基于超短栓钉的钢-超薄UHPC组合桥面性能研究

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.     

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.     

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。     

UHPC的轴拉性能与裂缝宽度控制能力研究

为研究3种类型超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,简称UHPC)的轴拉应力-应变曲线及其裂缝宽度控制能力,包括高应变强化UHPC、低应变强化UHPC和应变软化UHPC.采用轴拉试验方法测试狗骨头形试件,得到UHPC的轴拉应力-应变曲线和缝宽-应变曲线.试验结果表明:高应变强化UHPC和低应变强化UHPC的轴拉应力-应变曲线均包括弹性段、应变强化段和应变软化段,应变软化UHPC只有弹性段和应变软化段;UHPC应变强化段和应变软化段的转折点是裂缝缓慢扩展和迅速扩展的临界点;提高UHPC的极限拉伸应变,即延长其应变强化段,有助于提高其裂缝宽度控制能力;高应变强化UHPC拉伸应变在0.42%之前,其裂缝宽度均小于0.05 mm.对比C50混凝土(极限应变、极限强度分别为0.012%、2.3 MPa),高应变强化UHPC优异的裂缝宽度控制能力避免了结构设计中受正常使用状态裂缝宽度验算限制的影响,同时可在钢筋屈服前与其全程协同工作,这使得钢筋增强高应变强化UHPC在某些需要对裂缝宽度进行严格控制的结构类型中具有很高的应用价值.     

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.     

大跨径钢桥UHPC-TPO超薄铺装新体系力学 计算与分析

为了研究超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)-聚合物混凝土薄层铺装(thin polymer overlay,TPO)超薄铺装体系在不同的车辆轴载、水平力大小、TPO铺装层厚度、荷载位置下的力学性能,采用正交试验设计进行有限元计算.研究表明:随着轴载增大,UHPC最大拉应力、TPO最大拉应力、UHPC与TPO层间最大剪应力均显著增大;水平力大小对UHPC-TPO层间最大剪应力影响显著;增大TPO厚度对结构受力有利;考虑超载230%且紧急制动的不利工况,UHPC最大拉应力和TPO最大拉应力均小于各自的开裂强度、UHPC与TPO层间最大剪应力远小于界面抗剪强度.     

高强钢筋超高性能混凝土梁的使用性能研究

为研究高强钢筋超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)梁的正常使用性能,对6根UHPC梁进行了正截面弯曲性能试验,总结高强钢筋UHPC梁的荷载-挠度变化规律,研究其开裂弯矩、短期刚度、裂缝宽度及相应的计算方法。以《混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)》为基础,根据试验结果回归出高强钢筋UHPC梁开裂弯矩的截面抵抗塑性影响系数表达式,确定了高强钢筋UHPC梁的钢筋应变不均匀系数、开裂截面内力臂系数和平均综合应变系数,从而得出高强钢筋UHPC梁短期刚度的计算公式,并按钢纤维混凝土计算方法对梁的短期刚度进行了修正计算和对比分析,为实际工程应用提供依据。     

组合梁混凝土板抗裂性能试验研究

设计制作了3片钢-混凝土组合梁,各梁截面尺寸相同,栓钉布置方法及钢筋用量有所不同．通过对其做负弯矩静力加载试验,研究栓钉布置方法,以及钢筋用量对组合梁负弯矩区混凝土板裂缝开展和宽度的影响,探索改善组合梁负弯矩区混凝土板开裂的有效方法．试验结果表明,栓钉布置方法及钢筋用量是改善组合梁负弯矩区混凝土板开裂的有效方法．此外,在试验的基础上,对比分析了现行关于组合梁负弯矩区裂缝宽度的计算公式．     

新型正交异性钢-混组合桥面板足尺模型疲劳试验

为改善新型正交异性钢混组合钢桥面疲劳性能,采用理论推导、有限元模拟和足尺模型疲劳试验对其纵肋腹板与横隔板焊接细节进行研究.首先将由大尺寸纵肋组成的正交异性组合桥面系简化成铰接的双纵肋计算模型,然后进行足尺模型疲劳试验,分析混凝土层和钢桥面构造受力及开裂情况.结果表明:理论模型能较好反映纵肋实际力学行为;铺设混凝土层后,桥面板焊接构造细节疲劳应力得到很大改善.所提出的新型正交异性钢混组合钢桥面可作为解决正交异性钢桥面疲劳开裂问题的一种新思路.     

钢-混凝土连续组合梁负弯矩区裂缝宽度

为了完善钢-混凝土连续组合梁负弯矩区裂缝宽度设计的内容,在充分考虑混凝土开裂前后组合梁的受力状态和钢梁与混凝土接触面的相对滑移对裂缝宽度影响的基础上,根据钢梁和混凝土截面应力和应变的本构关系,推导出钢-混凝土连续组合梁负弯矩区裂缝宽度的理论计算公式,并进行了钢-混凝土组合梁裂缝宽度的试验研究.试验结果表明,在结构裂缝宽度容许范围内该理论公式计算结果与试验结果吻合良好.     

超高性能混凝土(UHPC)在桥面板体系中的应用2020年度研究进展

超高性能混凝土（UHPC）与正交异性钢桥面板的组合是近年来桥梁工程中新材料、新构造研究的典型范例。UHPC桥面板的刚度较大,可以有效减小桥面板中的局部变形,从而明显降低正交异性钢桥面板中的疲劳应力幅,改善其抗疲劳性能。从新构造、剪力连接件性能、组合桥面板基本力学性能、组合桥面板疲劳性能及UHPC材料与构件力学性能等几个方面对UHPC-正交异性钢桥面板组合体系的研究进展进行综述,其内容主要为2020年以来发表的工作,部分兼及更早的研究成果。     

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.     

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。     

Shear Behavior of Open Steel Tube Connectors in Steel-UHPC Composite Decks

钢-UHPC组合桥面板开口连接件抗剪性能研究

叶琳1,2,蔡文平3,庄扬帆1,杜阳1,赵秋1

（1.福州大学 土木工程学院,福州350108;

2. 阳光学院 土木工程学院,福州350015;

3. 湖南省交通科学研究所有限公司,长沙410000）

中文说明：

钢和超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板可有效减少疲劳裂纹和沥青路面损伤。通过推出试验研究了钢-UHPC组合桥面板新型开口钢环（OST）连接件的抗剪性能。测试参数是桥面板有无配筋。 实验讨论了推出试件的荷载-滑动曲线和抗剪性能。结果表明,与素混凝土试件相比,配筋试件的极限滑移率降低了32％,抗剪刚度提高了10％,但极限抗剪承载力几乎相同。UHPC的使用影响了失效过程,观察到OST连接件在其下半部被剪断,随后是上半部的拔出失效。通过试验验证了有限元模型的正确性,并利用该模型分析了带开口钢环连接件桥面板的变形和失效行为。该模型表明,连接件根部存在应力集中区,开口钢环下半部是承受载荷的主要部位。

关键词：组合桥面板,开口钢管连接件,UHPC,推出试验,抗剪性能,有限元模型

     

新型钢桥面铺装结构的力学性能分析

针对目前正交异性钢桥面铺装层常见的裂缝、推移、局部拥包等破坏形式,应用有限元法对新型桥面铺装结构,分析不同位置的荷载对铺装层最大拉应力和表面最大竖向位移、最大剪应力的影响,并与传统的沥青混凝土铺装结构进行对比分析。分析结果表明：采用新型的铺装结构比沥青混凝土铺装结构的最大拉应力、表面最大竖向位移、铺装层表面和底面的最大剪应力都有一定程度的降低,因此能较好的控制钢桥面铺装层的破坏。在采用新型桥面铺装结构时应以铺装层横向最大拉应力、最大横向剪应力作为铺装层开裂破坏控制指标。研究结果可以为大跨径钢箱梁桥面铺装设计提供理论参考.     

GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁开裂性能试验

为了研究GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁的开裂性能,设计了5根GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁试件,并对混凝土梁试件进行三分点静载试验研究,试验变量为混凝土梁截面尺寸和混凝土保护层厚度.在系统分析试验数据的基础上,提出GFRP/钢绞线复合筋混凝土梁抗裂承载力与最大裂缝宽度的计算方法,并给出使用荷载作用下的裂缝宽度限值.