钢-配筋UHPC组合桥面结构弯曲受拉性能研究

摘要

铺装层频繁破损和钢结构易疲劳开裂是正交异性钢桥面(Orthotropic SteelDeck，OSD)结构最为常见的两大病害，提高桥面系局部刚度是一种有效的解决方案。得益于超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)材料优异的力学性能和耐久性能，旨在增强增韧OSD的钢-配筋UHPC组合桥面结构有望综合根治OSD桥面系的两大顽症。本文以钢-配筋UHPC组合桥面结构为研究对象，对UHPC材料的直接拉伸性能和拉伸本构关系、UHPC材料弯曲受拉性能和二次倒推分析法、配筋UHPC直接拉伸性能、配筋UHPC构件弯曲性能以及钢-配筋UHPC组合桥面结构静力弯曲性能等进行了理论分析与试验研究。论文的主要工作及创新点如下:
　　(1)获得了拉伸应变硬化和多缝开裂特性的UHPC材料，并提出了应变硬化UHPC材料的拉伸本构关系模型。基于UHPC材料的拉伸性能概述，分析UHPC材料直接拉伸性能的基本特征;总结归纳文献中UHPC材料拉伸性能试验方法，对直接拉伸试验的试件形状和加载装置进行系统分析和比较，提出适用可行的直接拉伸装置;以钢纤维形状和纤维掺量为可变参数正交设计直接拉伸试件，探索不同纤维掺量和形状对UHPC材料拉伸性能尤其是可视初裂应力及应变的影响;基于直接拉伸试验结果提出包含应力-应变关系和应力-裂缝宽度关系两部分的受拉本构关系模型。
　　(2)提出了可简易准确获取UHPC材料受拉应力-应变关系的二次倒推分析方法。在UHPC材料的弯曲拉伸性能中，重点探讨获取材料受拉应力-应变关系的间接测试方法;基于虚功原理分析剪切变形和曲率分布非线性对UHPC受弯构件跨中挠度的影响，由此提出考虑剪切变形和曲率分布非线性的二次逐点倒推分析方法;基于四点弯曲试验的荷载-跨中挠度曲线，采用二次倒推分析法求得两种不同浇注方式下UHPC材料的受拉应力-应变曲线;将二次倒推结果与直接拉伸试验结果进行对比，分析二次倒推分析方法获得UHPC材料受拉应力-应变曲线的有效性。
　　(3)研究了配筋UHPC的直接拉伸性能。基于纤维复合材料的纤维增强增韧机理，对钢筋增强增韧UHPC材料进行目标优势分析;针对组合桥面结构在复杂受力和环境条件下UHPC层高拉应力特点，进行UHPC材料配筋增强需求分析;以钢纤维掺量和配筋率为参数正交设计配筋UHPC直接拉伸试验，并分析配筋UHPC拉伸性能的影响因素;通过不同组合配筋形式对UHPC材料直接拉伸特性的分析，探讨普通钢筋替代UHPC材料中部分钢纤维的可行性;基于配筋UHPC的裂缝特性建立配筋UHPC的裂缝宽度计算公式。
　　(4)研究了配筋UHPC构件的弯曲拉伸性能。基于应变硬化UHPC材料的本构关系和UHPC构件受弯力学模型，分析配筋UHPC构件的弯曲受拉性能;设计配筋UHPC受弯构件并进行四点弯曲试验，然后根据试验结果探讨配筋UHPC结构的弯曲受拉特性;分析配筋UHPC梁弯拉裂缝特征并建立最大裂缝宽度计算公式。
　　(5)研究了钢-配筋UHPC组合桥面结构的静力弯拉性能。基于传统正交异性板弯曲微分方程及其经典解析解，分析降低OSD结构内力及变形的措施;根据钢-配筋UHPC组合桥面结构的组成特点，探讨影响其弯曲性能的主要因素;以UHPC层配筋率和钢梁高度为参数设计钢-配筋UHPC组合结构，分别进行纵向受弯和横向受弯静力试验;根据试验结果分析钢-配筋UHPC组合结构的静力弯曲受拉性能;基于配筋UHPC受弯构件裂缝宽度计算公式，提出适用于钢-配筋UHPC组合结构弯拉作用下UHPC层最大裂缝宽度的计算公式。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

首字母缩写词

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 钢桥面的两大技术难题

1．2．1 正交异性钢桥面两大难题的成因分析

1．2．2 正交异性钢桥面技术难题的常规解决方案

1．3 钢-配筋UHPC组合桥面结构

1．4 超高性能混凝土的研究现状

1．4．1 超高性能混凝土概述

1．4．2 超高性能混凝土的发展历程

1．4．3 超高性能混凝土力学性能及结构性能研究现状

1．4．4 超高性能混凝土在桥梁工程中的应用

1．4．5 钢-UHPC组合桥梁研究现状

1．5 钢-UHPC组合桥面结构弯曲拉伸性能研究现状

1．6 本文的研究内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 论文结构

1．6．3 研究内容

第2章 UHPC材料直接拉伸性能及拉伸本构关系

2．1 UHPC材料的组成

2．1．1 UHPC材料设计原则

2．1．2 UHPC材料主要组分

2．1．3 纤维特征参数

2．2 UHPC材料拉伸性能概述

2．2．1 应变硬化UHPC拉伸曲线

2．2．2 应变硬化UHPC受拉裂缝

2．2．3 UHPC材料拉伸应变硬化和多缝开裂的判别准则

2．3 UHPC材料直接拉伸试验

2．3．1 混凝土拉伸试验方法

2．3．2 UHPC材料制备

2．3．3 试件形状和试验装置

2．3．4 试验过程

2．3．5 试验结果

2．4 UHPC材料直接拉伸性能

2．4．1 弹性阶段和应变硬化阶段

2．4．2 应力软化阶段

2．5 UHPC材料拉伸本构关系

2．5．1 应力-应变关系

2．5．2 应力-裂缝宽度关系

2．6 本章小结

第3章 UHPC材料弯曲受拉特性及二次倒推分析法

3．1 UHPC材料弯曲受拉性能概述

3．1．1 UHPC材料弯曲拉伸性能与直接拉伸性能比较

3．1．2 UHPC材料弯曲拉伸性能试验方法

3．2 UHPC材料四点弯曲性能

3．2．1 荷载-挠度曲线特征点

3．2．2 挠度-曲率关系

3．2．3 挠度-曲率关系的影响因素分析

3．2．4 试件尺寸效应和UHPC材料受拉弹性模量

3．3 二次倒推分析法

3．3．1 倒推分析法概述

3．3．2 二次倒推分析法基本原理

3．4 UHPC材料四点弯曲试验

3．4．1 试验材料

3．4．2 试验设计

3．4．3 荷载-挠度曲线及特征值

3．4．4 UHPC材料弯曲裂缝特征

3．5 结果分析

3．5．1 二次倒推分析结果与直接拉伸试验结果的比较

3．5．2 二次倒推分析结果与其它逐点倒推分析法的比较

3．6 本章小结

第4章 配筋UHPC直接拉伸性能

4．1 UHPC材料配筋必要性及优势分析

4．1．1 UHPC材料自身性能优化

4．1．2 UHPC结构的配筋增强

4．2 配筋UHPC直接拉伸试验

4．2．1 试验设计

4．2．2 试件形状和试验装置

4．2．3 试验结果

4．3 配筋UHPC的直接拉伸性能

4．3．1 特征拉伸曲线

4．3．2 配筋UHPC特征拉伸曲线过程分析

4．3．3 配筋UHPC拉伸曲线特征值

4．4 配筋UHPC拉伸性能影响因素分析

4．4．1 不同配筋方式对配筋UHPC整体拉伸性能的影响

4．4．2 钢筋配筋率对UHPC应变硬化性能的影响

4．4．3 UHPC收缩徐变对配筋UHPC初裂的影响

4．4．4 临界配筋率对峰值荷载后拉伸特性的影响

4．5 配筋UHPC受拉裂缝特性

4．6 配筋UHPC受拉裂缝宽度计算公式

4．6．1 普通钢筋混凝土裂缝宽度计算理论

4．6．2 配筋UHPC受拉构件裂缝宽度计算理论

4．6．3 配筋UHPC受拉构件裂缝宽度计算

4．7 本章小结

第5章 配筋UHPC构件的弯曲性能

5．1 UHPC受弯构件的力学模型

5．1．1 UHPC受弯构件力学性能概述

5．1．2 模型基本假设

5．1．3 UHPC受弯构件的力学模型

5．2 配筋UHPC受弯构件的力学模型

5．2．1 配筋UHPC构件弯曲性能概述

5．2．2 配筋UHPC受弯构件力学模型

5．3 配筋UHPC构件的静力受弯试验

5．3．1 试验设计

5．3．2 加载方案与测点布置

5．3．3 试验结果

5．4 配筋UHPC构件弯曲裂缝特性

5．4．1 弯曲裂缝特征

5．4．2 配筋UHPC构件可视初裂特性

5．5 配筋UHPC受弯构件裂缝宽度计算公式

5．5．1 各国混凝土规范受弯构件裂缝宽度计算公式

5．5．2 配筋UHPC受弯构件裂缝宽度计算公式

5．6 本章小结

第6章 钢-配筋UHPC组合桥面结构静力弯曲性能

6．1 钢-配筋UHPC组合桥面结构

6．1．1 正交异性钢桥面板结构分析理论

6．1．2 钢-配筋UHPC组合桥面结构

6．2 钢-配筋UHPC组合桥面结构弯拉性能影响因素

6．2．1 纵向加劲肋间距

6．2．2 抗剪连接件间距

6．2．3 钢筋网间距

6．3 钢-配筋UHPC组合结构静力受弯试验

6．3．1 横向受弯试验

6．3．2 纵向受弯试验

6．4 钢-配筋UHPC组合结构静力弯曲拉伸性能

6．4．1 配筋UHPC层名义初裂强度分析

6．4．2 钢-配筋UHPC组合结构可视初裂荷载理论计算

6．5 钢-配筋UHPC组合结构弯拉裂缝宽度计算公式

6．5．1 钢筋应力计算

6．5．2 最大裂缝宽度计算公式

6．6 本章小结

结论与展望

1．本文结论

2．本文创新点

3．展望

参考文献

致谢

攻读学位期间论文、专利及科研情况