体外预应力UHPC节段梁抗弯性能试验研究

为研究体外预应力胶接缝UHPC节段梁的抗弯性能,完成了3根体外预应力UHPC梁的四点弯曲模型试验,包括一根整体梁和两根节段梁,获得了试件的破坏模式、荷载-挠度曲线和接缝张开情况等主要试验结果,胶接缝UHPC节段梁由环氧树脂胶层破坏导致接缝张开,与胶接缝NC节段梁由接缝附近NC破坏导致有所不同. 考虑截面预压应力和环氧树脂弯拉强度的作用,提出了胶接缝UHPC节段梁的接缝张开弯矩计算公式,计算结果与试验结果误差小于1%,吻合良好. 为准确计算体外预应力UHPC节段梁的抗弯承载能力,将UHPC节段梁的各节段简化为杆、接缝简化为弹簧铰,提出了杆-弹簧铰简化模型. 基于该模型,采用解析法推导了体外预应力筋的应力变化和二次效应的计算公式,预应力筋应力的理论值与试验值误差小于2.3%,吻合良好. 考虑到节段梁接缝张开的不确定性,提出了抗弯承载能力域的概念,即不同接缝张开情况下结构抗弯承载能力的包络范围,抗弯承载能力域的下限值与试验值误差小于6%,建议以下限值作为结构抗弯承载能力的参考值. 上述方法可丰富体外预应力胶接缝UHPC节段梁接缝张开弯矩和结构抗弯承载能力的计算理论.     

预制UHPC-NC板组合湿接缝抗弯性能试验研究

针对沿海浪溅区UHPC-NC组合板桥梁湿接缝薄弱问题，设计并制作了两块不同构造的组合接缝板（菱形企口接缝JF-L与倒T形接缝JF-T），开展了受弯性能试验并进行界面应力分析，得到组合板湿接缝从开裂到破坏的全过程力学响应，并根据本文试验和文献统计数据，推导了UHPC-UHPC接缝界面开裂荷载计算公式. 结果表明：两块接缝板均发生弯剪破坏，由于接缝界面存在加密钢筋，剪跨段存在纵筋配筋率变化截面，钢筋在该变化截面拉断；两块组合接缝板开裂荷载和极限破坏荷载基本相同，抗裂性能由接缝界面性能控制，不同构造对湿接缝的抗弯性能影响不大；JF-L与JF-T试件的名义开裂应力分别为4.71 MPa和4.74 MPa，满足沿海浪溅区桥梁正常使用要求；JF-L试件裂缝数量更多，但裂缝发展速度较慢，JF-T试件UHPC-NC界面未开裂，具有更高的延性和抗裂性能. 提出UHPC湿接缝开裂荷载计算公式并与本文和相关文献试验结果进行对比，验证其适用性. 实际工程中，推荐采用更方便预制和施工的菱形企口湿接缝构造形式.     

UHPC大键齿干接缝直剪性能及尺寸参数分析

预制拼装UHPC桥梁的拼接接缝是该类桥梁整体受力尤其是剪切受力的关键.为探究UHPC大键齿干接缝的直剪性能,基于ABAQUS塑性损伤模型建立了非线性有限元模型,并采用现有文献的UHPC键齿干接缝试验数据进行了模型校验.以校验的有限元模型为基础,研究了UHPC大键齿干接缝直剪性能及剪切破坏过程,揭示了其两种主要破坏模式,即滑移破坏和直剪破坏.同时,开展了UHPC干接缝的大键齿尺寸参数分析,考虑的参数主要包括:键齿深度、键齿倾角和侧向应力;根据计算分析结果,大键齿尺寸建议取深齿比0.15～0.25且键齿倾角小于37°较为合理.此外,基于摩尔应力圆理论和有限元计算结果,建立了UHPC大键齿干接缝直剪承载力计算公式,经试验数据验证具有良好的适用性.     

UHPC-NC组合构件界面行为研究

随UHPC材料兴起,现已有较多研究表明将UHPC材料应用于结构接缝处可极大程度地增强结构的整体性能,接缝界面处的粘结强度也逐渐引起学术界关注.然而,如何对结合面处进行有效的有限元模拟却始终未见统一有效的方式.文章在广泛的文献调研基础上,总结现有试验数据,对比试验方法,得到3种不同粗糙度界面粘聚力分别为2.24 MPa,2.37 MPa和2.66 MPa,3种界面摩擦系数分别为1.42,1.63和1.64;提出基于粘聚力和抗剪强度的UHPC-NC界面强度计算式;基于接触-分离模型分别建立适用于受拉为主构件及压剪为主构件的3D有限元模型,提出适用于光滑界面、中等粗糙界面及粗糙界面的粘聚力参数、接触损伤相关参数;为验证有限元参数有效性,建立多个文献试验有限元模型并与结果对比较为吻合,可为后期有限元计算提供参考.     

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.     

预制节段桥梁钢榫键接缝直剪力学性能试验

设计8组“Z”型接缝试件,以榫键数量、几何形状、尺寸和接缝类型为试验参数,对钢榫键接缝的力学性能开展试验研究。试验结果显示：方形榫键试件开裂后承载能力较圆形榫键试件更稳定;单键（干、胶）,双键（干、胶）接缝相比平面（干、胶）接缝承载能力分别提高3.81倍、43.02%,6.06倍、41.58%;单、双键胶接缝相比其干接缝剪切强度分别提高151.39%、69.68%,但胶接缝出现更明显的脆性破坏;混凝土开裂强度和榫键剪切强度决定了干接缝不同的破坏模式,而胶接缝均出现直剪破坏;胶接缝直剪破坏后接缝剪切抗力由钢榫键和界面摩擦提供,其力学性能类似其干接缝。     

UHPC键齿+螺栓连接接缝梁抗弯性能试验研究

为了研究预制UHPC键齿+螺栓连接接缝梁的抗弯性能,进行了6根UHPC键齿+螺栓连接接缝梁(简称接缝梁)和2根UHPC整体梁的弯曲试验,探讨梁底配筋、接缝设置钢垫板及涂抹环氧树脂胶等因素对UHPC接缝梁的破坏形式、抗弯承载力、跨中挠度、连接钢板上下缘应变和接缝相对纵向位移的影响;采用有限元软件ANSYS分析了长期压应力作用下UHPC徐变对螺栓预紧力的影响.试验及分析结果表明:UHPC接缝梁在梁底配筋不同的情况下存在接缝梁刚度突变区梁体受弯破坏和键齿楔形破坏引起的接缝破坏2种破坏模式,接缝表面涂抹环氧树脂胶对接缝梁的抗弯性能影响小,接缝两侧设置钢垫板可提高接缝的抗弯承载力,减小接缝梁的跨中挠度和接缝的上、下缘相对纵向位移,且对连接钢板的受弯变形也有一定的改善作用.长期压应力作用引起的UHPC徐变会导致螺栓预紧力下降,下降幅度可达24.7%.     

考虑粗糙表面接触的连接面黏滑摩擦建模

基于Kragelsky-Demkin粗糙接触理论和Iwan迟滞非线性模型,建立了一种考虑界面粗糙度参数的连接界面非线性力学模型。首先建立了连接界面恢复力分布与表面粗糙度参数之间的关系,导出了临界滑移力的分布密度函数;然后结合连续Iwan迟滞非线性唯象模型,导出了连接界面切向载荷与切向相对位移之间的关系,以及界面单位周期能量耗散与切向振荡载荷幅值之间的关系;最后研究了粗糙度参数对界面宏观力学行为的影响。结果表明:建立的模型能够直接反映界面宏观力学响应与表面粗糙度参数之间的关系;连接界面切向恢复力与相对位移之间为非线性关系,切向连接刚度随相对位移增大而减小;激励幅值相同时,表面粗糙度参数越大,则切向连接刚度越大,单位周期的能量耗散越小;当激励幅值不足以引起宏观滑动时,单位周期能量耗散与激励幅值之间为幂函数关系。     

超高性能混凝土剪力墙抗剪承载力分析

对超高性能混凝土UHPC(Ultra-High Performance Concrete)剪力墙在单向水平荷载作用下的受力过程进行了非线性有限元分析.重点分析了轴压比、剪跨比、暗柱纵筋配筋率、暗柱箍筋配箍率、分布钢筋配筋率等因素对UHPC剪力墙抗剪承载力的影响.结果表明:UHPC混凝土剪力墙抗剪承载力高,延性较好,值得在工程领域应用.随着轴压比的增大,承载力先增大后减小,延性大幅下降,应该严格控制轴压比;随着剪跨比增大,破坏形态发生变化,承载力减小;随着暗柱纵筋配筋率的增大,承载力增大;暗柱箍筋体积配箍率及分布钢筋的增大对承载力的影响不很明显.     

考虑粗糙度和相对密实度下砂土-混凝土桩接触面力学特性试验研究

为探究粗糙度和土体相对密实度对砂土-混凝土桩接触面力学特性的影响规律,利用大型直剪仪开展了不同粗糙度、相对密实度下的砂土-混凝土接触面直剪试验,分析了粗糙度、相对密实度对砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移、峰值剪切强度、割线摩擦角、归一化摩擦系数的影响.研究结果表明：密砂的剪切应力-切向位移曲线在光滑接触面下呈轻微软化型,随粗糙度增加,软化越明显;松砂的剪切应力-切向位移曲线始终呈硬化型.界面峰值剪切强度随法向应力增加呈非线性增长,土体相对密实度越大,非线性越明显.接触面割线摩擦角随法向应力增加呈指数衰减,而由于剪切强度增量较小,导致接触面峰值摩擦系数随法向应力增加呈幂函数衰减.存在临界粗糙度Icr, 当I > Icr时,接触面峰值摩擦系数和归一化割线摩擦角不再随粗糙度增大而增加,而是呈减小趋势.     

UHPC与普通混凝土界面黏结性能研究综述

对比分析了超高性能混凝土(UHPC)与普通混凝土(NC)黏结界面的力学性能和耐久性能,评述了UHPC-NC界面黏结影响因素、力学性能、耐久性能3方面的研究成果.对UHPC-NC界面力学性能产生影响的纤维增强机理、约束收缩机理及冻融损伤机理进行了研究,分类讨论了黏结面力学试验和耐久性试验方法及试验结果.阐述了UHPC-NC界面破坏模式和力学性能研究成果,并对UHPC加固性能劣化NC桥梁进行展望.结果表明:UHPC纤维和界面处理情况对界面黏结性能影响显著;UHPC-NC黏结界面的力学性能和耐久性能明显优于NC-NC界面,耐久性能表现最优越.     

均匀受力的混凝土深梁抗剪性能

主要通过有限元软件模拟研究混凝土深梁在均布荷载作用下,纵筋配筋率、混凝土强度等两个因素对其抗剪性能的影响。结果表明：随着纵筋配筋率的增大,深梁的产生切应力不断减小,随着混凝土的强度的增大,深梁的产生切应变不断减小,说明纵筋配筋率和混凝土强度的增大对提高梁的抗剪性能有利。     

先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPC “T形”湿接缝试验研究

为了提高普通混凝土连续梁负弯矩区湿接缝的抗裂性能,简化施工工艺,提出了混凝土梁桥负弯矩区UHPC新型湿接缝方案.以某跨径为30 m的普通混凝土连续梁桥为背景,根据法国UHPC结构设计规程和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)对该桥进行正常使用极限状态下的配筋设计,并参照配筋设计结果对UHPC新型湿接缝构造进行1∶2缩尺模型试验研究.试验结果表明:取消负弯矩区预应力束、取消焊接的负弯矩区UHPC新型湿接缝方案的抗裂性能和承载能力均满足工程要求,且试验值与数值模拟值拟合良好;UHPC的引入能有效限制普通混凝土的裂缝宽度,显著提高普通混凝土截面的刚度,改善混凝土连续梁跨中区的内力及竖向挠度的重分布现象.与不考虑负弯矩预应力束的传统湿接缝构造相比,UHPC新型接缝构造能降低混凝土连续梁内力及跨中竖向挠度的重分布系数至其30％～50％.参数分析表明:对于负弯矩区采用UHPC新型湿接缝构造的混凝土连续梁桥,UHPC沿纵桥向的长度宜取0.27倍计算跨径,负弯矩区纵向受拉主筋直径可统一为20 mm,UHPC层的厚度取60 mm即可.     

超高性能混凝土板加固足尺钢筋混凝土梁抗剪性能

为进一步研究超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete, UHPC)预制板加固钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁的抗剪性能,开展了3根足尺RC梁的试验研究,包含1根对比梁和2根UHPC预制板加固梁,关注UHPC板及其内嵌CFRP板条对RC梁抗剪性能的影响。试验结果表明：试验梁均发生受剪破坏,但加固梁的承载力、刚度和延性均明显提高,其中,因内嵌CFRP板条提高了UHPC板的抗裂性能,极限荷载及对应位移分别提高了30.8%和28.5%;螺杆力学锚固发挥了侧向约束作用和销栓作用,在一定程度上提高了UHPC板的贡献。同时,通过建立非线性有限元模型对试验梁进行了数值分析,模拟结果与试验结果吻合度高,表明模型所选的本构关系及相关参数合理,可用于预测UHPC板加固RC梁的全过程受力行为。     

UHPC-RC节段组合梁的抗弯性能分析

为研究低预应力度条件下,不同节段接缝的超高性能混凝土-钢筋混凝土(ultra-high performance concrete-reinforced concrete, UHPC-RC)组合梁的抗弯性能,文章基于ABAQUS有限元软件,建立UHPC-RC节段组合梁的基准有限元模型,并利用已有的试验数据验证该模型的合理性。节段接缝分别为平面干接缝、平面胶接缝、齿键干接缝和齿键胶接缝,在基准有限元模型的基础上,进一步研究节段接缝类型对组合梁抗弯性能的影响。研究发现,在四点受弯加载方式下,接缝的几何特征(平面或齿键)对组合梁的极限荷载和开裂荷载影响较小,环氧树脂胶的使用对组合梁的抗弯性能影响较大。     

湿热耦合环境下碳纤维布加固混凝土界面耐久性能

为研究碳纤维补强聚合物加固混凝土结构在湿热环境下的耐久性能,通过对不同湿热耦合作用下36个CFRP-混凝土试件进行试验研究,分别进行5 d、10 d、15 d的加速湿热老化,并对其进行双剪试验,分析了不同温度、湿度的耦合作用下CFRP-混凝土界面的破坏形态、极限承载力、应变分布及相对位移等力学参数,进而分析湿热耦合环境对界面力学性能及黏结耐久性能的影响。结果表明:湿热老化作用后,CFRP-混凝土界面的界面力学性能有所退化;高温高湿耦合作用对界面的力学性能影响较大,15 d湿热腐蚀后,极限荷载、极限位移、CFRP应变较室温组试件分别下降26. 11%、25. 77%、40. 33%;湿热腐蚀介质渗入黏结界面,引起应变传递及位移发展更为迅速,对加固结构耐久性造成了损伤。     

边坡预应力锚固结构的实验研究

为探讨锚杆在不同的安装角和预应力条件下对结构面强度和切向刚度的影响,进行了模拟实验研究·结果表明:锚杆安装角和预应力的大小对结构面强度和切向刚度有较大影响,加固结构面的剪切 位移曲线具有明显的“塑性强化”性态,加锚后结构面的抗剪强度和切向刚度均有明显的提高,且加锚结构面抗剪强度的提高主要表现在结构面“等效粘结力”的提高,而结构面的“等效摩擦角”基本不变,加固结构面的剪切 位移符合双曲线函数关系·最后对实验进行了有限元模拟,数值计算结果与实验结果具有较好的一致性     

节段拼装变截面波形钢腹板连续组合箱梁的剪切性能试验研究

为了研究节段预制拼装波形钢腹板连续组合箱梁的抗剪性能,制作两片缩尺试验梁,包括节段拼装变截面波形钢腹板连续箱梁和相同尺寸的整体浇筑变截面波形钢腹板连续箱梁. 通过静力试验和数值分析,得到了节段拼装梁的剪应力分布规律、波形钢腹板承剪比例等. 结果表明：在中跨对称加载作用下,中跨1/4位置处节段拼装梁与整体梁波形钢腹板的剪应力沿梁高方向均匀分布,节段拼装梁的剪应力值要大于整体梁的相应值. 推导出节段拼装变截面波形钢腹板组合箱梁的剪应力计算公式,并考虑施工工艺对剪应力的影响,通过与实测值对比验证公式的准确性. 两片试验梁的波形钢腹板的承剪比受荷载影响较小,保持一个恒定的比例;两片试验梁在中支座位置处的钢腹板承剪比均为50%,并沿着试验梁纵向方向向两侧不断增大;在中跨1/4位置,节段拼装梁钢腹板的承剪比达到85%以上,整体梁的钢腹板在该位置的承剪比在75%左右,两片试验梁在边跨相应位置承剪比相差不大. 将适用于节段拼装混凝土箱梁的AASHTO接缝抗剪强度计算公式乘0.9可用于接缝截面抗剪承载力计算;上述公式值与试验值、有限元结果的误差在5%左右,可以较好地预测钢混组合结构胶接缝的抗剪强度.     

预应力超高性能混凝土工字形梁抗剪性能试验

为了研究预应力超高性能混凝土(UHPC)工字形梁的抗剪性能和抗剪承载力计算方法,本文设计并完成了3片预应力UHPC工字形梁的单点加载试验,获得了试验梁的荷载-位移曲线、破坏模式和裂缝分布特征等关键结果;基于试验结果、瑞士和法国UHPC规范、我国公路桥梁规范及公路桥涵超高性能混凝土应用规范意见稿计算了试验梁的抗剪承载力,分析了各个规范的适用性。此外,基于修正压力场理论(MCFT),分别采用Mohr-Coulomb准则和Rankine准则的计算了试验梁的抗剪承载力,并进行了分析讨论。研究表明：预应力UHPC工字梁的抗剪承载力随着剪跨比的增加而减小,箍筋对于抗剪承载力影响较大;各国规范对UHPC梁的抗剪承载能力的计算较为保守。采用Mohr-Coulomb准则的计算结果较Rankine准则的计算结果与试验值更为接近;特别是小剪跨比的试验梁,处于弯剪复合状态,Mohr-Coulomb准则考虑了受压区UHPC法向和切向应力的影响,更为接近实际状况。     

高强超高延性混凝土梁弯剪性能理论分析与数值模拟

开展了14根高强超高延性混凝土（high-strength engineered cementitious composite,HS-ECC）梁的四点弯曲试验,研究了混凝土类型、纵筋配筋率和是否配置箍筋三因素对配筋梁弯剪性能的影响。基于平截面假定和材料本构关系,计算了配筋HS-ECC梁的受弯承载力。基于国内外规范,计算了无腹筋HS-ECC梁的受剪承载力。最后,采用Abaqus软件建立了HS-ECC梁的有限元模型。结果表明：有腹筋梁均为受弯破坏,随着纵筋配筋率增大,试件极限荷载和刚度逐渐增大,而延性未显著降低,配筋HS-ECC梁较普通混凝土梁具有更优异的裂缝分散能力和抗弯性能;无腹筋HS-ECC梁的破坏模式随配筋率增大由受弯破坏转变为受剪破坏,梁受剪承载力和刚度增大,但延性逐渐降低;配筋HS-ECC梁受弯承载力的计算结果与试验值吻合较好;HSECC梁有限元模型可有效模拟试件的荷载-位移曲线。