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原文传递钢-碱激发UHPC组合桥面板收缩性能研究

论文题名：	钢-碱激发UHPC组合桥面板收缩性能研究
关键词：	组合桥面板;超高性能混凝土;钢结构;约束收缩特性;开裂风险;有限元分析
摘要：	钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥梁是在钢结构桥梁与混凝土桥梁的基础上发展起来的新型桥梁结构，具有优异的力学性能，能够充分发挥UHPC的抗压性能、钢材的抗拉、抗弯性能，并且在工程中具有施工速度快的优势，具有较高的推广价值。然而随着基础建设的不断兴起，工程中的UHPC使用量也随之增加,UHPC的配合比设计中水泥用量较大，质量大约在700-1300kg/m3,因此我国的水泥消耗量巨大，并且生产水泥过程中也会产生大量灰尘，这都会对人类的生活环境产生恶劣影响。碱激发UHPC是使用矿粉、硅灰和粉煤灰取代水泥的一种新型UHPC材料，它不仅能够节约水泥的使用，也能够将矿渣这种工业废料再次利用。并且有前人学者的研究证实碱激发UHPC的力学性能与普通UHPC基本一致，这也为我们推广碱激发UHPC的使用奠定了基础。但是UHPC材料由于其水胶比较低、胶凝材料掺入量较大，所以在早龄期会产生较大的收缩变形，若将碱激发UHPC应用至桥梁结构中，可能会在各种约束的共同作用下，产生较大的收缩变形，进而影响结构的耐久性。　　目前针对碱激发UHPC约束收缩的研究还未出现，因此本文以碱激发UHPC作为研究对象，设计碱激发UHPC的基础力学性能试验和工作性能试验，在此基础上设计钢-碱激发UHPC组合桥面板足尺模型，以U形加劲肋、碱激发UHPC层厚度、栓钉的排布方式以及养护条件作为参考因素，分析约束作用下碱激发UHPC的收缩性能以及不同约束对碱激发UHPC的约束程度，同时监测碱激发UHPC层内部温湿度的演化规律。后期通过有限元模拟软件建立钢-碱激发UHPC组合桥面板模型，采用当量温差法进行碱激发UHPC的约束收缩模拟，证明模型的可行性，进而使用该模型进行多因素的参数分析和表面开裂风险分析。主要结论如下: 　　(1)以胶凝材料的掺入比例和钢纤维掺量作为主要参数，进行碱激发UHPC的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量的试验研究。矿粉掺入量和钢纤维掺入量的提高均会引起力学强度的提升。进行工作性能试验和力学性能试验后，发现初凝时间为19min,流动度为180mm,28d龄期的抗压强度为116.3MPa,劈裂抗拉强度为13.8MPa,弹性模量为31.2GPa。　　(2)无约束的碱激发UHPC板在浇筑完成后，内部温度于10h左右达到温度峰值，然后温度开始下降，最终与环境温度保持恒定。内部相对湿度始终在下降，前1d内部相对湿度急剧下降，后期相对湿度下降速度降低，最终趋近于收缩实验室的环境湿度。早龄期收缩呈现出前期收缩速度快而后期逐渐趋于稳定的特点，在28d龄期时，收缩应变为-1327με。　　(3)在加设U形加劲肋后，对碱激发UHPC的约束作用明显加强，在龄期28d时，碱激发UHPC内部收缩应变仅为54με。在增加保护层厚度后，相当于降低了组合板的配筋率，约束作用减弱，在龄期28d时，碱激发UHPC内部收缩应变为-133με，相较于基准组构件提高了15.7％。在改变栓钉排布方式后，发现靠近栓钉位置处受到的约束作用更强，在28d龄期时，碱激发UHPC内部收缩应变为-73με，相较于基准组构件降低了约36.5％。在自然条件下，由于板自身较薄，因此受到环境温度的影响较大，组合板内部温度与环境温度变化几乎一致。碱激发UHPC处于高温高湿的环境中时，构件表面的水分挥发速率较高，因此碱激发UHPC内部收缩应变增大。处于收缩实验室的四组组合板构件，在其内部与上表面会产生不均匀收缩，这主要与内外湿度扩散的速率、约束作用有关，碱激发UHPC层上表面的收缩应变均大于内部收缩应变。处于自然环境中的组合板构件,在低温低湿的环境中，内外的湿度差较小，因此不均匀收缩的效果不明显。　　(4)采用有限元软件进行组合板的收缩模拟，与试验结果进行了对比，有较高的一致性，同时验证了“当量温差法”及有限元模型对碱激发UHPC收缩模拟的可行性，同时探究了配筋率及栓钉间距对钢-碱激发UHPC组合桥面板收缩的影响规律。对有限元模拟结果中的应力进行分析，可以有效预测碱激发UHPC表面的开裂风险。
作者：	郑书元
专业：	土木水利
导师：	杨国涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023