钢-UHPC连续组合梁受力性能试验研究

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针对传统组合梁负弯矩区易开裂和自重较大等问题,将高强高性能的UHPC(Ultra-High Performance Concrete)材料引入组合梁,提出了由钢主梁与UHPC华夫板结合形成的新型钢-UHPC连续组合梁结构,从而达到提高桥梁结构抗裂安全性、减轻结构自重、提高桥梁跨径和耐久性的目的,以期从根本上解决传统组合梁存在的上述难题。本文采用试验研究、数值模拟计算和理论分析相结合的方法研究钢-UHPC连续组合梁的受力性能,主要完成了以下工作:(1)开展了 2根大比例缩尺模型(包括1根钢-UHPC连续组合梁(SUCB)和1根预应力钢-混凝土连续组合梁(SCCB))的静载试验。试验结果表明:钢-UHPC连续组合梁的极限承载力约为普通组合梁的1.2倍;UHPC名义开裂强度大于20MPa,远大于普通混凝土;UHPC板开裂后,裂缝数量多、间距小、且多为长度较短的微裂纹;钢梁与混凝土板间的相对滑移整体较小,表明采用群钉连接件可以将二者有效结合成整体受力。(2)基于ABAQUS有限元软件建立了钢-UHPC连续组合梁非线性有限元模型,模型中同时考虑了材料非线性和几何非线性,且UHPC采用混凝土塑性损伤模型。采用该有限元模型对试验过程进行了数值模拟,有限元分析结果与试验结果吻合较为良好。(3)基于经过验证的有限元模型进行了参数分析,明确了主要设计参数对钢-UHPC连续组合梁承载能力的影响,考虑的参数包括:UHPC顶板厚度、UHPC板肋高、UHPC板配筋率、UHPC立方体抗压强度及轴心抗拉强度、钢梁腹板厚度、钢梁底板厚度、钢梁屈服强度。结果表明:钢梁屈服强度、腹板和底板厚度对提高钢-UHPC连续组合梁承载能力有重要作用;UHPC轴心抗拉强度、UHPC板顶板厚度和肋高可以在一定程度上提高钢-UHPC连续组合梁的承载能力;UHPC板配筋率对钢-UHPC连续组合梁的承载能力几乎无影响。(4)对三类现行规范所涉及的UHPC表面最大裂缝宽度计算公式进行了适应性分析,分析结果表明:欧洲规范MC 2010的计算精度相对较高;法国UHPFRC-2013规范公式偏于保守;而Leutbecher-Fehling模型公式的误差则较大。(5)考虑UHPC抗拉强度,基于塑性理论推导了钢-UHPC连续组合梁的截面抗弯承载能力计算公式;根据考虑UHPC抗拉强度后的调幅系数计算方法,得到了钢-UHPC连续组合梁刚塑性分析结果下的调幅需求和结构自身所能提供的转动能力,并与不考虑UHPC抗拉强度的钢-UHPC连续组合梁结果和传统组合梁计算结果进行了对比。结果表明:UHPC良好的抗拉性能对正、负弯矩区截面塑性抗弯承载力均有提高,但降低了负弯矩区塑性铰的转动能力和调幅需求。
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