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原文传递负弯矩区钢-超薄UHPC组合桥面板抗弯性能研究

论文题名：	负弯矩区钢-超薄UHPC组合桥面板抗弯性能研究
关键词：	正交异性钢箱梁桥;钢-超高性能混凝土组合桥面板;抗弯性能;开裂荷载
摘要：	正交异性钢箱梁桥的广泛应用得益于正交异性钢箱梁优异的力学特性，但其桥面板一直存在疲劳开裂问题。为了满足桥面板的翻修和加固需求，湖南大学邵旭东团队提出了钢-超薄UHPC组合桥面板，简称超薄体系。超薄体系的纵筋保护层厚度为15mm，由钢板与薄层UHPC通过超短剪力钉连接而成，其工程可行性已得到有关研究的证明。相较于传统的钢-混组合体系，超薄体系的整体受力性能更加优异，能够明显降低拉应力幅度，有效解决负弯矩区混凝土的疲劳开裂问题，是桥梁翻修与加固的优选方案。　　在采用超薄体系进行桥梁翻修时，应预先进行局部模型负弯矩区抗弯试验。为明确超薄体系的最优构造形式，选取负弯矩区的横向条带进行局部模型抗弯试验，研究钢筋直径、配筋率、纵筋保护层厚度、配筋数量等关键设计参数对超薄体系抗弯性能的影响；利用基于理想弹塑性模型的截面应力法对组合桥面板的名义开裂荷载进行了计算；利用ANSYS有限元对组合桥面板的真实开裂历程予以了模拟。研究结果表明：　　（1）组合桥面板的荷载-挠度曲线可分为弹性、裂缝扩展和屈服三个阶段。钢筋直径越大、配筋间距越小、配筋率越高、保护层越厚，组合板的承载力越高。其中，钢筋直径和配筋率是影响组合板弹性极限荷载、名义开裂荷载和极限破坏荷载的最主要因素。当钢筋直径从6mm增大到8mm时，荷载增幅可达60.47%；当钢筋数目从6条增至8条时，荷载增幅可达23.32%；当配筋率从2.98%增大到3.97%时，荷载增幅可达31.29%；当保护层厚度从15mm增大到25mm时，荷载增幅仅为11.34%。　　（2）增大钢筋直径不仅可以显著提高弹性极限荷载和名义开裂荷载，还能明显降低对应挠度。钢筋布置越密集，破坏时裂缝的数量就越多且越细密。增大保护层厚度虽然可以提高构件的各项荷载，但也会增大对应挠度，且会明显增大构件最终的裂缝宽度。综合分析可知，对于超薄体系，其钢筋直径最优选择为8mm，钢筋条数最优布置为6条，保护层最优厚度为15mm，配筋率最优解为3.97%。　　（3）跨中截面的荷载-应变曲线反映了组合板受弯过程中荷载与应变的变化规律，该曲线指出：①钢板与UHPC之间的相对滑移量非常小，这表明超薄体系具有非常优异的整体性；②弹性阶段荷载-应变曲线给出的弹性极限荷载与荷载-挠度曲线给出的荷载值非常接近，最大误差仅为6.67%，这表明由荷载-挠度曲线给出的弹性极限荷载具有很高的精确度。　　（4）对比名义开裂荷载实测值与理论推算值可知，理论推算值约为实测值的0.92~0.96倍，这表明：采用基于理想弹塑性模型的截面应力法推算超薄体系的名义开裂荷载时，将其硬化高度取为保护层厚度是合理的。　　（5）数值分析表明：①真实开裂荷载的主要影响参数为纵筋保护层厚度和UHPC总厚度；②真实开裂荷载实测值大于有限元迭代值，说明UHPC在开裂前已进入塑性阶段；③名义开裂荷载为真实开裂荷载的2.08~2.71倍，说明组合桥面板有很强的带裂缝工作能力；④密集配筋有利于抑制UHPC产生塑性变形；⑤组合效应能提高UHPC的抗拉强度，当以其单轴拉强度作为设计标准值时，应力偏于保守，结构偏于安全。
作者：	杨杰
专业：	工程力学
导师：	张慧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022