混凝土性能的优劣不仅对结构服役性能有着重要的影响,而且对结构安全有着直接的影响。目前混凝土结构大多采用单层结构设计。大量工程实践表明,这种按单层设计的传统结构与现代混凝土桥梁结构服役性能的要求越来越高尚有较大差距。本文依托江西省青年科学家培养计划(项目编号:20142BCB23012)和江西省交通运输厅重大工程科技项目(项目编号:2016C0008),根据功能/结构一体化设计理念,提出在研发出一种综合性能优良且制备工艺简单的超高韧性混凝土(Ultra-high Toughness Concrete,UTC)基础上,将普通混凝土和超高韧性混凝土分别浇注在组合结构上下部分区域内,形成下半部分为超高韧性混凝土增韧功能层且与普通混凝土共同抗压的功能梯度组合结构。主要工作及研究成果如下:(1)引入功能梯度材料的概念,提出对混凝土单层结构进行优化,即针对不同部位对材料使用性能的不同要求,以及不同部位对结构受力性能的不同要求,将超高韧性混凝土应用于关键部位的薄弱层,进而建立UTC功能梯度组合结构设计理念,制订了UTC功能梯度组合结构设计原则和制备方法。(2)基于最大紧密堆积及纤维增强增韧理论,采用常规制备工艺和常温养护方法,研发出了一种具有超高力学性能、超高韧性的新型超高韧性混凝土。试验结果表明:本新型UTC物理力学性能优良,28天抗压、抗折、抗劈裂强度分别达到130MPa、30MPa、10MPa。与C50普通混凝土和钢纤维增强混凝土相比,UTC抗冲击性能、抗弯韧性分别提高了2.6倍和3倍以上。(3)通过设计不同UTC功能层厚度的组合梁四点弯曲试验,研究了UTC功能梯度组合梁抗弯韧性随UTC层厚度变化的规律。试验结果表明:UTC功能梯度组合梁的抗弯承载力随着UTC层厚度的增加而增加。当厚度从0.16h增加到0.5h时,极限承载力增加了50%,达到450kN。功能梯度组合梁的弯曲韧性随着厚度的增加而增加,UTC层相对厚度从0.167增加到1,弯曲韧性增加36.5%,其韧性指数达到15.8MPa。考虑UTC层厚度对裂缝开展以及梁的整体抗弯性能影响,并结合工程经济成本,UTC功能梯度组合结构设计中UTC最佳厚度0.4h≤h≤0.2hf。(4)探讨了UTC功能梯度组合结构在先简支后连续梁桥墩顶湿接头修筑中的工程应用。工程实践表明超高韧性混凝土功能梯度组合结构界面粘接性能良好,具有重大的实用价值和良好的经济效益。