钢-UHPC组合桥面板力学性能分析与试验研究

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在钢混组合桥面结构中,栓钉作为重要的传力构件,是保证钢梁与混凝土协调受力的关键,其作用是传递层间剪力和防止混凝土板掀起。近些年,超高性能混凝土(UHPC)因其优越性被广泛的应用于钢混结构中,构成新型截面形式(钢-UHPC组合桥面结构)。结构形式的改变必将导致组合桥面的应力重分布,因此,研究栓钉和钢桥面板在UHPC铺装下的力学特征具有实际意义。通过剪力钉推出试验和某采用钢-UHPC组合结构的实际桥梁案例,结合ANSYS展开研究,主要研究内容包括:(1)通过推出试验,研究不同混凝土材料、栓钉直径以及栓钉长度对钢-UHPC组合结构中栓钉的抗剪承载力和荷载滑移曲线的影响。(2)结合推出试验,建立ANSYS模型,对栓钉抗剪性能进行参数分析,研究四种影响因素(混凝土抗压强度、栓钉直径、栓钉极限抗拉强度、栓钉长径比)对其抗剪承载力和荷载滑移曲线的影响;研究长短栓钉的应力分布规律及差异;推导剪力钉承载力计算公式和荷载滑移曲线方程。(3)通过某实桥案例(正交异性钢-UHPC组合桥面结构),研究栓钉间距和直径、混凝土铺装材料、UHPC铺装厚度对桥面结构4个部位(混凝土层、钢桥面板、栓钉焊缝处钢桥面板、栓钉)静力和疲劳性能的影响。主要研究成果及结论如下:(1)试验结果表明,在栓钉和工字钢材料确定的基础上,栓钉直径是影响其抗剪承载力的主要因素、混凝土强度的影响次之、栓钉长度的影响较小,通过现有规范计算UHPC中栓钉承载力偏于保守。栓钉荷载滑移曲线表明:增加栓钉直径,可提高承载力和延性,提高混凝土强度可提高承载力,但试件延性降低。(2)模型计算结果表明:混凝土强度、栓钉直径以及栓钉材料极限强度对抗剪承载力影响较大,而栓钉的长径比影响不大。剪应力分布表现为:在栓钉根部应力最大,往钉帽方向迅速衰减;栓钉直径增大,长细比变小,应力沿栓钉分布的有效长度随之增大。基于大量实测数据推导出栓钉极限承载力计算公式和荷载位移曲线方程,适用于混凝土强度大于35MPa、栓钉长径比l/d>2、栓钉剪断破坏的情况。(3)提出一种在钢混组合梁节段模型中,通过层间相对位移计算栓钉剪力的方法,适用于用弹簧单元模拟栓钉的情况。栓钉间距和直径对组合桥面结构受力影响较大。UHPC层对桥面局部和整体刚度都有较大提高,对钢桥面板应力分布改善效果好于C50。UHPC厚度增加对组合桥面板受力更有利。
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