钢-超高性能混凝土组合箱梁弹性弯曲性能试验研究及解析解

钢-超高性能混凝土(Ultrahigh performance concrete,以下简称UHPC)组合箱型桥面系在大跨径桥梁建设中具有良好的应用前景。以实际桥梁工程为背景,设计两个大比例钢-UHPC组合箱梁模型试验,主要研究弹性状态下的组合箱梁的弯曲受力行为,重点测试试件加载过程中挠度、应变分布等;建立同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的组合箱梁分析模型,并推导得出解析解。研究结果表明:集中荷载作用下钢-UHPC组合箱梁的剪力滞效应显著,UHPC板跨中截面纵向压应变的最大值与最小值之比约为5~7;UHPC板厚越大,钢-UHPC组合箱梁的刚度越大,相同荷载下,UHPC板和钢梁应变越小;该文同时考虑剪力滞后、滑移效应以及钢腹板剪切变形的解析解与试验结果基本吻合,相比于不考虑钢腹板剪切变形的模型结果具有明显改善。     

带开孔板剪力键的钢-UHPC组合板受弯性能试验研究及数值模拟

研究了一种采用开孔板(PBL)剪力键的钢-超高性能混凝土(UHPC)组合板，可用作大跨度桥面板或楼板。基于某特大跨度组合梁斜拉桥的桥面板设计，完成了3块钢-UHPC组合板和1块钢-C60组合板的足尺模型试验，探究剪力连接件种类、数量和混凝土材料对组合板受力性能的影响。试验结果表明:在集中荷载作用下，钢-UHPC组合板发生典型的弯曲破坏，而钢-C60组合板发生冲切破坏；钢-UHPC组合板的承载力、刚度和延性均远优于相同厚度的钢-C60组合板；在3块钢-UHPC组合板试件中，含较多开孔板剪力键的试件表现出最佳的受力性能。基于ABAQUS建立钢-UHPC组合板的精细有限元模型，模型的预测结果与试验得到的荷载-位移曲线吻合良好，进一步利用有限元模型开展了参数分析。     

钢-UHPC组合结构桥梁研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有优异力学性能的新型水泥基复合材料,现已成为水泥基复合材料创新、应用及发展最具活力的领域,且在钢-UHPC组合结构桥梁中得到了应用.针对现有桥梁结构中存在的跨越能力受限及耐久性差等技术瓶颈,国内外学者利用UHPC的性能优势提出了钢-UHPC组合结构的解决方案,并在其受弯性能、抗裂性能、疲劳性能、栓钉抗剪性能、接缝性能影响因素和装配式结构体系及装配方法等方面取得了丰硕的成果.钢-UHPC组合结构具有较好的经济性和可行性,且在正负弯矩下具有较好的抗裂性能和受弯性能,能大幅降低钢结构疲劳细节应力幅;栓钉剪力件的抗剪性能受栓钉直径和屈服强度的影响显著;钢筋的锚固长度、接缝界面情况及接缝类型是影响接缝性能的重要因素.钢-UHPC组合结构适合装配式化施工,在装配式桥梁快速建造技术及大跨桥梁结构中具有较好的应用前景,且呈现出较好的发展势头.本文系统归纳了钢-UHPC组合结构的静力性能、疲劳性能、接缝性能及钢-UHPC组合结构桥梁等方面的研究进展,分析了钢-UHPC组合结构桥梁的应用前景,并指出了钢-UHPC组合结构在设计理论、规范体系及应用领域进一步完善的研究趋势,可为今后的研究工作及工程应用提供参考.     

钢-混凝土组合与叠合双重作用梁负弯矩区刚度和叠合面滑移研究

钢-混凝土组合连续梁由于其负弯矩区混凝土板的开裂制约着组合结构的发展。该文提出一种钢-混凝土组合与叠合双重作用梁,在负弯矩区钢梁上翼缘与混凝土顶板底面的叠合面使用抗拔不抗剪连接件连接,使叠合面在不发生分离的条件下产生自由滑动效应,以释放混凝土板拉应力、降低混凝土板开裂风险。得到了考虑叠合面摩擦抵抗的截面抗弯刚度;采用基本力学原理分析叠合界面在均布荷载和集中荷载分别作用下的滑移和滑移应变,得到了界面滑移和滑移应变沿梁长的分布规律。     

正交异性钢桥面疲劳开裂研究

正交异性钢桥面板的钢结构桥梁在车辆荷载作用下易出现疲劳开裂,为了解决这一问题,该文采用在正交异性钢桥面板上设置薄层RPC(Reactive-Powder-Concrete)超高性能混凝土层,将钢桥面转变成组合桥面,从而提高了桥面刚度,能有效改善结构受力状态,且不会增加桥梁上恒载重量。通过对某大桥的计算分析表明:采用组合桥面后,车辆荷载作用下的钢桥面应力大幅度下降。钢桥面疲劳敏感点处的拉应力降幅达到71.32%~72.39%,大幅度的提高了钢桥面的抗疲劳寿命;薄层RPC面板的高强度和高韧性,完全能满足组合桥面的最大拉应力10.08MPa的强度要求,成为钢桥面上的永久结构层,可以大幅度降低钢桥面板的开裂风险。     

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。     

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-超高性能混凝土组合箱梁静力性能试验研究与数值模拟

以云南红河特大桥为工程背景,设计2个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)组合箱梁节段模型试验,主要关注组合箱梁的承载力、破坏模式和抗裂性能等。基于通用有限元软件ABAQUS建立组合箱梁的精细有限元模型,通过试验结果验证模型并开展参数分析,研究UHPC板厚度、配筋率、栓钉间距以及箱梁横隔板厚度对组合箱梁受力性能的影响,给出各参数的设计建议取值范围。研究结果表明:钢-UHPC组合箱梁承载力高、抗裂性能好;按最大裂缝宽度进行验算,等效为180 mm厚UHPC桥面板的承载力超过车辆荷载标准值的8倍;UHPC板厚度以及钢箱梁横隔板厚度对组合箱梁破坏模式影响较大;综合考虑经济性及受力性能,建议实际工程中UHPC桥面板厚度不宜超过210 mm,配筋率不宜超过1.4%,栓钉间距最大不超过450 mm。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能数值模拟

鉴于泡沫铝材料良好的吸能特性和三明治型组合构件在强度、刚度上的优势,通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对钢板-泡沫铝-钢板三明治型组合板进行了装药量为10.0kgTNT的非接触爆炸数值模拟,考察组合板在爆炸荷载作用下的动力响应。研究表明:钢板夹泡沫铝组合板承受爆炸冲击波荷载时,响应方式主要为组合板整体弯曲变形和泡沫铝芯层局部压缩变形,芯层压缩变形是组合板吸收耗散能量的主要途径;适当地增加泡沫铝芯层厚度和面板厚度能够提高组合板的抗爆性能,同时使组合板充分发挥耗能作用。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能数值模拟

鉴于泡沫铝材料良好的吸能特性和三明治型组合构件在强度、刚度上的优势,通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对钢板-泡沫铝-钢板三明治型组合板进行了装药量为10.0kgTNT的非接触爆炸数值模拟,考察组合板在爆炸荷载作用下的动力响应。研究表明:钢板夹泡沫铝组合板承受爆炸冲击波荷载时,响应方式主要为组合板整体弯曲变形和泡沫铝芯层局部压缩变形,芯层压缩变形是组合板吸收耗散能量的主要途径;适当地增加泡沫铝芯层厚度和面板厚度能够提高组合板的抗爆性能,同时使组合板充分发挥耗能作用。     

钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能对比试验研究

采用超高性能混凝土（UHPC）板与钢梁结合的钢-UHPC组合梁,具有自重轻、抗裂性和耐久性好的优点,对于钢-混凝土组合梁的发展具有重要意义。为了解钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能的差别,本文以某钢-普通混凝土简支组合梁桥为工程背景,进行了钢-UHPC组合梁桥的试设计,在此基础上,制作钢-UHPC组合梁和钢-普通混凝土组合梁模型进行抗弯性能的对比试验研究。结果表明,两种组合梁的受力特点类似,破坏模式均表现为钢梁底板先屈服,然后桥面板顶部混凝土被压碎。在极限抗弯承载力相等的情况下,钢-UHPC组合梁的桥面板厚度可以减小28%,且延性更好。钢-UHPC组合梁桥面板的剪力滞效应、钢梁与桥面板间的水平相对滑移均小于钢-普通混凝土组合梁。此外,钢-UHPC组合梁弹性阶段抗弯刚度与钢-普通混凝土组合梁相差不大,但由于组合梁总高度减小,后期刚度小于钢-普通混凝土组合梁刚度。研究结果可为钢-UHPC组合梁的进一步研究与工程应用提供参考。     

超高性能混凝土板冲切与弯曲性能研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,简称UHPC)桥面板具有良好的应用前景。桥面板在车轮荷载作用下存在冲切和弯曲问题,以此为背景设计了系列UHPC板件试验,主要研究板的厚度、保护层厚度、配筋率及加载区域面积等参数对试验板抗冲切及抗弯性能的影响,分析了不同试件的破坏模式、挠度、应变分布以及整体延性等,并提出UHPC板抗冲切极限承载力计算方法。试验结果表明:UHPC板的破坏模式包括冲切破坏、弯曲破坏和二者混合的冲弯破坏;相比于C50混凝土板,UHPC板的刚度、抗冲切承载力及位移延性有显著提高;随着板厚增大、保护层厚度减小、加载区域增大,UHPC板的抗冲切承载力提高。经过试验数据验证,抗冲切及抗弯承载力的计算值与试验值吻合良好。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

预制UHPC模板及采用预制模板的RC板受力性能及承载力分析

采用超高性能混凝土（UHPC）制作厚度为10 mm的模板,对UHPC模板进行施工阶段加载试验,评估其作为现浇楼板的模板的可行性;以UHPC模板作为底模,分别制作了6个简支单向板和1个两跨连续单向板,对其进行静力加载试验。结果表明,厚度为10 mm的UHPC板作为建筑模板时,模板下的支撑间距可取0.5 m,模板处于弹性状态下可施加的均布荷载为6 kN/m2,约为施工均布活荷载设计值的1.7倍。以UHPC作为模板的钢筋混凝土（RC）单向板,在板破坏时,UHPC模板与后浇混凝土界面未出现肉眼可见的粘结滑移现象;其受弯承载力约为相同截面尺寸及配筋的RC板的2倍。考虑UHPC模板及受拉区混凝土的受拉作用,建立了这种RC单向板的受弯承载力计算模型,模型的计算值与试验值符合较好。     

GFRP筋橡胶集料混凝土梁受弯性能

为提高纤维增强聚合物复合材料(FRP)筋混凝土梁抗裂性能,改善其脆性破坏特征,将玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)筋与橡胶集料混凝土共同应用于梁构件中。采用ABAQUS对GFRP筋橡胶集料混凝土梁的受弯性能进行有限元模拟及参数分析,探究了橡胶掺量、GFRP筋配筋率、混凝土强度等级及截面高度对梁受弯性能的影响。结果表明:增加混凝土中橡胶颗粒的掺量可提高梁的开裂荷载,当橡胶掺量为15%时,开裂荷载提高了29%;增加配筋率可提高梁的开裂荷载和承载力,当受拉筋直径由10 mm增加至18 mm时,橡胶掺量为10%的GFRP筋橡胶混凝土梁开裂荷载提高了约15%,承载力提高了约85%,但配筋率增加至一定数值后,其影响不再明显;提高橡胶混凝土强度等级,可提高梁的开裂荷载及承载力,当橡胶混凝土强度等级由C25提高至C40时,开裂荷载提了高约53.7%,承载力提高了约23%;为更好地满足正常使用极限状态,GFRP筋橡胶混凝土梁的截面高度宜适当增加。      

腹板开洞钢-混凝土组合梁抗剪承载力试验研究

为研究腹板开洞组合梁在静载作用下的竖向抗剪性能,共进行了5根腹板开洞组合梁和1根对比组合梁在集中荷载作用下的实验。试件均为完全剪力连接,主要变化参数为混凝土板厚和配筋率。加载方式为单调静力加载,实验测量内容为竖向荷载、挠度、滑移、截面应变等。试验结果表明:腹板开洞显著地降低了组合梁的刚度和承载力,洞口区域截面纵向应变不再满足平截面假定。增加混凝土板厚能有效地提高组合梁的承载力,增加混凝土板的配筋率能有效地提高组合梁的变形能力。洞口上方混凝土翼板承担了大部分剪力,混凝土翼板对腹板开洞组合梁的竖向抗剪承载力有较大的贡献。研究为腹板开洞组合梁的应用提供了实验依据。     

Effects of coarser fine aggregate on tensile properties of ultra high performance concrete

This experimental research investigates the mechanical properties and shrinkage of ultra high performance concrete (UHPC) incorporating coarser fine aggregates with maximum particle size of 5 mm. To adequately design UHPC mixtures using various sizes of solid constituents, particle packing theory was adopted. UHPC mixtures containing either dolomite or basalt, and four fiber volume fractions up to two volume percent were investigated. Uniaxial tension test was performed to evaluate the first cracking tensile strength, ultimate tensile strength, tensile strain capacity and cracking pattern. The UHPC mixtures with dolomite and steel fibers with more than one volume percent achieved more than 150 MPa of compressive strength at the age of 56 days, and showed strain hardening behavior and limited decrease in tensile strength compared to typical UHPC without coarser fine aggregates. The experimental results highlight the potential of dolomite used as coarser fine aggregate in UHPC.