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.     

无筋超高性能混凝土板的受弯性能及承载力计算

为明确无筋超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete,UHPC）单向板和周边支承方板的受弯性能,分别对其进行了跨中局部荷载作用下受弯性能的破坏性试验. 基于本文及其他文献的试验结果,考虑钢纤维特征参数的影响,建立了UHPC材料的受拉本构. 通过数值分析,提出了无筋UHPC板截面受拉区等效均布应力折减系数k的计算公式. 根据试验和分析结果,建立了无筋UHPC单向板和周边支承方板抗弯承载能力的简化计算方法. 结果表明：无筋UHPC单向板和周边支承方板均发生由UHPC抗拉性能所控制的受拉破坏. 由于UHPC内钢纤维的增强作用,无筋UHPC板的抗弯承载能力和极限变形分别较相应的开裂荷载和开裂变形明显提高且表现出一定的延性破坏特征,但UHPC的受拉塑性尚不足以保证周边支承方板中完全塑性铰线机构的形成,塑性铰线法的上限解不适于预测周边支承方板的极限荷载,而静力法的下限解却能给出精度较高且偏于安全的预测结果;试验结果验证了所提无筋UHPC单向板和周边支承方板极限承载能力简化计算方法的适用性.     

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-UHPC轻型组合桥面板实桥试验研究

钢-UHPC轻型组合桥面板是一种由正交异性桥面与密集配筋的UHPC薄层通过剪力钉连接而成的新型桥面结构.为研究UHPC层对钢-UHPC轻型组合桥面结构性能的影响,以枫溪大桥为工程背景,研究正交异性钢桥面常见疲劳细节在铺设UHPC层前、后的应力幅变化.首先通过整体有限元模型确定测点位置以及加载范围,然后根据加载方案分别在铺设UHPC层前后采用三轴加载车进行低速加载试验,同时采集并整理正交异性钢桥面常见疲劳细节应力响应试验数据,最后建立了节段有限元模型并与实测结果进行对比分析.试验结果表明:铺设UHPC层后,常见疲劳细节应力响应均有明显降低,其中面板上的细节(纵肋-面板焊缝、面板对接焊缝、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝面板位置)应力幅降幅比例最大,高达75%～90%;其次为纵肋上疲劳细节(纵肋底部对接焊缝、纵肋-横隔板焊缝焊缝端部位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝纵肋位置)应力降幅约为65%～80%;最后为横隔板上疲劳细节(横隔板弧形切口、横隔板弧形切口起点位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝横隔板位置)应力降幅约为20%～50%.同时,随疲劳细节与顶面距离的减小,UHPC层对细节应力降幅的贡献明显增大.有限元模型结果与实测结果吻合较好,也得出了相似的规律.本文实测结果为推广钢-UHPC轻型组合桥面的应用提供了最直接的数据参考.     

短焊钉布置对超高性能混凝土组合桥面板抗弯性能影响

为考察短焊钉连接件布置对钢?超高性能混凝土（UHPC）组合桥面板抗弯性能的影响，进行了焊钉间距分别为200与300 mm的2种足尺节段桥面板试件弯曲荷载试验和基于UHPC塑性损伤模型的有限元参数化分析。试验结果表明：在部分组合桥面板中，焊钉间距由200 mm变为300 mm，UHPC开裂达0.05 mm宽时对应的荷载等级提升了12.5 %，主要贡献是钢?UHPC组合效应减弱。UHPC开裂达0.10 mm宽时的拉应变平均值为1 878×10^-6，占材料极限拉应变的59 %。参数化分析结果表明：焊钉间距由100 mm增大至400 mm导致组合桥面板弹性阶段抗弯刚度下降了14.1 %，但开裂荷载等级提升了84.2 %。短焊钉间距增大使部分组合桥面板结构受力趋向于更为经济，但需注意过大的焊钉间距会导致焊钉疲劳破坏。     

超高性能混凝土铺层提升钢桥面板疲劳性能试验研究

为明确超高性能混凝土（UHPC）铺层对钢桥面板疲劳性能的定量提升效果，考虑单轮和双轮两种加载模式，对正交异性钢桥面板典型的U肋?盖板?横隔板焊接节点在UHPC铺装前后的疲劳性能开展试验研究。首先基于静载试验得到焊接节点关键区域的热点应力分布，随后开展高周常幅疲劳试验，得到节点试件的疲劳裂纹萌生及扩展过程、疲劳破坏模式、刚度退化以及疲劳寿命等关键性能指标。结果表明：同等荷载作用下，钢?UHPC组合节点焊趾处热点应力值显著降低，最大降幅达58 %；与无UHPC铺层节点相比，钢?UHPC组合节点的疲劳裂纹数量减少，裂纹扩展速率和刚度退化速度得到了有效抑制，特征疲劳寿命也得到了大幅提高。国际焊接协会疲劳设计指南中的FAT 90、FAT100级S-N（应力幅?疲劳寿命）曲线可适用于UHPC铺装前后钢桥面板的疲劳寿命评估。     

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。     

超高性能混凝土铺装层对钢桥面板疲劳性能影响

目的以港珠澳大桥钢箱梁为例,在面板上增加一层超高性能混凝土形成钢-UHPC组合桥面板,分析超高性能混凝土层对钢桥面板各细节疲劳性能的影响.方法利用有限元软件ABAQUS建立带UHPC铺装层和不带铺装层的局部钢箱梁节段模型.结果对于加了UHPC铺装层的正交异性钢桥面板,纵肋与盖板连接处盖板纵向处的最不利细节横向位置及对应的最不利横向加载点均未发生变化;纵肋与盖板连接处纵肋纵向处、纵肋与横隔板连接处纵肋腹板处和纵肋与横隔板连接处横隔板腹板处的最不利细节横向位置未发生变化,但其对应的最不利横向加载点发生变化;横隔板腹板切口自由边和纵肋下缘对接焊缝处的最不利细节横向位置及对应的最不利横向加载位置均发生了变化.结论 UHPC层大幅度增加了钢桥面板的刚度,进而大大降低了各疲劳细节的应力幅水平,减少了各细节发生疲劳开裂的几率.     

BFRP网格-PCM薄面黏贴加固钢筋混凝土板抗弯性能

针对老旧桥梁桥面板出现结构损伤与材料老化,结合玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)网格与聚合物砂浆(PCM)提出一种新的加固技术以提升钢筋混凝土板的抗弯性能。首先,采用双剪试验研究BFRP网格与混凝土界面的黏结荷载,共制备18个试件,试验变量包括网格种类、网格厚度、PCM种类以及界面剂;其次,浇筑6块钢筋混凝土板,通过四点弯曲试验系统地分析网格种类、网格厚度、网格布置方式以及PCM种类对加固板抗弯性能的影响。研究结果表明:界面剂能有效提高BFRP网格与混凝土之间的黏结荷载;当BFRP网格与混凝土表面的黏结长度大于有效黏结长度时,BFRP网格强度利用率达到90%以上,黏结荷载高于相同情况下玄武岩纤维布/BFRP板与混凝土的黏结荷载;BFRP网格与PCM形成的薄面加固层能显著提高钢筋混凝土板的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载,同时减小最大裂缝宽度并改善裂缝分布;在整个加载过程中,BFRP网格-PCM薄面加固层与混凝土板协同变形,加固板最终发生混凝土压碎或FRP网格断裂破坏,并未出现剥离破坏;传统钢筋混凝土构件抗弯承载力计算方法适用于预测BFRP网格加固后板的抗弯承载力。     

预制拼装UHPC组合混凝土柱轴压性能试验研究

为改善装配式建筑连接区域的力学性能,将具有优异力学性能的超高性能混凝土(UHPC)用作连接区域的永久模板,与核心混凝土形成UHPC组合混凝土构件.为研究该新型预制拼装UHPC组合混凝土柱的轴压性能,开展了短柱轴压试验,考察预制UHPC板中纤维含量和预制UHPC板厚度对轴压性能的影响,分析了组合柱和普通钢筋混凝土柱的轴压承载力、延性和耗能等轴压性能指标的差异.结果表明：相比普通钢筋混凝土柱,组合柱的轴压承载力提高了57%～94%,耗能提高了一倍多;预制UHPC外壳中钢纤维含量为3%组合柱的轴压性能,比纤维含量为2%组合柱的轴压承载力、延性和耗能分别提高了23%、56%和114%,即预制UHPC板中纤维含量从2%提高到3%,显著改善了轴压性能.在试验分析的基础上,参照现行《混凝土结构加固设计规范》提出了该新型预制拼装UHPC组合柱的轴压承载力实用计算表达式,给出了UHPC抗压强度折减系数的建议取值.     

配筋UHPC板抗弯性能实验研究

开展8组共16个配筋UHPC板的四点弯曲实验,讨论配筋率、钢纤维掺量和板厚等对其破坏模式、开裂、极限荷载、荷载位移曲线等的影响,初步优化钢筋的配置方式、配筋率、钢纤维掺量等.结果表明,配筋UHPC表现出优越的抗裂性能;破坏过程为下层先弯拉开裂、钢筋屈服,随之钢纤维部分拔出,直至UHPC压碎,最终达到极限荷载;裂缝分布主要集中在纯弯段,板底部有1～3条明显主裂纹,最大主裂缝宽度均超过2 mm,呈现出适筋破坏现象;相比开裂荷载,配筋对极限荷载影响更大;受拉区钢筋单层和双层的设置形式对其抗弯承载力影响很小,而延性呈现不同的变化规律;钢纤维掺量在一定范围内增大有助于提高开裂荷载,能够缓解开裂后刚度的退化,但当钢纤维掺量超过4.5%后,出现半脆性破坏.     

轻型钢-UHPC组合桥面板的疲劳可靠性评估

为了研究轻型钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板的疲劳可靠性,以广东虎门大桥为实例,建立局部梁段有限元模型,基于可靠度理论和疲劳累积损伤模型,计算并对比钢-UHPC组合桥面板和沥青混凝土铺装桥面板易疲劳开裂细节的疲劳可靠度,并研究UHPC层厚度等参数对轻型组合桥面板疲劳使用寿命的影响。研究结果表明:与沥青混凝土铺装桥面板相比,轻型组合桥面板可有效提高桥面板各疲劳细节的疲劳可靠度,延长其疲劳使用寿命;UHPC层厚度、交通量增长率以及车辆超载对轻型组合桥面板疲劳细节的疲劳使用寿命均有显著影响:当UHPC层厚度在一定范围(35~55 mm)时,厚度每增加10 mm,疲劳使用寿命至少延长37%;当年交通量增长率为5%时,疲劳使用寿命缩短超过45%;当车辆超载率为50%时,疲劳使用寿命缩短约70%。     

UHPC华夫桥面单向板的荷载有效分布宽度及抗弯承载力计算方法

为了研究UHPC华夫桥面单向板的荷载有效分布宽度及其抗弯承载力的计算方法,采用ANSYS软件建立了41组华夫板有限元模型.通过数值分析研究了华夫桥面单向板横向跨径、纵横肋尺寸与布置、荷载作用面积及支承条件对其弹性和塑性阶段荷载有效分布宽度的影响.考虑横向跨径和横肋间距,拟合了华夫桥面单向板荷载有效分布宽度的计算公式.基...     

混杂网格增强超高性能混凝土双向板的弯曲性能

网格增强超高性能混凝土(ultra-highperformanceconcrete,UHPC)具有轻质、高强、耐久性好等特性,已应用于薄壁结构和工程加固领域,但单一网格很难实现高效的增强增韧效应．为研究混杂网格增强UHPC双向板的抗弯性能,对3个钢丝网格与玻璃纤维网格混杂增强UHPC板、3个钢丝网格与玄武岩纤维网格混杂增强UHPC板、6个单一网格增强UHPC板和1个无网格UHPC对照板进行弯曲试验,研究网格种类、总层数及铺层方式对其破坏形态、承载能力和弯曲韧性的影响．结果表明：与单一钢丝网格板和单一玻璃纤维网格板相比,钢-玻璃纤维网格混杂板开裂后表现更显著的硬化现象,在连续网格与混杂短纤维协同效应下,板呈现多裂缝破坏模式,延性较理想．铺设2层网格时,钢-玻璃纤维网格混杂板的承载能力较单一钢丝网格板提升23.7%,且其在20 mm挠度处的残余承载力较单一玻璃纤维网格板提升28.2%;钢-玄武岩纤维网格混杂板峰前阶段的能量吸收值和20 mm挠度处的残余承载力均优于单一玄武岩纤维网格板．网格总层数为3层时,与单一玄武岩纤维网格板相比,2层钢丝网格与1层玄武岩纤维网格混杂增强板在峰前挠度为2 ...     

寒冷地区桥面铺装层层间工作状态

为了研究寒冷地区桥面铺装结构在交通荷载和温度应力耦合作用下复杂的层间受力状态,探究层间受力与各因素的响应关系,定量计算不同工况对层间力学响应的影响权重,最终得到基于实际工况下桥面铺装层层间工作状态,达到指导桥面铺装层间的设计、施工及检测目的。以北方寒冷地区的典型桥面铺装结构建立力学分析模型,引入针对沥青混凝土桥面铺装力学分析的有限元软件BISAR3.0程序,计算分析桥面铺装层层间剪应力分布特征。选取桥面铺装层在实际工作中层间剪应力影响因素中的桥面铺装层厚度、模量、桥梁纵坡、桥梁圆曲线半径、气温、超载6个主要实际工况,以最不利荷载位置为计算点位,分析了不同工况下铺装层层间力学行为。采用主客观赋权法相结合的层次-变异系数法综合评价不同工况条件对桥面铺装层层间剪应力的影响程度,引入桥面层间组合工况评价指数I,建立基于实际工作环境下桥面铺装层层间组合工况分级标准,评价其层间工作状态。研究结果表明:桥面铺装层和桥面板层间承受很大应力,桥面铺装层层间最不利荷载位置位于力学计算模型(1.0δ,1.5δ,0.11m)处(δ为轮胎当量半径);6种实际工况对层间影响程度差异明显,温度对层间剪应力影响所占比例最大,约为36.56%,铺装层模量的影响最小,仅为5.53%;组合工况分级共分3个等级,将评价指数I在0~50划分为1级,代表层间组合工况较差,层间剪应力代表值为0.26 MPa;3级时评价指数I为80~100,代表层间组合工况良好。     

组合荷载作用下平板锚承载能力的数值预测

为预测组合荷载作用下平板锚的承载力,假设锚-土之间不脱离,在ABAQUS下建立了法向力、切向力和弯矩共同作用的平板锚运动变形数值模型。与极限理论解对比,证明了上述数值模型的正确,并利用其计算了法向力、切向力和弯矩组合荷载作用下板锚的极限承载力,利用Murff模型拟合了组合荷载作用下板锚的极限承载力包络面。结果表明,Murff模型能较好地拟合组合荷载作用下板锚的极限承载力包络面。     

UHPC矮肋桥面板抗弯性能研究

为研究UHPC矮肋桥面板的抗弯性能并验证其在多跨大跨连续梁中的适用性,以滨州黄河大桥为背景,提出两种UHPC矮肋板方案（平均板厚分别为16.4 cm和14.3 cm）.首先建立实桥有限元模型,得到实际荷载作用下桥面板UHPC应力和栓钉剪力.接着,进行足尺抗弯试验,获得矮肋板从加载至破坏的过程中裂缝萌生与发展特征、荷载-位移曲线和应变分布规律等.试验表明,底部钢板的设置可以有效限制UHPC裂缝的发展,在钢板屈服前裂缝宽度呈线性发展;两种方案开裂应力分别为16.8 MPa和15.6 MPa,经过实桥有限元计算得到两种桥面板方案的纵向受力安全系数分别为2.2和1.5;钢板屈服后主裂缝迅速出现,最终桥面板纵肋受拉裂缝快速发展,顶面出现受压裂缝,认为试件破坏;然后,考虑UHPC材料受拉贡献,结合UHPC规范对结构抗弯承载能力进行验算,结果表明,当采用截面非线性方法并使用材料实际性能参数时,可以预测UHPC矮肋板的极限弯矩,计算值和试验值的比值分别为0.95和1.01.最终,对结构关键设计参数进行分析,结果表明,UHPC抗拉强度对极限弯矩的影响较小,增加钢板厚度是提高其极限弯矩的有效途径,窄而高的纵向加劲肋具有更高的受力效率.     

UHPC铺装加固斜拉桥正交异性钢桥面板

针对正交异性钢桥面板存在的桥面铺装破损及钢桥面疲劳开裂这一系列问题,以长期被该病害困扰的天津海河大桥为研究对象,分析此类病害的分布特征及产生机理;根据病害形成的原因提出采用超高性能混凝土铺装层(UHPC)与钢桥面通过剪力钉形成组合结构的加固方法,并将该方法首次应用于大跨径斜拉桥的加固;基于有限元计算和加固前后实桥比对试验,对UHPC层及桥面板关键部位应力情况进行分析,并连续2年对加固后桥梁的状况进行监测。研究结果表明:桥梁病害产生的主要原因是自身刚度不足,在重载车辆的长期作用下出现疲劳开裂;采用UHPC铺装加固后,钢桥面转变成钢-UHPC组合桥面,可大幅度提高桥面板整体刚度,其受力状态得到明显改善,钢箱梁U肋、横隔板、顶板在标准车荷载下的应力分别降低52.7%、39.2%、28.3%,UHPC铺装加固能有效抑制疲劳裂缝的产生和发展,UHPC材料的抗拉强度能满足活载作用下最大拉应力的要求;在重载交通的运营状况下桥面铺装依旧完好,钢箱梁无新增裂缝。采用UHPC铺装加固正交异性钢桥面板在改善其受力状况方面具备优越性和技术可行性。     

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。     

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.