义开裂应力的影响较大. 基于试验结果,分析已有的裂缝宽度计算公式,确定钢-超薄UHPC组合板裂缝宽度的建议计算公式. 以某特大跨径悬索桥为工程背景,进行整体和局部有限元分析,论证了方案应用于实际工程的可行性. 计算结果表明：钢-超薄UHPC组合桥面的自重与常规60 mm厚的钢桥面铺装基本持平,主缆和吊索内力变化小于3.0%;钢桥面（OSD）各典型疲劳细节的应力幅值降低了10.1%~52.0%,且均小于200万次疲劳强度;UHPC层中最大拉应力为8.4 MPa,远小于试验得到的名义开裂应力.     

基于构造参数的开孔板抗剪连接件连接性能的试验研究

开孔板抗剪连接件是近年来出现的一种新型连接形式。为了研究开孔板抗剪连接件连接性能,制作了不同构造参数的剪力连接件推出试件,通过在单调静力荷载作用下的推出试验,测试了钢梁与混凝土翼板界面的相对滑移量、贯穿钢筋应变、开孔板孔周应力,得到了不同构造参数的开孔板抗剪连接件试件的荷载-相对滑移曲线、荷载-贯穿钢筋应变曲线、荷载-开孔板孔周Mises应力曲线及破坏形态等。结果表明:开孔板中增加穿钢筋及增大贯穿钢筋直径能较大的提高连接件连接性能,增大孔径对提高连接件性能的作用较小。     

钢-超高性能混凝土组合板开裂荷载正交试验及计算方法

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）轻型组合桥面结构的横向抗弯开裂性能,综合考虑配筋率、保护层厚度、UHPC层厚度和栓钉间距4个影响因素,对40个钢-UHPC组合板试件进行受弯开裂正交试验. 结果表明,未配筋构件裂缝数量少且裂缝扩展较快,配筋可以提高构件的开裂刚度,加强裂缝扩展阶段,使构件出现多元开裂特性. 配筋率对开裂应力的影响最大,其次是保护层厚度,然后是栓钉间距,UHPC厚度对开裂应力的影响较小. 在配筋率较高时减小保护层厚度,开裂应力提高幅度较大. UHPC厚度为45 mm的组合板的开裂应力为18.7~27.8 MPa,UHPC厚度为60 mm的组合板的开裂应力为17.2~27.4 MPa,远超虎门大桥的工程需求. 根据现有规范公式计算钢-UHPC组合结构开裂荷载偏保守. 根据密集配筋钢-UHPC组合结构特点,提出钢筋应力和开裂荷载计算方法,计算结果和试验实测结果较吻合.     

GFRP肋式剪力连接件受力性能对比试验研究

剪力连接件是保证GFRP混凝土组合梁/板中两种不同材料共同工作的重要构造,设计了矩形肋和T形肋两类GFRP肋式剪力连接件,进行了3组共8个GFRP肋式剪力连接件的推出试验,包括：矩形肋开孔、T形肋开孔、T形肋不开孔3组GFRP肋式剪力连接件,得到了其破坏形态、极限承载力、荷载滑移曲线及荷载应变变化规律,重点研究肋内开孔及肋的截面形式对GFRP肋式剪力连接件受力性能的影响。试验结果表明：GFRP肋式剪力连接件的破坏形态均为混凝土劈裂破坏;对比矩形肋开孔试件,T形肋开孔试件强度高、延性好;对比T形肋不开孔试件,T形肋开孔试件强度与延性均能提高。基于试验结果,建立了考虑肋内开孔及肋截面形式影响的GFRP肋式剪力连接件极限承载力计算公式,拟合得到了GFRP肋式剪力连接件的荷载滑移曲线上升段的理论模型,建立了其抗剪刚度计算公式。     

U形肋正交异性组合桥面板力学性能

为验证桥面板在局部车轮荷载作用下的受力特性及桥面板在桥梁第二体系中的受力性能,提出新型U形肋正交异性组合桥面板系统,并区分其与常规桥面板的受力性能.设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板,1个正交异性钢桥面板,1个带U形肋正交异性组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形等.试验结果表明:U形肋正交异性组合桥面板在车轮荷载作用下其局部应力水平显著低于正交异性钢桥面板,具有较强的抗疲劳性能;U形肋正交异性组合板在桥梁第二体系的承载能力分别是混凝土桥面板和钢桥面板的1.37倍和0.93倍.     

焊钉连接件时变抗剪性能的试验研究

对于无支架施工的长跨连续组合梁,在施工期间进行分阶段浇筑混凝土时,需考虑不同混凝土龄期的组合梁结合面上连接件的早期组合作用。为此,进行了混凝土不同龄期下焊钉连接件的推出试验,分析了焊钉连接件极限抗剪强度、极限滑移、设计抗剪强度和剪切刚度随时间的变化规律,并给出了相应的时变计算公式。研究发现,混凝土龄期小于3 d时推出试件主要为混凝土板劈裂破坏;在不同混凝土龄期时推出试件的剪力-滑移规律基本相同,但抗剪强度和刚度均随混凝土龄期的增长而增大,且早期增长较快,后期较慢,说明组合梁结合面的早期组合效应不能忽略。     

大跨度钢箱梁斜拉桥钢–UHPC组合桥面加固效果评估

为评估钢-UHPC（超高性能混凝土,Ultra-High Performance Concrete）组合桥面对大跨度钢箱梁斜拉桥的加固效果,基于随机车流下应力监测数据,结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）对钢-UHPC组合桥面和ERE（冷拌环氧树脂,Epoxy bond chips layer+ Resin asphalt+ Epoxy bond chips layer）桥面的疲劳性能进行了对比评估。利用Miner线性累积损伤准则计算了两种桥面各疲劳易损细节的剩余疲劳寿命。建立有限元模型,对钢-UHPC组合桥面UHPC层的抗裂性能进行了验算;计算了两种桥面钢桥面板的最大挠度及沥青铺装层的最大拉应力。结果表明： ERE桥面面板-纵肋焊缝纵肋侧、横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝处存在较大应力,剩余疲劳寿命分别为214、186、61年;ERE桥面纵肋对接焊缝处在桥梁设计基准期内有疲劳破坏的风险;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性板各疲劳易损细节最大应力幅值均降低到常幅疲劳极限以下,剩余疲劳寿命增长为无穷大;钢-UHPC组合桥面UHPC层的最大拉应力为4.68MPa,抗裂性能满足规范设计要求;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性桥面刚度提升效果明显;加固后,钢桥面板挠度降幅为34%,最大挠度为0.69mm;沥青铺装层最大拉应力降幅为59%,最大拉应力为0.42MPa。经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能满足规范设计要求,桥面铺装层的抗裂性能也有所改善。     

含湿接缝的钢-UHPC组合桥面板收缩效应

正交异性钢-超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板中UHPC早期收缩较大,在组合桥面板界面约束下会产生较高次内力,存在开裂的风险,进而引发结构的安全和耐久性问题。为此,基于实际工程背景,对含湿接缝的组合桥面板收缩效应开展90 d的自然环境下常温养护静置监测研究,考察组合桥面板UHPC收缩及其引发的次内力发展及分布规律,探究龄期差对湿接缝区域收缩效应发展的影响特点;建立板壳实体有限元模型,通过多模型线性叠加的方法来模拟组合桥面板湿接缝浇筑前后的收缩效应。试验和有限元分析结果表明:在炎热潮湿的养护环境下,UHPC收缩发展经历了早期膨胀、初凝硬化后快速收缩、缓慢收缩以及稳定4个阶段;UHPC在浇筑后约6 h初凝硬化,以此刻应变为参照测得前72 h收缩量约为700×10^-6,在此期间测得钢板翼缘最大压应变约为78×10^-6;UHPC收缩在靠近桥面板边缘区域更大,靠近板中心区域更小;湿接缝处在初凝硬化后测得的收缩量比周边区域更小,湿接缝与周边连接完好,收缩引发的UHPC拉应力在湿接缝附近有增加的趋势。研究结果可为含湿接缝组合桥面收缩研究积累监测数据和分析基础。     

钢-超高性能混凝土组合板横向受弯静力试验及有限元模拟

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）组合板的受弯性能,开展8块该类组合板的受弯试验,分析正、负弯矩作用下的受弯破坏开展全过程.在正弯矩作用下,组合板受弯破坏经历了线弹性阶段、裂缝开展阶段和屈服阶段,结构刚度两次衰减的拐点分别是界面滑移与钢板屈服,结构破坏时加载点附近UHPC局部压碎且剪弯段及端部界面出现脱空现象;在负弯矩作用下,UHPC层出现横向裂缝导致结构刚度第一次下降,随着裂缝的发展,截面内力重分布使得钢筋应力持续增大直至屈服,最终主裂缝宽度过大导致结构刚度严重衰减,组合板因UHPC层受拉断裂而破坏.采用有限元软件ABAQUS,建立非线性有限元模型.模型中考虑界面接触、材料非线性、混凝土损伤塑性模型等,模拟试验全过程.在与试验结果进行对比分析的基础上,分析影响钢-UHPC组合板抗弯性能的主要因素,包括界面黏结方式、纵筋配筋率、栓钉数及布置,研究这些因素对组合板抗弯极限承载力、结构刚度、跨中挠度等力学性能的影响.     

Positive and negative shear lag behaviors of composite twin-girder decks with varying cross-section

In steel-concrete composite twin-girder decks, wide concrete slab would undergo significant shear lag warping effect, including positive and negative. Some researchers have investigated the positive shear lag of composite decks by means of one-dimensional line model, while the studies on the negative shear lag have not yet been reported until now. In this study, a new one-dimensional analytical model of composite twin-girder decks is first proposed based on the model proposed by Dezi et al. Besides slab shear lag effect and partial connection at slab-girder interface which have been included in the model of Dezi et al., the particularity of the proposed model relies on its ability to account for variation characteristic of cross-section. Verification of the analytical model is later conducted through comparison of results from the analytical analysis and elaborate FE analysis for a simply supported composite deck with increasing depth and a two-span continuous one with decreasing depth. Finally, three kinds of structural forms of composite twin-girder decks, including cantilever, simply supported and continuous decks, are selected to carry out the analysis of positive and negative shear lag behaviors by means of the analytical model. The influences of cross-sectional variation characteristic and load type on positive and negative shear lag behaviors are mainly investigated. Additionally, a new definition on effective width for considering simultaneously positive and negative shear lag behaviors is proposed. The results from the proposed analytical model and EC4 specification are compared to provide suggestions for designers and checkers. In this study, the proposed analytical model can provide a powerful numerical tool for researchers to conduct the further investigation, and the analysis on shear lag and effective width can assist in design analysis of composite twin-girder decks.     

栓钉高度对栓钉连接件抗剪性能的影响

为了研究栓钉高度对栓钉连接件抗剪性能的影响,通过24个栓钉抗剪性能模型推出试件,获得栓钉在不同直径和高度下的荷载-滑移曲线和破坏模态,比较分析栓钉高度对栓钉连接件抗剪性能的影响,建立考虑栓钉高度的抗剪承载力计算式. 研究结果表明：当栓钉连接件长径比为4.5~13.2时,栓钉的抗剪承载力随长径比的增加而增大;当栓钉长径比小于10时,抗剪刚度随长径比的增加而增大,当长径比大于10时,抗剪刚度变化较小. 提出栓钉连接件长径比为4.5~13.2时栓钉连接件发生剪断破坏时的抗剪承载力计算式,该公式考虑的因素更全面,与试验结果较吻合;中国现行规范关于栓钉抗剪刚度的设计值偏保守,在进行设计时可以选取规范Eurocode4或Oehlers提出的计算方法进行参考,以达到减少栓钉使用数量,降低设计和施工难度的目的.     

锈蚀栓钉连接件力学性能试验研究

为了解钢-混组合梁的栓钉连接件发生锈蚀后的静力工作性能,进行了4组栓钉试件的推出试验.首先通过人工电化学快速锈蚀方法使试件中的栓钉达到预定锈蚀状况,然后进行静载破坏试验,通过试验结果分析不同锈蚀状况对栓钉连接件力学性能的影响.结果表明:栓钉钉杆尤其是靠近结合面处发生锈蚀时,其极限承载力降低最大达到18％,相同荷载作用下滑移量增加,与极限荷载相对应的滑移量最大减小了12％;栓钉大头端部发生锈蚀时,对推出试件的承载力影响不大,但对栓钉连接件变形性能影响较大.