用UHPC加固重度疲劳开裂钢桥面时界面抗剪性能研究

摘要

针对既有钢桥面重度疲劳开裂的现状，本文对常规钢-UHPC轻型组合桥面结构加以改进，采用钢板条对UHPC底面抗拉性能进行针对性强化，从而抑制钢面板继续疲劳开裂。栓钉作为抗剪连接件抵抗界面滑移，同时由于钢板条通过有机胶黏贴于开裂钢板上，使得界面抗剪性能更加复杂。本文为深入研究UHPC加固重度开裂钢桥面时界面静力和疲劳抗剪性能，主要完成了以下工作：　　(1)为研究UHPC中栓钉的静力性能和胶黏钢板条对栓钉抗剪性能的影响，进行了15个静力推出试验，试验参数包括短栓钉直径、界面处理、加载方式等。根据试验受力模式，提出了一种三维精细有限元分析模型，利用ABAQUS显式分析方法，探讨了焊缝形式、短栓钉直径、短栓钉高度、UHPC强度等参数对UHPC中短栓钉抗剪性能的影响。试验及分析结果表明：增大栓钉直径可显著提高短栓钉抗剪承载力和抗剪刚度；界面粘结可提高短栓钉初期抗剪刚度，对抗剪承载力基本无影响；加载方式(单调加载和循环加载)、短栓钉高度和UHPC强度对短栓钉抗剪性能影响较小；有限元中模拟焊缝(弹性焊缝和塑性焊缝)较不模拟焊缝时短栓钉抗剪承载力提高93%和48%；所有试件最大滑移均不超过4mm，设计时可按照弹性连接件进行设计。　　(2)结合试验数据和有限元分析结果，提出了考虑焊缝贡献的抗剪承载力计算公式，同时收集的国内外共68组相关试验数据与本文提出的UHPC中栓钉抗剪承载力计算公式理论值进行对比，本文的计算公式有着更高的精度和适用性；提出了考虑栓钉直径的荷载-滑移全曲线预测公式，与相关研究提出的曲线公式对比，本文公式吻合度更高；最后本文建议取荷载-滑移曲线上0.3Pu和0.4Pu的割线刚度平均值作为UHPC中栓钉的抗剪刚度。　　(3)利用疲劳推出试验，研究了黏贴钢板条时UHPC中栓钉的疲劳抗剪性能的影响。结果表明：推出试件在108.4MPa名义抗剪应力幅下循环加载至336万次后疲劳破坏；在前50万次的循环加载下，试件的抗剪刚度下降较快，这是由于界面粘结失效导致的。随后进入稳定扩展阶段直至发生疲劳破坏。破坏模式栓钉剪断和钢板剪切两种模式的叠加，而UHPC板基本无明显损伤。最后以宜昌公路长江大桥为工程背景，采用ABAQUS软件建立带裂缝的壳-实体多尺度有限元模型进行栓钉静力和疲劳验算，计算结果表明，静力和疲劳性能均满足设计要求。

目录

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第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.2.1 钢桥面疲劳开裂机理

1.2.2 钢桥面局部修复技术

1.2.3 钢桥面整体加固技术

1.3 钢面板疲劳裂纹免修复的 UHPC 加固新技术的提出

1.4 UHPC 中栓钉静力与疲劳抗剪性能研究现状

1.4.1 静力性能

1.4.2 疲劳性能

1.5 栓钉抗剪有限元模拟

1.6 本文主要研究内容

1.7 技术路线

第 2 章 界面抗剪性能静力试验研究

2.1 本章研究概况

2.2 试验设计

2.3 试件制作

2.4 材料参数

2.5 试验加载及测试

2.6 试验结果

2.6.1 试件破坏模态

2.6.2 实测荷载-滑移曲线

2.6.3 抗剪承载力对比

2.6.4 抗剪刚度对比

2.6.5 实测钢面板应变

2.7 本章小结

第 3 章 推出试验有限元仿真计算

3.1 本章研究概况

3.2 ABAQUS 分析方法

3.3 有限元建模

3.3.1 模型建立与单元选择

3.3.2 边界条件和接触模拟

3.3.3 加载速率

3.3.4 材料本构关系

3.4 有限元计算结果与分析

3.4.1 系统能量输出

3.4.2 荷载-滑移曲线

3.4.3 试件损伤与破坏全过程

3.5 参数分析

3.6 本章小结

第 4 章 界面抗剪理论分析

4.1 荷载-滑移曲线分析

4.2 抗剪承载力分析

4.3 抗剪刚度分析

4.4 延性与变形

4.5 本章小结

第 5 章 界面抗剪疲劳验算

5.1 疲劳加载与测试方案

5.2 试验结果与分析

5.2.1 破坏模式

5.2.2 疲劳寿命分析

5.2.3 不同疲劳循环加载后静力性能

5.2.4 栓钉背侧钢应变

5.3 UHPC 加固重度开裂钢桥面结构短栓钉静力和疲劳验算

5.3.1 工程概况

5.3.2 建模方法验证

5.3.3 局部计算模型

5.3.3 荷载工况

5.3.4 计算结果与讨论

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录