UHPC华夫桥面板抗弯性能试验及有限元分析

为研究超高性能混凝土(UHPC)华夫桥面板的横桥向抗弯性能,首先开展了4个横肋的足尺条带模型抗弯性能静力试验;然后采用ABAQUS有限元软件建立了试件非线性有限元模型,模型中考虑了材料非线性和几何非线性,其中对UHPC考虑了混凝土损伤塑性模型等,并利用该有限元模型模拟试验全过程;最后通过有限元参数分析明确主要设计参数对UHPC华夫桥面板横向抗弯性能的影响规律,包括横肋纵向配筋率(钢筋直径)、横肋高度、顶板高度以及横肋间距等。研究结果表明:正弯矩作用下试件的受弯破坏过程包含线弹性阶段、裂缝开展阶段和屈服阶段;华夫桥面板横肋底面出现横向裂缝导致结构刚度第1次下降,随着裂缝的发展,截面内力重分布使得底部纵筋应力持续增大直至屈服,导致刚度出现第2次下降,裂缝进一步向上开展逼近翼缘板顶部,由于受拉区充分发展导致顶板纵筋受拉屈服,刚度出现第3次下降,结构刚度严重衰减,试件承载力接近极限,趋于破坏;有限元计算结果与试验结果吻合良好;通过参数分析发现,增加纵筋配筋率(钢筋直径)对初裂荷载影响很小,但可有效限制裂缝的发展;增加肋高对初裂荷载有一定的提高作用,还可提高矮肋T梁的初始刚度、开裂后刚度以及极限承载力;增加顶板高度也可起到同样的效果,但肋高对初始刚度的提高效率是顶板的5.4倍;增加横肋间距可提高单根横肋的初始刚度、开裂后刚度以及极限承载力,但削弱了横向整体刚度。     

焊钉集群式后结合超高性能混凝土组合桥面板抗弯性能

为考察焊钉集群布置对后结合超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板受力性能的影响,进行常规均匀焊钉布置组合桥面板及群钉布置后结合组合桥面板试件的弯曲荷载试验和基于材料塑性损伤模型的有限元参数化分析。试验结果表明,群钉布置与均匀焊钉布置试件破坏模式特征均为UHPC板压溃、钢结构U肋底面屈服,二者弹性抗弯刚度分别为232kN·mm^-1及213k N·mm^-1,承载力分别为2 154 kN及2 049 kN。U肋屈服前,两试件的界面最大滑移值均小于0.2 mm。两试件应变分布及发展规律相似,截面应变分布均近似服从平截面假定。参数化分析结果表明,群钉孔纵向布置间距由600 mm增至1 200 mm,承载力及弹性刚度无明显变化。群钉孔尺寸相同时,孔间距对UHPC黏结界面结合状态无显著影响。间距600 mm相较1 200 mm布置可更好地保证焊钉受力安全性及截面组合效应。综合对比参数化模型抗弯性能,纵向间距600 mm结合群钉孔内2×3群钉布置对正弯矩作用下后结合钢-UHPC组合桥面板受力状态改善更为有利。     

16m无筋预应力UHPC简支工字梁抗弯性能足尺模型试验研究

以国内首座无筋预应力体系UHPC桥梁——广州北环高速扩建F匝道桥16 m UHPC工字梁-普通混凝土桥面板组合梁为研究对象,进行四点弯曲下的足尺模型抗弯试验研究,测得各级荷载下梁的应变和挠度,以研究无筋预应力UHPC梁的抗弯承载能力,并与有限元计算值进行对比。结果表明:相对于普通钢筋混凝土梁,UHPC梁的开裂大大延迟;裂缝细而密; UHPC工字梁的跨中截面应变满足平截面假定;无筋预应力UHPC工字梁与普通混凝土桥面板之间界面滑移量极小,现浇板与UHPC梁之间连接良好。采用有限元模型对UHPC组合梁进行受力仿真分析,弹性模型在梁开裂前,荷载和变形与试验值吻合较好。结合试验研究和有限元分析,验证了该UHPC组合梁抗弯承载力满足设计要求。     

负弯矩作用下UHPC湿接缝桥面板裂后性能研究

针对预制拼装桥面板接缝处受力复杂、易开裂等问题,提出了一种新型超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete, UHPC）燕尾榫接缝.通过负弯矩作用下荷载模型试验,研究了不同接缝材料和预应力水平对UHPC湿接缝桥面板极限承载力、破坏形式及裂缝分布等的影响规律.基于试验验证的数值仿真模型,对比分析了不同接缝位置、接缝形式、纵筋率、材料强度及板件厚度等参数对湿接缝受弯性能的影响.研究结果表明：预应力由0 MPa提高到5 MPa,板件开裂应力和极限承载力分别提升40.0%和5.5%;燕尾榫接缝较直角榫接缝与平接缝的开裂应力分别提高7.5%和16.0%,承载力分别提高5.4%和16.0%.燕尾榫接缝整体性好,改变接缝位置对湿接缝受弯性能影响较小;板件开裂应力和极限承载力随材料强度增大而提高,材料强度超过120 MPa时增幅减小;UHPC接缝初裂刚度约为初始刚度的90%,剩余刚度约为初始刚度的25%;初裂后,结构刚度迅速下降,纵筋屈服后,结构刚度退化速度明显减缓,最终刚度保持在剩余刚度;提出了用极限荷载对应位移与开裂荷载对应位移之比为表达形式的UHPC湿接缝桥面板裂后延性系数,本文板件裂后延性系数为10.0~20.0,表明UHPC湿接缝桥面板具有较好的裂后变形能力.     

钢-弹性体夹层正交异性桥面板受力性能分析

通过三跨聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板空间结构的计算,分析该种夹层桥面板在夹芯层厚度及面板厚度变化时,在不同受力状况和不同截面处各控制点的受力性能.结果表明,夹层桥面板的受力特性在于:在跨中截面中间纵向U形加劲肋上方的夹层板底面纵、横向应力拉压性质与常规受弯构件不同;加劲肋底面纵向应力比截面其它位置大得多,横向应力可忽略;在支点截面中间加劲肋与桥面连接处,聚氨酯芯层纵向应力最大,横向应力可忽略;钢板与聚氨酯结合面的剪切强度大于6 MPa时可满足粘结要求.     

基于UHPC华夫桥面板应用的桥梁性能提升方法

为了改善大跨度钢-混凝土组合梁桥动静力性能,提出采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)华夫桥面板替换普通混凝土桥面板的设计方法。首先推导出考虑UHPC抗拉强度的双筋截面矮肋宽翼缘T梁极限抗弯承载力计算公式,并提出桥梁结构整体建模时以等效材料异性板模拟华夫板的简化方法,最后,以某中承式系杆拱桥为例,设计UHPC华夫桥面板,并对比桥面板分别采用混凝土平板或华夫板时的桥梁结构动、静力性能差异。研究结果表明:双筋截面矮肋宽翼缘T梁抗弯极限承载力计算公式所得结果与试验值的比值平均值为1.04,变异系数为0.09,说明本文公式适用于抗弯极限承载力计算;等效材料异性板与UHPC华夫桥面板竖向位移的比值平均值为1.01,变异系数为0.039,可见等效材料异性板能较好地反映华夫板刚度;与混凝土平板相比,UHPC华夫桥面板可使桥面板质量减轻40%,有效减小成桥恒载下20%的吊杆索力,拱肋和钢梁关键截面最大应力减小13%～16%,并使结构自振频率增大9%～10%,桥梁结构安全性得到提高。     

球扁钢肋组合桥面板局部与整体力学性能

为了检验所提出的球扁钢肋组合桥面板在桥梁中使用的受力性能,设计制作了2个带球扁钢肋组合桥面板试件和1个正交异性钢桥面板试件.通过静力试验,测试桥面板不同部位的结构应变和变形,考察了球扁钢肋组合桥面板在车轮荷载作用下的局部受力性能,以及在正、负弯矩作用下的整体受力性能.试验结果表明:在车轮荷载作用下球扁钢肋组合桥面板的疲劳细节处应力水平非常小,大大降低了桥面板钢结构发生疲劳破坏的可能性;试件截面应变沿高度的分布符合平截面假定,在受弯破坏极限状态下,混凝土与钢板之间无明显滑移和脱层,球扁钢组合桥面板的钢板与混凝土之间组合作用良好;该种组合板具有良好的延性,并有较高的承载能力.     

正交异性钢-混凝土组合板负弯矩区抗弯性能分析

为探究正交异性钢-混凝土组合板负弯矩区的抗弯性能，对3块正交异性钢-混凝土组合板进行了抗弯静载试验和非线性数值分析，研究了不同因素对混凝土负弯矩开裂荷载和组合板整体抗弯极限承载力的影响.结果表明：正交异性钢-混凝土组合板呈现典型的弯曲破坏形态；当钢纤维体积分数为1%时，钢-混凝土组合板开裂弯矩的提升率最大，但钢纤维体积分数的改变对整体抗弯极限承载力影响较小；正交异性钢-混凝土组合板的开裂弯矩与正交异性钢板强度无关，极限弯矩则随钢板强度的增加而增大；增加混凝土板厚能提高组合板开裂弯矩和极限弯矩，当混凝土板厚度与正交异性钢板高度比值为0.8时，开裂弯矩的提升率最大.     

T形肋正交异性组合桥面板力学性能

为了检验所提出的T形肋正交异性组合桥面板在局部车轮荷载作用下的受力特性及这种桥面板在桥梁第二体系中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了4个不同桥面板试件,其中包括一个混凝土桥面板,一个正交异性钢桥面板,两个不同尺寸的T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T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,相同宽度的T形肋正交异性组合桥面板其极限抗弯承载力分别是混凝土桥面板和钢桥面板的2.30倍和1.57倍以上,表明T形肋正交异性组合桥面板具有较强的抗疲劳性能.     

超高性能混凝土-混凝土组合简支梁弯曲性能试验

进行了3根超高性能混凝土(UHPC)位于受拉区的超高性能混凝土-混凝土组合梁(UHPC-NC组合梁)和1根普通钢筋混凝土梁的弯曲性能试验。对UHPC-NC组合梁的受力过程、跨中截面应变分布、裂缝开展模式和破坏形态等进行了研究分析。试验结果表明,UHPC-NC组合梁在加载过程中基本符合平截面假定,并且在UHPC层中配置适量的纵向钢筋,能大幅度提高组合梁的抗弯承载力。同时,将钢筋和UHPC对试验梁极限承载力的贡献分为4个阶段(初始状态、阶段状态、极限状态和破坏状态)进行计算。最后,对组合梁受拉区UHPC层等效矩形应力系数k进行推导。结果表明,UHPC层对组合梁抗弯承载力的贡献效率随着配筋率的不同而不同。     

钢-超薄UHPC组合桥面板界面抗剪性能研究

针对正交异性钢板-超薄超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)(厚度为35mmUHPC板+20mm磨耗层)组合桥面板中,UHPC层过薄而无法采用常规抗剪连接件形式的问题,提出一种新型钢筋网局部焊接抗剪连接件.通过推出试验测得了焊接抗剪件的荷载-滑移关系曲线和抗剪承载力,以某长江大桥为背景,对焊接抗剪件的布置方式进行了研究.试验结果表明:焊接抗剪件的推出试验破坏过程属于脆性破坏,破坏前界面相对滑移较小,焊缝长度为50mm的焊接抗剪件极限抗剪承载力为119kN.与栓钉相比,相同荷载比值下采用焊接抗剪件的界面相对滑移小,焊接抗剪件的抗剪刚度大于栓钉.计算结果表明:钢-超薄UHPC组合桥面板在布置抗剪件时,需关注UHPC层底部受力.加大抗剪连接件布置密度可减小UHPC层底部横、纵桥向拉应力,降幅可达36.3%.     

钢桥面复合铺装结构的大比例模型试验

在钢桥面板与沥青铺装层之间设置轻质混凝土层,组成了一种新型钢桥面复合铺装体系。为研究这种新型铺装体系的力学特性,制备了大比例模型试件,实测了不同车位下钢桥面及铺装结构的力学响应。结果表明：钢桥面板最大横向拉应力为90MPa,而设置加劲肋后最大拉应力降至为43MPa,即设置加劲肋有利于改善钢桥面板的受力。浇筑轻质混凝土铺装层后,钢桥面板顶板和加劲肋底板的应力峰值、位移都降低,最大应力降幅达48%,最大位移降幅达18%,而且钢桥面板中的应力分布也更加均匀。作为铺装结构,轻质混凝土铺装层也与桥面板共同参与结构受力,使得桥面铺装体系的结构刚度得到提高。     

部分充填砼钢箱连续组合梁抗裂性能分析

针对部分充填砼钢箱连续组合梁裂缝控制问题,开展超高性能混凝土(UHPC)翼板-部分充填砼钢箱连续组合梁抗裂性能研究,探讨该组合梁裂缝控制的新途径.通过3根部分充填砼钢箱连续组合梁试验,得到挠度、滑移和裂缝的开展特征.基于ABAQUS软件建立部分充填砼钢箱连续组合梁有限元分析模型,分析UHPC翼板部分充填砼钢箱连续组合梁关键参数对受力性能的影响.结果表明:负弯矩区采用UHPC翼板能显著提高组合梁抗裂性能;当负弯矩区UHPC翼板长为0.3倍跨径、厚度为1/3翼板总厚时,能满足裂缝控制要求且经济合理;与普通混凝土相比,高应变强化UHPC初裂荷载提升2.3倍,可视开裂荷载提升7.6倍.     

部分填充砼窄幅钢箱组合梁非线性有限元分析

为研究部分充填混凝土窄幅钢箱连续组合梁力学性能,考虑组合梁剪力连接件剪切滑移的非线性、材料非线性、几何非线性等因素,建立了非线性有限元模型分析部分充填混凝土窄幅钢箱连续组合梁负弯矩区全过程的受力性能。用有限元法计算得到了试验梁荷载-挠度曲线、纵向钢筋的荷载-应变曲线和承载能力等结果。通过与试验结果进行比较,有限元分析计算值与试验实测值吻合较好,验证了有限元模型分析的有效性。利用有限元模型对组合梁进行了参数分析,研究结果表明,增大翼板配筋率和钢箱底板厚度对提高组合梁极限承载能力和开裂后刚度作用显著,对提高组合抗裂能力作用不明显;充填混凝土对提高组合梁极限承载能力作用明显,充填高度达到钢箱高度一半后对承载能力提高的效率降低;钢箱顶板厚度达到10mm后,继续增大对组合梁承载能力提高影响不明显。     

鞍型垫板加强T型相贯节点极限承载力分析

利用有限元分析方法对鞍形垫板加强T形相贯节点在支管轴向拉力和压力作用下的极限承载力进行了研究,并在现行钢结构设计规范中关于直接焊接相贯节点的极限承载力设计公式的基础上引入极限承载力提高系数φ建立垫板加强T形相贯节点极限承载力设计公式.分析结果表明,支管轴向拉力作用下,影响φ的主要参数为垫板厚度λ;支管轴向压力作用下,影响φ的主要参数为主支管直径比β和垫板厚度λ.     

UHPC加固箱梁顶板受弯性能试验研究

提出密配筋UHPC(超高性能混凝土)加固钢筋混凝土箱梁顶板方法,以消除混凝土箱梁顶板因开裂导致结构承载能力和耐久性普遍降低两类病害.为探究该加固方法在集中荷载下的箱梁顶板横向受弯性能,对3块足尺箱梁顶板局部模型进行试验研究.试验结果表明:负弯矩作用下,受拉的UHPC层显著提高了加固板的抗裂性能和刚度;加固试验板的开裂强度取决于UHPC的弹性抗拉性能;裂缝宽度为0.2mm时的持荷水平相对于未加固试验板提高了255.8%;当裂缝宽度小于0.27mm时,荷载与最大裂缝宽度关系近似线性.正弯矩作用下,UHPC层受压,加固试验板的开裂强度取决于封闭裂缝所用黏胶的抗拉强度;因为普通混凝土区域裂缝出现较早,正弯矩加固板在前期表现出略微偏大的挠度,但后期挠度和裂缝宽度的增长速度均明显小于未加固板,致密的UHPC层为箱梁顶板提供良好的防水性能,加固层对正弯矩试验板刚度的提高和裂缝发展的控制效果较为明显;破坏形态符合预期,破坏荷载与理论计算结果吻合良好.     

钢管塔环型加肋空间节点抗弯性能分析

为考察钢管环型加肋空间节点的破坏模式和抗弯性能,进行了静力加载试验和有限元数值分析.研究结果表明,节点具有主管局部屈曲和局部横向塑性变形两种破坏模式,且主管屈曲破坏与主管应力相关,主管横向塑性变形由环板及主管组成的环板-主管模型控制.针对两种破坏模式,利用塑性理论和有限元参数分析及回归分析方法分别提出节点抗弯承载力的建议公式.建议公式与试验数据进行比较,结果表明,建议公式合理有效,可为类似节点设计提供参考.     

组合桥面板U肋对接焊缝疲劳破坏及修复方法试验

为了研究弯折U形肋组合桥面板的疲劳性能以及疲劳开裂后的修补方法,对一个带连续弯折U形肋的组合桥面板试件进行了前后两次疲劳试验研究.首先对初始采用无衬垫对接焊缝的试件进行疲劳加载直到焊缝开裂;然后在开裂处采用带衬垫的对接焊缝加固,再次进行疲劳加载直到破坏.研究了组合桥面板疲劳破坏形态、开裂处疲劳强度评定、疲劳裂缝修复方法及修复后的疲劳性能.试验结果表明:在反复荷载作用下无衬垫单面焊的对接焊缝是正交异性组合桥面板的薄弱处,首先发生疲劳裂纹,采用带衬垫的熔透对接焊缝对开裂处进行修补,能起到较好的补强效果.