钢筋桁架超高性能混凝土叠合板受弯性能试验研究

通过2块钢筋桁架超高性能混凝土(UHPC)叠合板和1块UHPC整浇板的对比试验,分析钢筋桁架对UHPC叠合板的挠度、裂缝、混凝土应变等抗弯性能的影响;探讨钢筋桁架UHPC叠合板的二次受力效应。研究表明:钢筋桁架UHPC叠合板的受弯性能优于普通混凝土叠合板,截面应变基本符合平截面假定,延性较好,且二次受力现象并不明显;钢筋桁架可以有效地提升叠合板的整体抗弯承载力,减弱受拉钢筋的"应力超前"现象和受压混凝土"应变滞后"现象;取混凝土等效抗拉影响系数k_3为0. 35,建立钢筋桁架UHPC叠合板受弯正截面承载力计算式,其计算值与试验数据吻合较好。     

新型UHPC应力-应变关系研究

通过对不掺硅灰的新型超高性能混凝土的单轴压缩和单轴拉伸试验研究,获得了UHPC轴压应力-应变曲线和轴拉荷载-位移曲线。试验表明相比普通混凝土,UHPC轴压应力-应变曲线具有较长的线性段,UHPC具有良好的受压变形性能;UHPC开裂后裂缝间的钢纤维开始发挥作用,轴拉应力随裂缝宽度的增大和钢纤维的拔出而逐渐减小。基于试验并结合已有研究成果,建立了UHPC单轴受压和单轴受拉的本构方程,可供设计参考。     

常温养护超高性能混凝土弯拉性能及轴拉本构模型

根据水化反应方程和紧密堆积理论确定了常温养护下超高性能混凝土(UHPC)的基础配合比,基于此考虑水胶比和钢纤维掺量设计了8组UHPC抗弯试件。通过四点弯曲试验,分析了试件的受弯破坏形态、荷载-挠度曲线、弯拉特征参数和弯曲韧性等;基于试验结果采用倒推方法得到了UHPC轴拉应力-应变曲线,采用回归分析提出了考虑纤维特征的轴拉本构模型,并经过材料和构件两个层次的验证。结果表明：掺加钢纤维可抑制主裂缝的发展,从而明显改善UHPC的抗弯韧性,钢纤维掺量为2.0%的UHPC弯曲韧性指数达到116.9 J;随着水胶比增大,试件抗折强度和峰值挠度均呈下降趋势;增大钢纤维掺量明显提升了试件弯曲性能,掺入2.0%钢纤维的UHPC与未掺纤维相比,其初裂挠度和抗折强度分别提升157.14%和148.63%;当纤维含量为1.5%～2.0%时,试件具有良好的弯拉性能;水胶比对曲线平台段趋势影响不大,纤维掺量大于1.0%时曲线具有较明显的应变硬化特征,可保证UHPC良好的抗拉性能,其应变硬化特征随着纤维掺量增大而变得更明显;所提模型对UHPC受拉应力-应变关系具有较好的预测性。     

不同剪跨比高强钢筋超高性能混凝土梁抗剪性能研究

为了探究超高性能混凝土(UHPC)简支梁的抗剪性能,对3根有腹筋UHPC简支梁和3根无腹筋UHPC简支梁开展抗剪试验。根据梁的实测抗剪承载力,并基于桁架-拱模型修正高强钢筋UHPC梁的抗剪承载力计算式。结果表明:主拉应变在开裂荷载以前呈线性增长,达到开裂荷载后主拉应变激增,应变方向发生突变;在传统桁架-拱模型的基础上,考虑UHPC的软化效应、抗拉贡献及纵筋销栓作用,构建高强钢筋UHPC梁受剪承载力修正式,其计算值与试验值吻合较好。     

超高性能混凝土力学和耐久性能研究综述

综述了超高性能混凝土(UHPC)的力学性能和耐久性能,从抗压、抗拉等力学性能和抗冻、抗离子渗透侵蚀等耐久性能方面进行了分析,结果表明:超高性能混凝土(UHPC)作为一种新型纤维增强水泥基复合材料,具有超高的力学性能和耐久性能,抗压强度高、抗氯离子渗透和抗硫酸盐侵蚀能力强和优异的韧性和断裂能,拥有广阔的发展前景。     

超高性能混凝土拼缝连接全预制装配楼板的拉伸和剪切性能研究

超高性能混凝土(UHPC)作为一种高强度、高耐久的水泥基复合材料，可以实现传统混凝土材料难以完成的新型高效全装配楼盖结构。预制板间UHPC连接拼缝的性能直接关系楼盖结构整体受力性能，其核心因素是剪力和拉力的传递机理和受力性能。为明确UHPC拼缝的力学性能，分别进行了4个抗拉试验、7个抗剪试验，研究钢筋搭接长度、抗剪槽构造对拼缝受力性能的影响，分析不同参数下试件的裂缝开展、破坏形态、应变发展规律和荷载-位移曲线。研究结果表明：钢筋搭接长度为12倍直径时，拼缝处纵向受力钢筋抗拉强度、抗剪强度能够充分发挥；抗剪槽构造可以显著提高拼缝的抗剪能力，钢筋搭接长度为8倍直径且配置抗剪槽时可以保证拼缝的抗剪能力大于预制板本体。     

适合3D打印施工的超高性能混凝土研究

针对适合3D打印施工的超高性能混凝土(UHPC)的配制及性能进行了研究,研究了硅灰、粉煤灰和矿渣粉3种掺合料的掺量、砂胶比、水胶比对UHPC流动性和抗折、抗压强度的影响,以及钢纤维对UHPC强度和单轴拉伸性能的影响。结果表明:硅灰、粉煤灰、矿渣粉的掺量分别为5%、10%、10%,砂胶比为1∶0,水胶比为0.17时,制备的UHPC强度最高;当钢纤维体积掺量不小于2.0%时,UHPC的抗压强度170.0 MPa,抗折强度40.0 MPa,抗拉强度10.0 MPa,且单轴受拉应力-应变曲线呈现出应变强化行为;当钢纤维体积掺量为2.5%时,UHPC的极限拉应变达6000×10-6。     

装配式混凝土桥梁承插连接灌注工艺验证试验研究

针对装配式混凝土桥梁的一种新型承插结构,采用具有优异抗拉和抗压性能的超高性能混凝土(UHPC)作为灌注材料,结合承插结构要求和UHPC材料性能特点,设计了一套新型承插桥梁结构UHPC灌注工艺,并采用1∶1模型对灌注工艺进行了验证。结果表明,该灌注材料和工艺满足设计要求并可以保证UHPC灌注的密实度和饱满度。     

裂缝修补组合结构弯曲拉伸试验研究

针对沥青路面低温开裂及裂缝修补等问题,通过弯曲拉伸试验比较沥青混凝土原状试件和裂缝修补组合结构在不同温度下的弯拉强度、破坏弯拉应变和破坏弯曲劲度模量,结合应力应变曲线分析,计算单位体积破坏能,进而检验和评价裂缝修补组合结构的低温抗裂性能。结果发现,弯曲拉伸试验能较好检验裂缝修补组合结构的低温抗裂性能,通过单位体积破坏能可综合评价裂缝修补组合结构的低温抗裂性能,从而指导优化修补材料与修补工艺。     

钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构疲劳性能研究

以含U型肋的钢-薄层超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构为对象,开展了稀疏栓钉布置下的组合桥面三点弯曲疲劳试验,研究了栓钉抗剪和薄层UHPC抗弯拉、疲劳性能,并进行了剩余强度试验.疲劳试验结果表明,累计经历3200万次疲劳加载后,UHPC顶面的最大裂缝宽度仅为0.05 mm,且钢-薄层UHPC界面未见显著滑移.剩...     

钢-UHPC组合桥面板分段浇筑矩形接缝的轴拉性能

钢-UHPC(ultra-high performance concrete)组合桥面板中UHPC分段浇筑接缝导致局部的抗拉性能下降,可能引发严重的耐久性及安全问题。以实际工程中的组合桥面板UHPC矩形接缝为对象开展抗拉性能试验研究和理论分析。通过对组合桥面板接缝试件进行轴拉试验,考察了配筋率对矩形接缝区域抗裂性能的影响,揭示了矩形接缝的抗裂机理,探讨了接缝界面的黏结性能。试验结果表明：接缝开裂始于角隅处,接缝区域UHPC裂缝发展不明显,且接缝断裂面相对平整,属于脆性破坏。矩形接缝的抗裂机理分为横边抗裂与纵边抗脱离。接缝的抗裂能力取决于新旧UHPC界面的黏结强度,且接缝在轴拉状态下的界面黏结强度为3. 6～4. 7MPa。根据试验结果,对于处于轴拉状态下的UHPC矩形接缝,在按接缝不开裂或控制开裂宽度小于0.05mm进行设计时,构件的名义拉应力应分别低于3.5MPa或6.0MPa。此外,针对UHPC轴拉本构模型,基于能量等效原理及UHPC塑性简化模型,提出了UHPC软化段的等效残余抗拉强度,进而推导了配筋UHPC轴拉构件的主裂缝间距计算公式及接缝与UHPC主裂缝间距计算公式。对比试验结果,推导的主裂缝间距公式具有较好的精度,以期为实际工程应用提供理论参考。     

含小型粗骨料UHPC板抗弯性能研究

研制新型的含小型粗骨料UHPC板,提升传统大跨径组合梁斜拉桥普通混凝土桥面板的抗弯性能。通过对含小型粗骨料UHPC进行基本材料性能研究,以及对含小型粗骨料UHPC板试件进行抗弯试验,材性试验探究含小型粗骨料UHPC材料的本构关系、弹性模量和终凝后的干燥自收缩等,发现在UHPC中添加小型粗骨料后,UHPC在抗压性能方面得到提高,减小终凝后的干燥自收缩,但会降低一定的抗弯拉强度和韧性;含小型粗骨料UHPC板试件的抗弯试验探究了试件的荷载 挠度关系与弯矩 最大裂缝宽度关系。发现UHPC板试件具有较高的开裂强度,结构破坏呈现出多裂缝发展。抗弯试验、有限元分析和承载力公式计算结果表明：含小型粗骨料UHPC板具有较好的抗弯、抗裂性能,但计算承载能力时应充分考虑添加小型粗骨料后对结构拉伸性能降低的影响。     

Precast steel–UHPC lightweight composite bridge for accelerated bridge construction

In this study, a fully precast steel–ultrahigh performance concrete (UHPC) lightweight composite bridge (LWCB) was proposed based on Mapu Bridge, aiming at accelerating construction in bridge engineering. Cast-in-place joints are generally the controlling factor of segmental structures. Therefore, an innovative girder-to-girder joint that is suitable for LWCB was developed. A specimen consisting of two prefabricated steel–UHPC composite girder parts and one post-cast joint part was fabricated to determine if the joint can effectively transfer load between girders. The flexural behavior of the specimen under a negative bending moment was explored. Finite element analyses of Mapu Bridge showed that the nominal stress of critical sections could meet the required stress, indicating that the design is reasonable. The fatigue performance of the UHPC deck was assessed based on past research, and results revealed that the fatigue performance could meet the design requirements. Based on the test results, a crack width prediction method for the joint interface, a simplified calculation method for the design moment, and a deflection calculation method for the steel–UHPC composite girder in consideration of the UHPC tensile stiffness effect were presented. Good agreements were achieved between the predicted values and test results.     

膨胀剂对约束条件下UHPC早期抗裂性能影响的试验研究

超高性能混凝土(UHPC)在钢桥面铺装结构中由于铺装材料受到钢板、栓钉等的约束,加上材料本身水胶比小,更易收缩,早期容易承受拉应力导致开裂。通过在拌和过程中添加膨胀剂可以起到减小收缩的作用,但该方法对于约束条件下的UHPC铺装的早期抗裂性能提升是否有促进作用,仍需通过更多试验进行合理评估和深入研究。通过圆环法对3组不同配方的UHPC在均匀约束条件下的早期抗裂性能进行定量测试,并将试验数据进行回归分析和计算,得到了各组的平均应力发展速率,进而评估了各组的开裂风险等级。试验结果表明,通过在UHPC中加入适量膨胀剂,可使其最终收缩应力减小,并可降低其收缩应力发展速率,进一步降低其在约束条件下的开裂风险。     

Research progress and application of coarse aggregate ultra high performance concrete used for lightweight steel-concrete composite structure

粗骨料超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)是实现钢-混凝土组合结构轻量化的重要载体，分析了粗骨料UHPC的性能优势和技术瓶颈，综述了粗骨料UHPC力学性能、体积稳定性、韧性和施工性能的提升原理、技术措施和作用效果，得到诱导、加速胶凝材料水化调控水化产物和微结构，可发挥粗骨料刚性骨架作用，提升常温下力学性能，使其弹性模量可达近60GPa，徐变系数低于0.4；掺加内养护剂、功能性聚合物抑制内部相对湿度下降，采用膨胀剂补偿收缩变形，可降低自收缩超过60%，提高抗裂能力；基于聚合物基体增韧和骨料-纤维协同增韧，提升拉伸韧性，可使粗骨料UHPC拉伸强度达10MPa；采用微纳米材料和选择性吸附聚合物，调控流变性能，可实现施工的高流动与物相均匀分布的统一。介绍了粗骨料UHPC典型应用工程，通过提高钢-混凝土组合结构的刚度、抗裂性能和抗疲劳性能，大幅降低结构自重，有效提升了桥梁的跨越能力。     

基于钢-混凝土组合结构轻量化的粗骨料超高性能混凝土研究进展与应用

粗骨料超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)是实现钢-混凝土组合结构轻量化的重要载体,分析了粗骨料UHPC的性能优势和技术瓶颈,综述了粗骨料UHPC力学性能、体积稳定性、韧性和施工性能的提升原理、技术措施和作用效果,得到诱导、加速胶凝材料水化调控水化产物和微结构,可发挥粗骨料刚性骨架作用,提升常温下力学性能,使其弹性模量可达近60GPa,徐变系数低于0.4;掺加内养护剂、功能性聚合物抑制内部相对湿度下降,采用膨胀剂补偿收缩变形,可降低自收缩超过60%,提高抗裂能力;基于聚合物基体增韧和骨料-纤维协同增韧,提升拉伸韧性,可使粗骨料UHPC拉伸强度达10MPa;采用微纳米材料和选择性吸附聚合物,调控流变性能,可实现施工的高流动与物相均匀分布的统一。介绍了粗骨料UHPC典型应用工程,通过提高钢-混凝土组合结构的刚度、抗裂性能和抗疲劳性能,大幅降低结构自重,有效提升了桥梁的跨越能力。     

预制大悬臂预应力UHPC薄壁盖梁#br# 抗弯性能的试验研究

为解决传统混凝土盖梁自重大、难以实现全预制拼装的技术难题,文章提出一种全预制轻型预应力超高性能混凝土（UHPC）大悬臂薄壁盖梁结构,自重减轻40%左右。为探究该结构的正截面抗弯及抗裂性能,结合实际工程,设计一片1∶2大比例缩尺模型并完成全过程加载测试,获得结构的变形、应变、裂缝分布特征及开裂荷载、破坏荷载等关键结果;基于试验结果、UHPC材料的应变硬化特性及法国和瑞士UHPC规范,深入研究结构的初裂弯矩、名义开裂弯矩及抗弯承载力的计算方法。同时,采用ABAQUS软件中的塑性损伤（CDP）模型进行仿真分析,结果表明：新型UHPC盖梁具有良好的受力和变形性能,抗裂性能良好、裂缝具有多元分布特征;根据本文方法计算得到的抗弯承载力和开裂弯矩与试验结果吻合良好,且偏于安全,建议计算初裂弯矩和名义开裂弯矩时塑性影响系数分别取为1.0和2.0;实际工程中适当增加预应力钢筋、减少普通钢筋,有助于提高结构受力性能。     

超高性能混凝土-普通混凝土界面抗剪性能试验研究

力学性能和耐久性优异的超高性能混凝土(UHPC)非常适用于损伤普通混凝土(NC)结构的修复加固,其中UHPC-NC界面的抗剪性能对确保良好的加固效果至关重要。论文通过7组抗剪推出试验,评估NC表面光滑、凿毛、露筋、刻槽、钻孔和植筋等UHPC-NC界面的抗剪性能和破坏模式;并利用斜剪试验,探讨UHPC龄期、NC基体湿润度、NC表面粗糙度和UHPC养护条件对界面抗剪强度的影响。试验结果表明,UHPC-NC界面抗剪黏结性能优异,界面破坏方式基本为NC剪切破坏或界面+NC破坏两种模式,未出现完全的界面剥离破坏。NC表面粗糙度是影响界面抗剪强度的主要因素,凿毛或刻槽的UHPC-NC界面获得了最佳的抗剪承载力,植筋和刻槽界面在抗剪破坏时表现出较好的延性。此外,NC越湿润,UHPC-NC界面的抗剪强度越高,在UHPC早期龄期(3～7d)时界面可获得绝大部分抗剪强度(88.5%～95.0%),在常温养护条件下UHPC-NC界面的抗剪性能优于高温养护界面。     

重度疲劳开裂钢桥桥面的UHPC加固技术

武汉军山长江大桥在服役17年后,桥面板出现了严重的疲劳开裂问题,难以修补,为此提出一种钢桥面板不修补,上铺带横向钢板条的UHPC桥面加固方案。以军山长江大桥为研究背景,应用子模型技术对比计算了钢面板重度开裂时纯钢梁和加固后钢面板的应力状态;制作了双层钢筋网+UHPC的传统轻型组合桥面结构与钢板条+UHPC及三层钢筋网+UHPC两类新型加固结构,开展了横向抗弯静力试验及疲劳试验。研究结果表明：采用UHPC加固技术后,正交异性钢桥面的疲劳应力大幅度下降,其中钢面板-U肋焊趾处的横向拉应力沿纵、横桥向的分布降幅达78.8%～86.4%;UHPC拉应力方面,由于钢面板不修补,UHPC层下缘拉应力高达12.9MPa,UHPC层下缘布置80mm宽间距200mm的钢板条后,其底面名义开裂应力可达43.2MPa,远高于设计拉应力,钢板条+UHPC的钢桥面加固方案经过应力幅22MPa的1000万次疲劳试验,UHPC层具备800万次疲劳寿命(裂缝宽度小于0.05mm),且刚度无折减,因此可作为永久结构层与重度开裂的钢桥面构成轻型组合桥面结构,经UHPC加固后,原钢桥面的疲劳裂缝有望不再发展。     

超高性能混凝土在结构中的应用

超高性能混凝土(UHPC)具有超高的力学性能和超高的耐久性能,被认为过去三十年最优异的水泥基复合材料之一,能较好地适应当前土木工程结构大型化、复杂化的趋势,也能符合社会可持续发展对高性能材料发展要求。近年来,UHPC材料与结构已成为热点研究方向,相关专利与论文数量呈指数型增长,UHPC应用数量、范围与地区不断攀升,各类规范与标准也在不断地制定与修订之中。文章围绕超高性能混凝土的研究与工程运用现状,概括总结超高性能混凝土的性能特点,梳理超高性能混凝土在桥梁工程、建筑工程以及防护工程等领域的应用现状,结合笔者团队在超高性能混凝土应用方面的实践感悟,探讨超高性能混凝土规模化应用的关键环节,为超高性能混凝土材料今后进一步研发与应用提供参考。