全预制钢-UHPC轻型组合桥梁设计方法研究

摘要

随着社会不断发展，相比传统桥梁建设方式，可实现快速施工的装配式桥梁结构更加适合现代桥梁工程建设。传统装配式桥梁主要包括装配式混凝土桥梁和部分预制的钢-混凝土组合桥梁，其中装配式混凝土桥梁结构简单、受力明确、造价低廉、架设方便，因此广泛应用在现代桥梁建设中，但因材料强度、耐久性较差，使用过程中极易出现梁体开裂、钢筋锈蚀等问题。传统钢-混凝土结构桥梁由下部的钢梁与上部的混凝土面板组合而成，承受正弯矩的梁体下部钢梁受拉，上部混凝土面板受压，结构受力更加合理，随着钢材价格逐步下调，近年来受到广泛关注。钢-混凝土组合桥梁与纯钢梁结构相比，其用钢量大幅降低;与混凝土桥梁相比，混凝土用量大幅减少，有效降低了结构自重和梁体高度，在净空要求较高的地区是十分优选的桥梁方案。　　因此，针对以上传统装配式混凝土桥梁的问题，结合传统钢-混凝土组合桥梁的优点，本文采用UHPC面板替代传统钢-混凝土组合桥梁中的普通混凝土面板，形成一种新型的全预制钢-UHPC轻型组合桥梁(Fully precast steel-UHPC lightweight composite bridge：SU-LWCB)，以便最大程度的降低由传统混凝土面板带来的病害问题，更加充分的发挥钢-混凝土组合梁桥的优势。SU-LWCB采用性能优异的UHPC面板替代传统普通混凝土面板，同时，UHPC面板与钢梁在工厂内整体预制，可极大程度的实现结构整体化。由于钢-UHPC组合梁单元自重轻，可轻松实现整体运输、整跨吊装，现场仅需浇筑接缝，并可采用现有的施工设备和施工工艺，施工期间对现场交通环境干扰小，施工效率高，十分适用于现代桥梁建设。　　对于预制桥梁结构而言，接缝部位是设计的重点与难点，同时也是预制桥梁结构的薄弱环节。传统处理方案通常会带来附加的设计、施工及耐久性问题，因此，本文同时提出了适用于SU-LWCB体系的梁、板间接缝体系。该接缝体系无需焊接，施工难度低，是一种方便、快捷、十分适用于现代装配式桥梁建设的接缝形式。本文基于SU-LWCB体系，主要开展了以下研究：　　(1)以4×25m全预制钢-UHPC轻型组合连续梁桥为例，展示了SU-LWCB体系的设计思路与计算方法，与相同跨径和技术标准的预应力混凝土小箱梁及常规钢-混凝土组合梁做对比，详述了SU-LWCB体系在技术、经济性能方面的优势。同时，提出适用于SU-LWCB体系的梁、板间接缝方案，并与传统接缝形式进行对比。最后，对有无配筋的UHPC结构收缩性能进行讨论，并与现有文献及规范中的收缩预测公式进行对比，得到适用于SU-LWCB体系UHPC面板的收缩预测模型;　　(2)对所提梁间接缝方案进一步优化，并对带有该接缝的SU-LWCB体系负弯矩区域进行大尺度模型试验，以探明该体系负弯矩区真实的力学性能。同时，对所提接缝方案进行了疲劳性能评估，提出了适用于SU-LWCB体系梁间接缝界面的最大裂缝宽度预测公式，考虑UHPC面板受拉刚化效应的挠度计算式，以及简化的负弯矩区承载能力计算方法;　　(3)基于过往文献，对正弯矩作用下钢－UHPC组合梁力学性能进行了理论分析和数值研究，提出了更加精确的极限抗弯承载能力修正塑性计算方法。同时，基于极限承载能力相等的原则，采用UHPC面板替代钢-混凝土组合梁混凝土面板，获得了二者截面等效高度，可供设计选用;　　(4)对先后浇注的UHPC试件进行了抗折和斜剪试验研究，分别得到基于内聚力模型的UHPC界面弯拉行为和压剪行为拟合参数。采用内聚力模型对先后浇筑的UHPC接缝界面进行模拟，结果表明该模型可以很好的拟合试验结果;　　(5)对SU-LWCB体系提出规范化设计建议，包括承载能力极限状态中的抗弯、抗剪承载能力，整体稳定计算及疲劳性能计算方法;介绍了正常使用极限状态中裂缝宽度和变形的计算方法;对该体系UHPC面板横向设计进行讨论，给出20~50m跨径时SU-LWCB初步设计建议。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本文方案

1.3 国内外研究概况及发展趋势

1.3.1 装配式桥梁结构发展现状

1.3.2 装配式主梁接缝研究概况

1.3.3 钢-UHPC 组合梁力学性能研究进展

1.3.4 先后浇筑 UHPC 接缝数值模拟研究现状

1.3.5 钢-UHPC 组合结构规范化研究进展

1.4 本文研究内容

第 2 章 全预制 SU-LWCB 方案可行性研究

2.1 本章概述

2.2 全预制 SU-LWCB 体系设计实例

2.2.1 背景工程介绍

2.2.2 技术经济性能分析

2.2.3 SU-LWCB 荷载效应分析

2.3 SU-LWCB 体系板间接缝模型试验

2.3.1 试验介绍

2.3.2 试验结果讨论

2.4 SU-LWCB 体系梁间接缝模型试验

2.4.1 接缝结构

2.4.2 试验介绍

2.4.3 试验结果及讨论

2.5 UHPC 材料及结构收缩性能分析

2.5.1 UHPC 面板收缩测试结果

2.5.2 无配筋 UHPC 材料的收缩讨论

2.5.3 配筋对 UHPC 结构收缩的影响

2.5.4 UHPC 结构收缩预测分析

2.6 本章小结

第 3 章 SU-LWCB 负弯矩区力学性能研究

3.1 本章概述

3.2 SU-LWCB 负弯矩区模型试验

3.3 试验结果

3.3.1 试件挠度发展

3.3.2 UHPC 面板裂缝开展

3.3.3 试件应变发展

3.3.4 钢梁与 UHPC 面板间的滑移

3.4 讨论

3.4.1 名义开裂应力

3.4.2 UHPC 接缝疲劳性能评估

3.4.3 特征截面弯矩-曲率分析

3.4.4 试件加载全过程分析

3.5 本章小结

第 4 章 SU-LWCB 正弯矩区力学性能研究

4.1 本章概述

4.2 试验介绍

4.3 试验结果讨论

4.3.1 极限抗弯承载能力修正塑性计算方法

4.3.2 考虑滑移效应的竖向挠度计算

4.4 数值模拟及参数分析

4.4.1 模型建立

4.4.2 计算结果校核

4.4.3 钢梁板件宽厚比对承载力影响分析

4.5 桥面板等效截面高度

4.6 本章小结

第 5 章 基于内聚力模型的 UHPC 接缝界面数值模拟研究

5.1 本章概述

5.2 内聚力模型介绍

5.3 材料性能及模拟参数

5.4 先后浇注的 UHPC 抗折试验研究及数值模拟

5.4.1 试验介绍

5.4.2 试验现象和试验结果

5.4.3 基于内聚力模型的 UHPC 界面弯拉行为模拟研究

5.4.4 讨论

5.5 先后浇注的 UHPC 斜剪试验研究及数值模拟

5.5.1 试验介绍

5.5.2 试验现象及试验结果

5.5.3 基于内聚力模型的 UHPC 界面压剪行为模拟研究

5.6 基于内聚力模型的 UHPC 接缝界面数值模拟

5.6.1 模型建立

5.6.2 有效性验证

5.7 本章小结

第 6 章 SU-LWCB 规范化设计建议

6.1 本章概述

6.2 设计原则及计算规定

6.3 承载能力极限状态

6.3.1 抗弯承载能力

6.3.2 抗剪承载能力

6.3.3 整体稳定性能

6.3.4 疲劳性能

6.4 正常使用极限状态

6.4.1 裂缝宽度验算

6.4.2 变形计算

6.5 施工流程及规定

6.6 SU-LWCB 体系截面设计

6.6.1 UHPC 面板及板内钢筋要求

6.6.2 UHPC 面板横向设计

6.6.3 20m~50m 跨径 SU-LWCB 截面初步设计

6.7 本章小结

结论与展望

1. 本文结论

2. 本文创新点

3. 不足与展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文