钢-超高性能混凝土轻型组合桥面结构受弯性能研究

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钢-UHPC轻型组合桥面结构是指将内置纵横向钢筋网的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)层通过短栓钉与钢面板连接而成的组合结构,能够有效解决传统正交异性钢桥面的疲劳开裂和沥青铺装层破损两大难题。本文基于ABAQUS有限元软件,研究UHPC层厚度、U肋厚度、栓钉间距、配筋率等关键设计参数对钢-UHPC组合结构纵、横向受弯性能的影响规律,推导钢-UHPC组合梁开裂荷载和极限承载力的计算公式。主要研究内容和取得的结论如下:(1)建立钢-UHPC组合板的非线性有限元模型,分别研究UHPC层厚度、栓钉间距、纵筋配筋率、保护层厚度4个关键设计参数对钢-UHPC轻型组合桥面结构横向受弯性能的影响规律。结果表明,增大UHPC层厚度可以显著提高构件从弹性阶段到裂缝扩展阶段的刚度和极限承载力,但对开裂应力基本无影响,同时组合板延性有减小趋势;减小栓钉间距能够提高UHPC层与钢面板之间的组合效应,有效降低两者之间的滑移值,并且剪弯段栓钉发挥的作用远大于纯弯段栓钉;钢筋对组合板受力初期的弹性阶段基本无影响,增加纵筋配筋率、减小保护层厚度均能提高构件开裂应力和极限承载力。(2)通过正交试验法建立16个钢-UHPC组合板非线性有限元模型,进行受弯性能的综合影响分析,得到UHPC层厚度、栓钉间距、纵向钢筋数量、保护层厚度4个关键设计参数对组合板临界滑移荷载的敏感性排序:UHPC层厚度>栓钉间距>纵向钢筋数量>保护层厚度;对屈服荷载与弹性极限荷载差值(裂缝扩展阶段)的敏感性排序:UHPC层厚度>纵向钢筋数量>保护层厚度>栓钉间距;对极限承载力的敏感性排序:UHPC层厚度>纵向钢筋数量≈保护层厚度>栓钉间距。(3)建立钢-UHPC组合梁的非线性有限元模型,分别研究U肋厚度、UHPC层厚度、钢面板厚度、纵筋配筋率、保护层厚度5个关键设计参数对钢-UHPC轻型组合桥面结构纵向受弯性能的影响规律。结果表明,增大U肋厚度可以显著提高构件从弹性阶段到裂缝扩展阶段的刚度和极限承载力,组合梁的延性也更优;增加UHPC层厚度对组合梁受力性能的改善有一定效果;对U肋厚度较小(本文研究在6mm~10mm之间)且构件表现为U肋屈服破坏的组合梁,增加钢面板厚度对极限承载力基本没有影响,仅小范围提高构件在裂缝扩展阶段的刚度;钢筋在组合梁中发挥的作用很小,因此变化纵筋配筋率和保护层厚度对组合梁受力性能的影响极小。(4)推导给出了钢-UHPC组合梁开裂荷载和极限承载力的计算公式,理论计算值与试验值和有限元结果吻合较好,误差基本都在10%以内,可以为钢-UHPC轻型组合桥面结构的工程设计提供参考。
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