混凝土及UHPC箱梁腹板抗剪性能研究.doc

混凝土及UHPC箱梁腹板抗剪性能研究箱形截面因其优异的抗弯扭力学性能及良好的施工性能而被广泛应用于大跨预应力混凝土梁桥。但是调查研究发现,现役大跨预应力混凝土箱梁桥在运营过程中普遍存在两大病害:主跨跨中过度下挠及箱梁梁体开裂,其中混凝土箱梁腹板的开裂问题尤为严重。以解决传统混凝土箱梁腹板开裂问题为主要目标,本文对应用二次张拉竖向预应力锚固系统的混凝土箱梁腹板及新型UHPC密集横隔板箱梁腹板的抗剪性能展开了研究。结合有限元计算分析、模型试验及理论分析等研究方法,本文重点对新型UHPC箱梁的加劲腹板剪切抗裂性能、剪切稳定性能及剪切极限承载能力进行了研究。本文主要研究工作如下:(1)基于逐步计算法,建立了适用于分析二次张拉竖向预应力长期损失的计算方法,该方法可考虑因普通钢筋产生的应力重分布现象。采用该计算方法对试验矩形板和实桥箱梁腹板上的二次张拉钢绞线进行了长期预应力损失的计算分析,计算结果与试验结果吻合较好;基于计算得到的长期预应力损失,对二次张拉竖向预应力对实桥箱梁腹板的剪切抗裂效果进行了计算分析,结果发现,与传统竖向预应力精轧螺纹钢筋相比,二次张拉钢绞线竖向预应力可提高腹板开裂临界剪切应力最大达10.4%。(2)根据新型UHPC连续箱梁桥的基本结构特征,即薄壁箱梁结构、密集横隔板、单向(纵向)预应力、部分预应力体系,设计了UHPC薄壁箱梁模型试验,对该新型UHPC桥梁结构可行性进行了试验验证研究。结果表明,在抗剪性能方面,四隔板侧箱梁腹板剪切开裂荷载较三隔板侧高约8%,同时UHPC箱梁中隔板的设置可有效改善箱梁腹板裂后抗剪性能,包括提高裂后梁体刚度和极限抗剪承载力;此外,结合有限元分析结果计算,400m级单向预应力UHPC连续箱梁桥腹板的剪切抗裂安全度可达184.4%,因此,新型UHPC箱梁结构取消竖向预应力具备可行性;在接缝性能方面,接缝角点的开裂荷载高于腹板开裂荷载达34%～65%,具有足够的安全储备,因此,从受力角度来说,新型的UHPC连续箱梁桥采用预制悬臂拼装法施工具备可行性。(3)基于主跨400mUHPC连续箱梁桥试设计方案,本文设计了箱梁中支点截面加劲腹板的3:20缩尺模型,对400m级梁桥的UHPC箱梁加劲腹板的剪切抗裂性能、剪切稳定安全性验证及剪切极限承载能力展开了试验研究,剪切试验中研究了缩尺腹板模型的荷载-位移曲线、腹板混凝土应变、箍筋应变、剪切裂缝行为形态及剪切破坏模式等;并对试验模型进行了非线性有限元分析,探究了主要参数对UHPC箱梁加劲腹板的极限承载力的影响,同时基于试验数据验证后的有限元模型,对缩尺UHPC腹板的剪切稳定安全性进行了评估及参数分析。研究结果发现,隔板宽度对UHPC加劲腹板弹性阶段性能影响较小,基本不影响其剪切抗裂性能;同时,隔板的设置具有提高UHPC箱梁腹板裂后性能和承载力的作用,其主要的受力机理为:在UHPC箱梁腹板达到剪切开裂荷载出现斜裂缝后,斜裂缝会延伸进入横隔板,促使横隔板协同腹板以肋板式结构形式共同抵抗剪力作用,从而限制腹板斜裂缝跨横隔板发展,延缓斜裂缝宽度和长度的增长,使整个UHPC箱梁腹板的裂后刚度和极限抗剪承载力获得提高。(4)结合UHPC加劲腹板的缩尺模型试验结果及有限元分析,提出了UHPC加劲腹板存在的两种基本的剪切失稳模式,包括腹板整体剪切失稳和腹板局部剪切失稳;基于两种剪切失稳模式的简化力学模型,利用瑞利-利兹法、伽辽金法和复合应力作用下板的稳定屈曲准则,推导了理论边界情况下的UHPC加劲腹板剪切稳定计算公式;采用有限元屈曲特征值分析,对推导的剪切稳定的理论计算公式进行了验证,证明了理论公式的正确合理性。以UHPC材料弹性假定为基础,利用莫尔圆推导了UHPC箱梁腹板剪切抗裂计算公式和设计公式;在剪切极限承载能力方面,结合极限平衡法阐述了UHPC加劲腹板斜截面剪力传递机理,基于桁架模型理论,推导提出了适用于UHPC箱梁加劲腹板结构剪切承载能力计算的理论公式,并与试验结果进行了对比发现,模型抗剪承载能力理论计算值与试验值吻合较好,预测误差在15%以内;基于本文推导的抗剪承载力的理论计算模型,同时参考法国AFGC规范、日本JSCE规范及瑞士SIA规范,提出了UHPC箱梁加劲腹板的抗剪承载力设计简化计算公式。