波形顶板—UHPC组合桥面板正弯矩作用下的受力性能研究

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“波形钢板—组合销—高性能混凝土组合桥面板”结构体系作为传统正交异性钢桥面板的一种创新,可进一步减少几何不平顺处的焊缝数量,从源头上降低传统正交异性钢桥面板发生疲劳开裂的风险。采用弯曲起伏的波形钢板代替传统的顶板—U肋焊接结构,从而取消顶板与纵肋焊缝疲劳细节,彻底消除该部位的疲劳问题;波形钢板顶部设置超高性能混凝土UHPC结构层,两者同时受力,确保结构的承载能力以及桥面板刚度;引入抗剪性能优异的组合销作为连接件保证两者协同受力。目前关于该新型组合桥面板的研究有待进一步深入,本文基于笔者团队已开展的相关试验,对于该新型桥面板正弯矩作用下的受力特性开展了研究分析,主要的工作和结论如下:(1)建立波形顶板—组合销—UHPC组合桥面三维有限元模型,将其计算结果与试验数据进行对比验证,吻合良好。进一步基于有限元分析确定了组合板从整体结构到局部构件在弯矩作用过程中的应力变化、应变分布、裂缝发展以及UHPC的损伤演化状态;(2)通过将组合销简化为弹簧,建立了有限元弹簧模型,一定程度上提高了计算效率。弹簧模型计算结果与试验吻合良好,在此基础上,分析了组合板正弯矩承载力的影响因素。不同剪跨下的组合板都表现出了高承载力、小滑移的特点,即使剪跨较小,纵向剪力较大时,跨中截面的弯曲破坏依然是结构的控制部位,进一步表明了组合销优异的抗剪承载力。增加UHPC层的厚度能改善结构截面刚度提高承载力,同时也使界面滑移增大,并且加大了跨中翼缘位置局部界面脱空的风险。钢板波谷深度的增加能够显著改善结构受力,提高桥面板的受力性能,同时也会增大UHPC以及钢板用量,大幅度增加结构自重。组合销的连续布置是组合板发挥良好力学性能的关键,当连接件减少,界面滑移不能有效约束,组合板的受力性能就会被明显削弱。钢筋网的设置对于组合板的承载力、整体刚度以及界面滑移影响不大;(3)根据组合板的试验和计算结果,对波形顶板—UHPC组合桥面板进行承载能力的理论分析,分别就弹性阶段的挠度、开裂弯矩、极限承载力的计算给出实用的计算公式。以上研究结果可为波形顶板—UHPC组合桥面板的工程应用和进一步研究提供参考。
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