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原文传递钢-UHPC轻型组合桥面结构力学性能及裂缝宽度计算理论研究

论文题名：	钢-UHPC轻型组合桥面结构力学性能及裂缝宽度计算理论研究
关键词：	钢-UHPC轻型组合桥面结构;力学性能;裂缝宽度;计算模型
摘要：	钢-UHPC轻型组合桥面结构是由正交异性钢桥面板与配筋超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，简称UHPC）层通过较短的大头栓钉组合而成的新型桥面结构，为解决正交异性钢桥面板钢结构疲劳开裂以及沥青铺装层容易破损等难题提供了新的思路。钢-UHPC轻型组合桥面结构新颖，UHPC层较薄，栓钉和钢筋布置较密，保护层厚度较小，致使结构受力复杂，但目前在钢纤维类型、保护层厚度、栓钉间距、配筋率和UHPC层厚度等主要设计参数对钢-UHPC组合结构横向受弯和纵向受弯性能的影响方面研究较少，横向受弯疲劳性能缺乏研究，同时缺乏考虑钢-UHPC轻型组合桥面结构特点和主要设计参数影响的钢-UHPC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算理论。因此，本文开展了以下研究：　　（1）研究了纤维含量和类型对UHPC材料性能和钢-UHPC组合板受弯性能的影响。进行了包含两种纤维类型（直纤维、混杂纤维）和四种纤维含量（2%、2.5%、3%、3.5%）在内的八组材料性能试验，获得了纤维类型和纤维含量对抗压强度、弹性模量、抗折强度等基本材料性能的影响规律。在此基础上，进行8个不同混杂纤维类型（直线混杂纤维和端勾混杂纤维）的钢-UHPC组合板负弯矩受弯试验，从结构受力层面揭示了不同混杂纤维类型对钢-UHPC轻型组合桥面结构受弯性能的影响。　　（2）系统研究了主要设计参数对钢-UHPC轻型组合桥面结构横向受弯性能和纵向受弯性能的影响规律。综合考虑保护层厚度、配筋率、栓钉间距、UHPC层厚度四个主要设计参数进行了40个钢-UHPC组合板和8个钢-UHPC组合梁负弯矩受弯试验，系统研究主要设计参数对钢-UHPC轻型组合桥面结构横向受弯性能和纵向受弯性能的影响，得到了构件的失效模式、荷载-跨中位移曲线、应变响应、裂缝的产生扩展和分布特征、钢板与UHPC层之间的滑移、钢筋应力特征等结果。根据试验现象，提出了通过线弹性分析而不是复杂的非线性分析来获得钢-UHPC轻型组合桥面结构开裂应力计算方法。针对主要设计参数对开裂应力、极限承载力和平均裂缝间距的影响进行了讨论，得到了主要设计参数对其影响大小的敏感性排序。提出了钢-UHPC组合结构极限承载力计算理论，根据所提极限承载力计算方法得到的计算值和试验实测值吻合较好，可用于钢-UHPC轻型组合桥面结构的设计。　　（3）考虑钢-UHPC轻型组合结构的特点和主要设计参数的影响，提出了钢-UHPC轻型组合桥面结构纵向和横向钢筋应力计算理论，并将计算值与40个配筋钢-UHPC组合板和8个钢-UHPC组合梁的试验实测结果进行了对比，吻合较好，可用于钢-UHPC轻型组合桥面结构钢筋应力的计算。　　（4）提出了考虑主要设计参数影响下的钢-UHPC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算理论。首先基于中国的混凝土结构设计规范（GB50010-2010）、纤维混凝土结构技术规程(CECS38:2004)、欧洲模型规范（MC2010）中的裂缝宽度计算方法和配筋UHPC裂缝宽度计算方法对钢-UHPC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算的适用性进行了验证，结果表明，根据这些裂缝宽度计算方法得到的计算值和试验实测值差别较大，并对原因进行了分析。根据试验结果和钢-UHPC组合结构裂缝产生和发展的规律，在混凝土结构设计规范（GB50010-2010）的基础上，对平均裂缝间距、钢筋应变不均匀系数计算公式进行了修正，提出了考虑主要设计参数影响下的钢-UHPC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算模型，并对其适用性进行了验证，结果表明，本文所提的钢-UHPC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算方法能够较为准确的预测裂缝宽度并且保证率超过95%，可用于钢-UHPC轻型组合桥面结构的设计。　　（5）对钢-UHPC轻型组合桥面结构横向受弯疲劳性能进行了试验研究及技术的可行性进行评估。首先基于实际工程虎门大桥建立了局部有限元分析模型，得到设计荷载作用下UHPC层的最大拉应力和正交异性板常见疲劳细节的应力降幅。然后进行了钢-UHPC轻型组合桥面结构横向受弯疲劳试验，对其横向受弯疲劳性能进行研究。最后，结合试验结果，从静力性能和疲劳性能方面对钢-UHPC轻型组合桥面结构技术的可行性进行评估。结果表明，增加60mm厚UHPC层可以明显降低钢桥面主要疲劳细节的应力幅度，降幅为44.8%-90%，钢桥面疲劳开裂风险大幅降低。在设计应力幅下，钢-UHPC组合板构件在经历6612万次疲劳循环后，UHPC表面出现裂缝宽度为0.05mm的裂缝，远超1000万次无限疲劳寿命要求，且构件刚度基本未折减，表明钢-UHPC轻型组合桥面结构有较好的横向受弯疲劳性能。根据静力和疲劳试验结果，具有45-60mm厚UHPC层的钢-UHPC轻型组合桥面结构的力学性能完全可以满足工程需要，方案是可行的。
作者：	罗军
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	樊伟;邵旭东
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文