【摘 要】
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超高韧性混凝土(UHTCC)所具备的稳态开裂、拉伸应变硬化、裂缝自愈合等特性,适合用作正交异性钢桥面板的铺装层,钢-UHTCC韧性组合桥面板拥有广阔应用前景。在正交异性桥面板体系中,横桥向应力起重要作用,而钢-UHTCC韧性组合桥的相关研究较少,有必要对其横向受力性能进行综合分析。基于此,本文从理论分析、结构试验和数值模拟三个方面入手,主要工作和结论如下:(1)采用简化平面框架体系模型,对钢桥面板
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No.51978607);
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超高韧性混凝土(UHTCC)所具备的稳态开裂、拉伸应变硬化、裂缝自愈合等特性,适合用作正交异性钢桥面板的铺装层,钢-UHTCC韧性组合桥面板拥有广阔应用前景。在正交异性桥面板体系中,横桥向应力起重要作用,而钢-UHTCC韧性组合桥的相关研究较少,有必要对其横向受力性能进行综合分析。基于此,本文从理论分析、结构试验和数值模拟三个方面入手,主要工作和结论如下:(1)采用简化平面框架体系模型,对钢桥面板和纵肋交界处的最大横向弯矩解析表达式进行了理论推导,利用有限元模型验证了算法的正确性。本文所提出的组合桥横向受力简化计算法能够快速准确实现轮载作用下带一字肋桥面板横向弯矩及应力的计算,相比有限元结果,使用简化计算的方法所得横向应力略大,更偏保守。从理论层面分析,组合桥面板相对于纯钢桥面板横向应力的降低,原因在于相同荷载作用下,UHTCC层的存在增大了原钢桥面的纵肋底部弹性支撑刚度和顶板横向抗弯刚度,其中在与纵向加劲肋连接处的桥面板拉应力降低幅度最大。(2)对正弯矩作用下含不同截面形式纵向加劲肋的钢-UHTCC韧性组合桥面板横向受弯性能进行了试验和数值研究。结果显示试件在正弯矩作用下表现出良好的延性和界面抗滑移能力。组合结构试件的荷载挠度曲线基本分为三个阶段:弹性阶段、非线性阶段和屈服阶段。试件跨中中央钢面板与UHTCC层连接良好,存在端部脱离现象,界面滑移导致钢结构与UHTCC层的荷载重新分配,使得纵向钢筋、加劲肋分担的荷载随着滑移量的增加而不断增大。带有不同截面形式纵向加劲肋的钢-UHTCC韧性组合桥承载力和延性有明显差异。当U肋作为纵向加劲肋时,与板肋相比,桥面的局部变形更小,横向抗弯极限强度更高,结构整体延性更好。(3)建立了钢-UHTCC韧性组合桥面局部横向受力有限元模型,针对栓钉和钢筋数量、UHTCC层厚度、纵向加劲肋形式进行了参数分析。相比于传统正交异性钢桥面板,在超重荷载工况下新体系桥面板控制点的横向应力峰值降低50%以上,满足正常使用要求;增大纵向栓钉间距会导致桥面板控制点的横向应力峰值增加;UHTCC结构层厚度能显著降低桥面板控制点的横向应力峰值,但附加单位UHTCC材料的性价比下降;同等纵肋间距下带U形肋的韧性组合桥横向受力性能明显优于带一字肋的韧性组合桥,对后者的一字肋进行适当加密,其横向受力性能与原桥纵肋间距相同的带U形肋韧性组合桥相似。(4)建立了钢-UHTCC韧性组合箱型桥节段模型,分析了铺装层材料、加劲肋各参数对新型桥面结构整体受力性能的影响。应用UHTCC作为桥面铺装层,使得钢桥面板和加劲肋的应力水平降低,正交异性桥面的整体刚度提高,桥面竖向变形降低;UHTCC相比混凝土作铺装层,桥面板横向应力极值相差不大,但UHTCC铺装层拉应力更低,钢-UHTCC组合桥面结构具备更好的抗裂性能;U肋厚度取6、8、10mm时,钢结构部分构造细节的应力水平随着U肋厚度的增大而降低,8mm和10mm时的桥面板、加劲肋最大应力变幅较小,U形肋厚度取8mm性价比较高。
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