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为提高钢-混组合梁桥负弯矩区桥面板的抗裂性、简化现场施工工艺,提出了钢-混组合梁桥负弯矩区新型UHPC(Ultra-High Performance Concrete)湿接缝方案。相较于微膨胀纤维C50混凝土(简称“NC”)湿接缝方案,UHPC湿接缝方案的经济性相当,耐久性好,同时现场焊接量减少36.5%,施工便捷,有望解决组合梁桥负弯矩区混凝土易开裂的难题,实现快速化施工。
本文以湖南省某桥为工程背景,通过有限元整体计算得到湿接缝关键截面的设计拉应力。在此基础上,为研究新型钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC湿接缝结构的抗弯性能,本文主要从以下几个方面开展工作:
(1)按照关键截面应力等效原则进行1∶2缩尺模型负弯矩加载试验,探明新型组合梁桥负弯矩区UHPC接缝的抗裂性能与抗弯承载能力是否满足设计要求,并进行了理论计算。结果表明:新型钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC接缝结构的抗裂性能和抗弯承载能力均满足工程要求,可以做到接缝节点强度高于非接缝区预制部分强度。负弯矩作用下,试件各截面沿梁高的应变较好地满足平截面假定,钢梁与混凝土板及UHPC与NC的层间滑移量均较小,最终破坏为非接缝区钢梁下翼缘屈曲破坏。
(2)为计算组合梁截面开裂前后的刚度折减,编制了截面弯矩-曲率关系Matlab程序。负弯矩区桥面板为UHPC-NC复合截面的裂后截面刚度折减率为38%,低于NC截面的59%,内力重分布后连续组合梁桥跨中正弯矩增幅及支点负弯矩降幅前者均较小。基于截面弯矩-曲率程序,对现有NC裂缝宽度规范公式进行修正,提出了考虑UHPC约束作用的组合梁负弯矩区NC最大裂缝宽度建议公式。
(3)针对应用了本文提出的UHPC湿接缝的依托工程进行实桥荷载试验,试验结果表明:桥面板、钢梁、钢筋应力及截面挠度值随加载级数的增长而逐渐增大。各超载工况下,桥面板未出现裂缝,且钢梁、钢筋应力及跨中挠度均有较大的安全储备。相同工况下,离加载车辆中心线越近,不同单梁相同截面的桥面板、钢梁及钢筋应力越大。
(4)对实桥混凝土的收缩数据进行了分析,研究结果表明:实桥UHPC及对比UHPC平板的胀缩变化规律总体相似,分为三阶段:膨胀——膨胀与收缩相互平衡——收缩并达到稳定,且收缩作用下钢筋与UHPC未产生滑移。层内钢筋及下层NC对UHPC的收缩起到约束作用,离NC越近收缩越小,180d时,各测点与膨胀峰值相比,纵桥向、横桥向收缩量约为无钢筋UHPC对比平板的66%、41%,“T”型接缝表现出阻滞收缩的优点。收缩趋于稳定时交界面处收缩应变最大,表明该截面为UHPC接缝结构的薄弱截面,设计时应重点关注。浇筑上层UHPC在一定时间内会导致微膨胀NC产生附加拉应变,但对微膨胀NC长期胀缩的发展未有影响。
(5)基于Abaqus对模型试验及实桥试验进行了仿真分析,并验证了有限元建模方法的正确性。参数分析表明:接缝NC横梁的纵桥向长度可为0.35m;UHPC层的纵桥向长度宜为0.2倍标准跨径;UHPC层厚度可根据实际工程设计要求确定;增大桥面板内钢筋直径可以提高负弯矩区混凝土的抗裂性能。
本文以湖南省某桥为工程背景,通过有限元整体计算得到湿接缝关键截面的设计拉应力。在此基础上,为研究新型钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC湿接缝结构的抗弯性能,本文主要从以下几个方面开展工作:
(1)按照关键截面应力等效原则进行1∶2缩尺模型负弯矩加载试验,探明新型组合梁桥负弯矩区UHPC接缝的抗裂性能与抗弯承载能力是否满足设计要求,并进行了理论计算。结果表明:新型钢-混组合梁桥负弯矩区UHPC接缝结构的抗裂性能和抗弯承载能力均满足工程要求,可以做到接缝节点强度高于非接缝区预制部分强度。负弯矩作用下,试件各截面沿梁高的应变较好地满足平截面假定,钢梁与混凝土板及UHPC与NC的层间滑移量均较小,最终破坏为非接缝区钢梁下翼缘屈曲破坏。
(2)为计算组合梁截面开裂前后的刚度折减,编制了截面弯矩-曲率关系Matlab程序。负弯矩区桥面板为UHPC-NC复合截面的裂后截面刚度折减率为38%,低于NC截面的59%,内力重分布后连续组合梁桥跨中正弯矩增幅及支点负弯矩降幅前者均较小。基于截面弯矩-曲率程序,对现有NC裂缝宽度规范公式进行修正,提出了考虑UHPC约束作用的组合梁负弯矩区NC最大裂缝宽度建议公式。
(3)针对应用了本文提出的UHPC湿接缝的依托工程进行实桥荷载试验,试验结果表明:桥面板、钢梁、钢筋应力及截面挠度值随加载级数的增长而逐渐增大。各超载工况下,桥面板未出现裂缝,且钢梁、钢筋应力及跨中挠度均有较大的安全储备。相同工况下,离加载车辆中心线越近,不同单梁相同截面的桥面板、钢梁及钢筋应力越大。
(4)对实桥混凝土的收缩数据进行了分析,研究结果表明:实桥UHPC及对比UHPC平板的胀缩变化规律总体相似,分为三阶段:膨胀——膨胀与收缩相互平衡——收缩并达到稳定,且收缩作用下钢筋与UHPC未产生滑移。层内钢筋及下层NC对UHPC的收缩起到约束作用,离NC越近收缩越小,180d时,各测点与膨胀峰值相比,纵桥向、横桥向收缩量约为无钢筋UHPC对比平板的66%、41%,“T”型接缝表现出阻滞收缩的优点。收缩趋于稳定时交界面处收缩应变最大,表明该截面为UHPC接缝结构的薄弱截面,设计时应重点关注。浇筑上层UHPC在一定时间内会导致微膨胀NC产生附加拉应变,但对微膨胀NC长期胀缩的发展未有影响。
(5)基于Abaqus对模型试验及实桥试验进行了仿真分析,并验证了有限元建模方法的正确性。参数分析表明:接缝NC横梁的纵桥向长度可为0.35m;UHPC层的纵桥向长度宜为0.2倍标准跨径;UHPC层厚度可根据实际工程设计要求确定;增大桥面板内钢筋直径可以提高负弯矩区混凝土的抗裂性能。