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原文传递基于高延性ECC材料的桥面连续优化设计及力学性能研究

论文题名：	基于高延性ECC材料的桥面连续优化设计及力学性能研究
关键词：	公路桥梁;桥面连续设计;力学性能;水泥基复合材料
摘要：	桥梁工程在高速公路建设中具有举足轻重的地位，由于交通运输压力与日俱增，传统桥梁伸缩缝往往面临诸多病害，影响了公路桥梁的正常运营及社会效益。因此，无伸缩缝桥梁的研究及应用逐渐兴起，其中桥面连续简支梁桥由于其受力明确、经济合理等特点在中小跨径桥梁中得到广泛应用。然而，传统桥面连续基于混凝土材料进行设计，其脆性特征常使得结构表面发生剥落、开裂，导致有害物质侵入，引发钢筋腐蚀，危害了桥梁整体的安全。ECC材料具有高延性、裂缝细微及耐久性优越等特点，将其应用于桥面连续可改善结构工作性能，解决固有耐久性问题。本文从材料设计及其基本性能、ECC与既有混凝土界面黏结性能、ECC桥面连续结构受力性能3个方面出发，开展了试验和有限元研究，并基于此提出相关优化设计建议。本文主要研究内容如下：　　（1）进行了适用于桥面连续的ECC材料配合比设计。通过12组配合比设计试验，阐明粉煤灰掺量、纤维掺量、砂胶比及水胶比对材料力学性能的影响，确定了基准配合比。针对降低ECC收缩变形的目标，进一步分析了膨胀剂的加入对ECC力学性能及自由收缩性能的影响规律。通过调整膨胀剂掺量，最终得到的优化配合比为：粉煤灰掺量60%，砂胶比0.3，水胶比0.26，膨胀剂掺量3%，国产PVA纤维掺量2%，其28d立方体抗压强度平均值为40.2MPa，抗拉强度为6.06MPa，极限拉应变为3.19%，90d收缩值为525με。　　（2）研究了最优配合比下ECC材料的基本性能。对其单轴压缩性能、薄板四点弯曲性能、抗氯离子渗透性能及抗冻性能进行试验研究。结果表明，该配合比下ECC具有良好的压缩韧性，在弯曲荷载下表现出应变强化特征；抗氯离子渗透性能大幅优于普通混凝土，抗冻耐久性指数可达62.1%。　　（3）探究了ECC与既有混凝土界面黏结性能。界面劈裂抗拉性能试验及界面抗剪性能试验结果表明，ECC与既有混凝土界面黏结性能较新老混凝土有所提升；提高界面粗糙度、涂刷水泥净浆或膨胀水泥净浆可提高界面劈裂抗拉强度；涂刷界面剂、设置界面抗剪钢筋对界面抗剪性能有提升作用，增加钢筋数量有利于提高荷载-滑移曲线平台段荷载值，控制界面裂缝宽度。　　（4）研究了ECC桥面连续结构受力性能。首先，基于ABAQUS有限元软件，建立了实桥模型，分析了车道荷载、温度变化、正负温度梯度及车道荷载与降温共同作用工况下ECC桥面连续的变形及受力特征，结果显示：ECC桥面连续结构仅在车道荷载、降温工况及两者共同作用下出现塑性区域，且最大拉应变小于极限值；其次建立了桥面连续局部模型，探究了车道荷载作用下桥面连续结构与主梁间界面连接情况，分析了疲劳荷载下桥面连续的工作性能，结果显示：有必要设置锚固区界面钢筋，确保桥面连续与主梁紧密相连。疲劳荷载下ECC桥面连续最大拉应力及拉应变未达极限值，仍保持良好的工作性能。通过参数分析研究了主要设计参数对桥面连续结构力学性能的影响。　　（5）针对ECC桥面连续结构的优化设计，提出建议如下：建议适量加入膨胀剂，降低ECC收缩变形，并在实际工程中加强养护措施，防止水分流失；建议在浇筑前对界面进行处理，并设置界面钢筋；建议桥面连续无黏结区长度取桥梁跨径的3.75%-5%，配筋率为1%-1.2%，厚度与铺装层相同或略高于铺装层。
作者：	钱臻旭
专业：	土木工程;防灾减灾工程及防护工程
导师：	潘金龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021