采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的抗弯性能

为提高钢-UHPC组合结构的延性,本文提出一种采用装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板。设计并完成了不同抗剪连接程度的组合板的抗弯性能试验,分析了组合板试件破坏形态、极限承载力、刚度、裂缝发展规律和板端滑移,并与采用焊接栓钉的钢-UHPC组合板进行了对比分析,讨论了组合板试件的可拆卸性,最后对其极限抗弯承载力和抗弯刚度进行了理论分析并推导了计算公式。结果表明：装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板破坏模式为纵向水平剪切黏结破坏;降低栓钉间距能提高组合板的协同变形能力,从而提高组合板结构的极限承载力、弹塑性阶段的刚度和裂缝控制能力;与采用焊接栓钉连接的钢-UHPC组合板对比,其在发生较大变形的情况下钢板和UHPC板仍然可较容易地拆卸分离;推导了装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板的极限承载力计算方法和抗弯刚度计算公式,提出了抗弯刚度计算时应对UHPC板高度进行折减,折减系数(β_U)在正常使用阶段建议为0.85,理论计算结果与试验结果吻合良好。本文研究成果可为采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的设计和应用提供理论依据。     

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.     

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.     

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。     

新型可拆卸式钢-UHPC组合板的抗弯性能

为探究钢-薄层超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)轻型组合桥面体系在局部轮载下的抗弯性能,设计并开展了4块基于高强螺栓连接的可拆卸式钢-UHPC组合板的四点弯曲试验,研究了钢板类型、抗剪连接件间距对可拆卸式钢-UHPC组合板的破坏模式、荷载-挠度曲线、界面相对滑移、裂缝宽度、截面应变分布等影响规律,研究结果表明：在正弯矩荷载作用下,采用Q355钢板的组合板的破坏模式为高强螺栓被剪断,而采用负泊松比(negative Poisson’s ratio, NPR)钢板的组合板的破坏模式为部分高强螺栓被剪断、部分预埋带垫加长螺母被拔出、UHPC板由于失稳大面积压溃等;在相同的高强螺栓间距下,采用NPR钢板的组合板的板端相对滑移较小,说明NPR钢板有效延缓并限制了钢板与UHPC板的相对滑移,从而提升两者的协同变形能力,继而提高组合板的抗弯刚度及承载力等;由截面应变分析可知,由于NPR钢板的负泊松比效应、高刚度、高屈服强度,整个加载过程NPR钢板与底部UHPC层的拉应变保持着应变协调性,随着荷载的增大截面塑性中和轴的上移幅度可忽略不计。因此,...     

钢筋-超高性能混凝土黏结性能的 非线性有限元分析

针对配筋-超高性能混凝土（UHPC）构件间的黏结性能问题,采用ABAQUS非线性弹簧单元对不同保护层厚度、黏结长度和钢筋直径的配筋UHPC黏结-滑移关系进行了仿真分析,并探讨了不同参数对UHPC黏结性能的影响。结果表明：配筋UHPC的界面极限黏结应力随着UHPC保护层厚度的增加而提高,而随着配筋直径及黏结长度的增加而降低。保护层厚度从单倍钢筋直径增至1.5~2.0倍钢筋直径时,其极限应力增加17.3%~33.3%;钢筋直径从8 mm增加至12 mm和16 mm时,其极限应力分别降低16.5%和28.8%;黏结长度从4倍钢筋直径增加至6~8倍钢筋直径时,其极限黏结应力降幅为14.7%~25.3%。经有限元分析获得的极限黏结应力与文献计算结果符合度较好,误差均值约为2%。     

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.     

预应力钢绞线与超高性能混凝土黏结性能试验研究

超高性能混凝土(UHPC)是具有超高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料,UHPC与钢绞线的黏结性能也与普通混凝土存在差异,且缺乏关于超高性能混凝土与钢绞线黏结性能的设计标准。因此,通过对36个常温自然养护的UHPC与钢绞线中心拉拔试验进行研究,研究参数为黏结长度和保护层厚度,根据试验获取了其荷载滑移曲线、破坏形态、黏结强度。分析试验数据表明:UHPC与钢绞线的极限黏结应力为7.01～11.65 MPa,均值为8.78 MPa,明显优于普通混凝土的。当直径为15.2 mm钢绞线的保护层厚度大于30 mm后,保护层厚度对黏结强度的影响较小。相对于普通混凝土,UHPC中1×7钢绞线的传递长度和锚固长度均可减少50%,建议对于抗压强度大于150 MPa的UHPC,钢绞线传递长度取25d,锚固长度取35d。     

考虑地基摩阻作用的CRCP温度应力非线性分析

基于钢筋混凝土黏结滑移及混凝土路面板与地基之间的非线性本构关系,建立了连续配筋混凝土路面(CRCP)在温度荷载作用下的力学模型以及按接触理论推导的有限元刚度矩阵。得出了有限单元法的数值解,分析了降温荷载作用下路面应力和位移的分布规律。讨论了裂缝间距、配筋率和钢筋直径对CRCP的影响。通过对连续配筋混凝土路面结构的温度应力计算,可以看出在相同的降温荷载作用下,随着裂缝间距的增大,钢筋和混凝土的最大应力呈非线性增加,同时不同的钢筋直径对CRCP的各种应力具有较大的影响。     

装配式结构套筒灌浆连接的混凝土结合界面直剪性能试验研究

研究灌浆层厚度、纵向钢筋、配筋率、轴向压力等因素对直剪荷载作用下套筒灌浆连接的混凝土结合界面裂缝开展、破坏形态、直剪剪切强度、裂缝-滑移曲线以及荷载-滑移曲线的影响. 试验结果表明：对于无纵向钢筋试件结合界面,灌浆层厚度为1、10 mm界面的破坏荷载均值分别是灌浆层厚度为20 mm界面的1.69、1.14倍;对于纵向配筋结合界面,配筋率为0.9%、1.8%的试件界面破坏荷载均值分别是无筋试件界面的1.58、1.89倍,且结合界面直剪破坏延性显著提高,但由于未配箍筋,最终破坏形态为混凝土被纵向钢筋劈裂破坏,降低了结合界面的直剪剪切强度和延性;对于施加轴向压力试件,轴向压力为11.6、23.2 MPa的试件界面破坏荷载分别为无轴压试件界面的6.06、7.81倍,在23.2 MPa轴向压力下,破坏模式转化为界面破坏后的现浇部分混凝土本体破坏.     

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

     

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.     

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。     

基于裂缝参数的钢筋混凝土预裂梁刚度试验研究

为研究钢筋混凝土简支梁桥跨中开裂后的刚度特性,开展不同裂缝名义损伤比下跨中预裂梁的力学试验.试件为现浇钢筋混凝土预裂梁,考虑了跨中3种不同长度a(a=8、18和26 mm)的预制裂缝.试验研究8 m标准跨径混凝土简支梁不同荷载级别下跨中预裂梁抗弯刚度折减系数k随裂缝名义损伤比λ和裂缝张开度w的演化规律.研究表明,不同试...     

水胶比对超高性能混凝土施工与力学性能的影响

兼顾优异施工及力学性能超高性能混凝土（UHPC）研制的重点之一是确定合适的水胶比。为此,以150 MPa级UHPC的原材料和配合比均不变（除用水量外）为前提,研究水胶比（0.15~0.2）对UHPC施工与力学性能的影响规律。通过相关试验得到了UHPC不同湿拌时间的扩展度、充分湿拌时间、静停一段时间的扩展度、抗压、抗折强度、四点弯曲应力挠度曲线、四点弯曲出现可视裂纹时下缘等效拉应力;对抗压、抗折强度进行了变异性分析;利用应力挠度曲线,基于规范法得到了弯曲韧性指标,并提出了其改进方法。结果表明：UHPC达最佳扩展度所需湿拌时间（充分湿拌时间）为6 min;水胶比由0.16增至0.19时UHPC扩展度基本呈线性增长,水胶比每增加0.01,UHPC扩展度平均增幅为109 mm;当水胶比、静停时间分别为0.19、4 h时,扩展度损失40 mm,损失率仅5.9%;UHPC抗压强度、抗折强度及弯曲韧性指标随水胶比的增大皆呈先增后减趋势,当水胶比分别为0.18、0.16和0.16时达到最优;应力峰值前的应力挠度曲线并不是典型全凸形曲线;可视初裂抗折强度约为抗折强度的0.85倍;UHPC试件的弯曲韧性较好,宜采用可视初裂挠度作为初始变形参考进行韧性指标计算;为保证UHPC兼顾良好施工与力学性能,建议湿拌时间、水胶比分别为6 min、0.18或0.185。