先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPC“T型”湿接缝试验研究

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为了提高先简支后结构连续混凝土梁桥负弯矩区湿接缝的抗裂性能和耐久性,简化施工工艺,提出了混凝土梁桥负弯矩区超高性能混凝土(UHPC)新型湿接缝方案。常规混凝土由于抗拉强度很低,需要通过预应力来确保墩顶负弯矩区混凝土的抗裂性能,但这不仅增加了现场施工的难度,亦难以保证其收缩徐变引起的长期效果。而UHPC的力学性能和耐久性能十分优异,负弯矩湿接缝处采用UHPC后,利用其突出的抗拉韧性以期取消贯穿墩顶负弯矩区混凝土的预应力。同时利UHPC与钢筋良好的粘结性能,以期取消现场钢筋焊接来大大简化墩顶负弯矩区混凝土的施工工艺。本文提出的负弯矩区新型湿接缝方案在使用UHPC作为接缝材料的基础上,取消墩顶负弯矩束,取消钢筋的焊接,改变了传统负弯矩区接缝的构造形式,将横向湿接缝设计成“T型”,使得负弯矩区湿接缝构造更为合理,有望提高结构本身的抗裂强度和耐久性。而新型湿接缝构造能否满足工程要求,相比传统的简支转连续负弯矩区湿接缝方案是否有明显优势,有必要对其受力性能进行研究,本文的研究工作如下:(1)以一主跨为30m的先简支后结构连续的混凝土梁桥为背景进行试设计,拟定新型湿接缝构造设计方案替换传统湿接缝构造方案。通过有限元软件分析得到新型湿接缝构造方案在正常使用极限状态与承载能力极限状态下控制截面的设计应力,参考法国UHPC规范和《公预规》中UHPC和NC裂缝宽度公式,通过限制正常使用极限状态下的最大裂缝宽度来对新型湿接缝构造进行配筋试设计,由此提出UHPC新型湿接缝构造的配筋公式。(2)对已知配筋的新型湿接缝构造按1:2缩尺进行抗弯试验研究,试验表明该新型湿接缝构造的开裂应力及承载能力均满足工程要求,且UHPC的引入能有效限制NC的裂缝宽度,在一定的截面弯矩范围内提高NC截面的刚度。当截面弯矩处于220kN·m和500kN·m之间时,试验梁中UHPC-NC组合截面较全NC截面刚度折减较小,前者的刚度残余系数为后者的2~5倍左右,而当截面弯矩大于600kN·m时,二者的截面刚度折减系数大致相等,均分别折减为其初始刚度的20%左右。正常使用极限状态下,新型湿接缝构造的内力及变形重分布系数均减小为相同跨径、相同配筋下,采用不考虑负弯矩预应力束的传统湿接缝构造连续梁桥的30%~50%左右。(3)利用MATLAB软件对新型湿接缝缩尺模型进行了数值分析,结果表明试验结果与数值计算结果吻合良好。通过各截面钢筋应力试验值与数值计算值的对比分析,提出了 UHPC-NC组合截面钢筋应力的计算公式,把该公式计算的NC层内的钢筋应力代入《公预规》中以修正NC裂缝宽度求解公式,发现裂缝宽度计算值与试验值吻合良好。对比各规范计算的UHPC裂缝宽度,结果表明法国UHPC规范中的裂缝宽度计算值与试验值吻合较好,这说明法国规范的可靠性。(4)由数值分析软件进行新型湿接缝构造参数分析表明:在正常使用极限状态下,分别控制UHPC裂缝宽度为0.05mm和0.1 mm时,UHPC沿纵桥向的合理长度分别为0.27l和0.22l,l为计算跨径。当UHPC的厚度为60mm时已经满足截面的抗裂要求,此时满足工程要求的合理钢筋直径统一为20mm,且负弯矩区截面的刚度折减引起的实桥内力和变形的重分布系数均小于20%,刚度折减后的连续梁竖向位移均满足规范要求。(5)利用ABAQUS对缩尺模型进行了有限元模拟,并通过有限元计算得到不同参数对其受力性能的影响。结果表明,缩尺模型有限元计算结果与试验结果吻合良好,说明材料本构模型和建模方法与实际情况基本相符,利用该有限元模型对试验梁进行参数分析是合理的。试验梁参数分析表明:适当增加钢筋直径能提高试验梁的初裂荷载、控制截面的开裂应力、控制截面裂后刚度残余系数和极限承载能力;适当增大UHPC层的厚度能提高构件开裂应力,对UHPC-NC组合截面、界面处的裂后刚度残余系数和构件极限承载能力提高不明显;增大UHPC的轴拉强度能提高构件的开裂应力和极限承载能力,但对UHPC-NC组合截面、界面的裂后刚度残余系数的提高基本可以忽略。
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