钢板-UHPC组合桥面板抗弯性能试验及有限元分析_刘瑞.pdf
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1、第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023钢板-UHPC组合桥面板抗弯性能试验及有限元分析刘瑞,赵华,安家禾(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410083)摘要:将正交异性钢桥面板的纵肋开孔并上置作为剪力连接件(PBL剪力键,PBL为德语Perfobond Leiste的缩写,意同英文的Perfobond rib或Perfobond strip),使钢板和UHPC(Ultra-High Performance Concrete
2、,超高性能混凝土)形成组合桥面结构,具有解决传统正交异性钢桥面板易疲劳开裂和铺装层易损坏的问题的潜力。为了研究该组合结构的抗弯性能,基于某实桥其钢板-UHPC组合桥面板的设计,进行足尺条带模型正弯矩加载试验,得到其荷载-挠度关系,裂缝发展和分布情况、钢板和UHPC的荷载-应变关系以及底钢板与UHPC界面的相对滑移情况等。静载试验结果表明:横截面变形基本符合平截面假定,PBL剪力连接件能保证底钢板与UHPC层的协同受力,同时,该结构具有良好的延性。基于试验结果,采用3种不同的方式模拟钢板和UHPC的界面行为,建立了Abaqus有限元模型。对比发现,采用“面-面接触(无摩擦)”方式模拟UHPC和钢
3、板的接触行为的有限元模型其计算结果与试验值吻合更好。利用该模型进一步进行参数分析,探究UHPC层厚度、底钢板厚度、顶层和底层纵向钢筋的直径,开孔板孔距等因素对构件抗弯性能的影响。计算结果表明,UHPC层厚度、底钢板厚度是影响钢板-UHPC组合板抗弯性能的关键因素。关键词:钢板-UHPC组合桥面板;PBL剪力键;有限元;参数分析中图分类号:U443.32 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)02-0628-13Bending performance and finite element analysis of steel plate-UH
4、PC composite deckLIU Rui,ZHAO Hua,AN Jiahe(School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410083,China)Abstract:The longitudinal ribs of orthotropic steel deck are perforated and connected on the top of steel plate as shear connectors of steel plate-UHPC composite deck,which presents a potent
5、ial to solve the problems of fatigue cracking in orthotropic steel decks and premature damage in asphalt overlays.In order to study the flexural behavior of this structure,a full-scale strip based on the steel plate-UHPC composite deck of a real project was tested.The responses of the specimen were
6、captured and discussed from different aspects including the failure mode,the load deflection curve,the strain distribution,the cracking status,and the interfacial slip as well.Test results show that the cross-sectional deformation is linear,which proves that perfobond rib shear connectors 收稿日期:2022-
7、02-24基金项目:国家自然科学基金面上项目(51978256)通信作者:赵华(1975),男,湖北松滋人,教授,博士,从事UHPC新型桥梁结构、既有桥梁评定及维护、桥梁健康监测研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220317第 2 期刘瑞,等:钢板-UHPC组合桥面板抗弯性能试验及有限元分析ensure steel plate and UHPC working together.And this structure is ductile.Based on test results,the interface behavior between steel
8、 plate and UHPC was simulated in two different ways,then three Abaqus finite element models were established.Compared with another two models,the calculation results of the model using the surface-to-surface contact(frictionless)are in better agreement with the experimental data.Further parametric a
9、nalysis was carried out to explore the effect of the thickness of UHPC and steel plate,the diameter of longitudinal reinforcement,the hole spacing of PBL and etc.The calculation results show that the thickness of UHPC and steel plate are main factors affecting the flexural performance of steel plate
10、-UHPC composite slab.Key words:steel plate-UHPC composite deck;Perfobond rib shear connectors;finite element;parameter analysis 正交异性钢桥面因具有强度高、重量轻、适用性强等优点,被广泛应用于大跨径桥梁主梁。但长期工程实践表明,传统正交异性钢桥面板结构体系由于其构造复杂、焊缝数量多、沥青混凝土桥面铺装层刚度不足,在往复的车辆轮载作用下,容易出现钢桥面疲劳开裂和铺装层破损的问题1。针对上述问题,邵旭东等1提出了钢超高性能混凝土轻型组合结构,由钢梁和 UHPC 薄板组成,
11、采用栓钉作为剪力连接件,与传统正交异性钢桥面相比具有明显的优势,一是提高了桥面板的刚度,延长了铺装层的寿命,同时UHPC层与正交异性钢板协同受力,降低了钢板中的疲劳应力幅。本文研究一种新型钢板-UHPC 组合桥面板,与上述结构不同的是,该钢板-UHPC组合桥面结构取消了钢箱梁顶板的下部纵肋,而在钢板顶面设置开孔钢板,不仅可以替代钢箱顶板下方纵向加劲肋的作用,还可作为钢板-UHPC组合桥面板的剪力连接件,即PBL剪力键。这样的结构形式不仅简化了传统正交异性钢桥面板的构造,减少了焊缝数量,而且,UHPC相对于普通混凝土,大幅减轻结构自重,同时具有更高的强度、刚度以及更好的耐久性能等,因此,这种新型
12、组合桥面板同样具备替代传统正交异性桥面板的潜力。迄今为止,国内外研究人员对于钢板混凝土组合结构已经进行了许多试验研究以及理论分析工作。毛小勇等23对39块肋筋模板钢混凝土组合板进行了试验,分析了组合板在施工阶段和使用阶段的工作性能,结果表明,该组合板在施工阶段具有良好的稳定性,使用阶段具有较高的承载力和延性。然后采用数值方法计算了荷载变形关系全过程曲线,推导了简化计算公式,与试验结果吻合较好。占玉林等47基于广东佛山东平大桥桥面系足尺模型,研究了采用开孔钢板连接件的钢混凝土组合板在正、负弯矩作用下的静力和疲劳性能,进行了有限元模拟以及理论分析,证明了开孔板连接件的可靠性,且该结构在使用荷载下具
13、有较大的刚度和承载力,在疲劳荷载下结构刚度衰减较小。杨勇等810对采用开孔钢板连接件的钢混凝土组合桥面板进行了静力加载和等幅疲劳试验,研究了组合桥面板中开孔钢板连接件中横向贯穿钢筋、名义剪跨比、开孔钢板间距以及疲劳荷载幅值、疲劳循环次数等因素对其受力性能的影响,试验结果表明,组合板具有较高的受弯承载力和刚度,底部钢板强度可以充分发挥,疲劳破坏形态为底部钢板断裂,其疲劳强度由钢板的应力幅值决定。基于试验结果建立了具有足够工程精度的承载能力和弯曲刚度的计算方法。国外学者的研究则大多数是关于压型钢板混凝土组合桥面板,WRIGHT等11总结了压型钢板-混凝土组合板的应用概况,指出该结构迅速流行起来的原
14、因,包括压型钢板作为永久模板更加方便施工、压型钢板可以取代受拉钢筋、减轻结构自重等优点,开展了200组试验,系统研究了栓钉连接件的抗剪性能、组合板在施工阶段和使用阶段的受力性能,将试验结果与当时的设计方法进行比较,表明规范十分保守,然后开发出了更为精确有效的设计方法。SEBASTIAN等12使用有限元程序模拟了带栓钉连接件的压型钢板混凝土组合板,考虑了材料非线性以及钢混凝土界面的剪力滑移关系,对结构的开裂至破坏的过程的模拟与试验符合良629铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月好。RANA等13进行了4个钢混凝土组合板和4个钢筋混凝土板的试验,表明端部锚固对2种结构的极限强度都有
15、积极影响,利用试验结果验证了有限元模型的准确性,对混凝土强度、剪力钉强度、压型钢板厚度进行参数分析,结果表明砼强度和板厚对其影响显著。HSU等14开发了一种新型的组合梁和楼板体系,由波纹钢板-混凝土组合板和型钢托梁组合而成,采用螺钉和槽形钢作为剪力连接件,并进行了 12根组合梁的四点弯曲试验,比较了组合截面与非组合截面的强度和延性,结果表明组合截面具有更好的表现。MAJDI等15对文献14中的试件进行了非线性有限元分析,采用黏结滑移模型模拟剪力连接件的滑移,有限元分析结果与试验数据吻合较好,通过参数分析总结了黏结滑移行为导致的初始刚度和极限荷载的降低程度在不同的I/L(抗弯惯性矩/跨度)下的变
16、化规律。KIM等16制作了2个桥面结构足尺模型进行静载试验,研究采用PBL剪力键的压型钢板混凝土组合桥面板的受力性能,通过与普通钢筋混凝土桥面系统比较发现,压型钢板混凝土组合桥面的自重降低了23%,而极限承载力至少提高了220%。钢-UHPC组合结构方面,邵旭东等1针对钢-UHPC结合面的抗剪设计、组合梁的静力和疲劳性能等进行了大量的研究,证明了轻型组合梁的技术及经济优势,并推广应用于多个大型桥梁工程。但上述结构的一般形式为正交异性钢桥面板(或钢梁)+薄层 UHPC(UHPC 层厚为 3560 mm),采用短栓钉作为剪力连接件,与本文研究的钢板-UHPC 组合桥面板有一定差异。XIAO 等17
17、对 3 块钢-UHPC组合板和1块钢混凝土组合板进行了足尺试验,研究抗剪连接件的数量和类型对其力学性能的影响,数据表明钢-UHPC组合板具有优异的延性、承载能力及刚度,基于试验结果提出了计算组合板抗弯承载力和刚度的公式,并利用其他文献中的数据样本验证了所提出公式的适用性。CHENG等18研究了通过改进的MCL形组合销连接的波纹钢板-UHPC组合桥面板的弯曲性能,对6个不同剪跨长度的组合试件进行了试验,结果表明MCL形剪力键具有足够的纵、横向剪切强度,组合桥面板破坏模式均为弯曲破坏,且表现出良好的延性;同时建立了有限元模型研究UHPC厚度和波纹钢板高度的影响,在此基础上提出了预测该结构抗弯承载力
18、的理论模型,利用试验和有限元数据进行验证,理论计算的最大误差为5.9%。综上所述,前人通过试验、理论分析、数值模拟等手段对钢-混组合板的抗弯性能进行了大量的研究,包括这类结构的静力和疲劳性能、剪力连接件的受力性能等多个方面,也开展了丰富的参数分析。这些研究成果不仅证明了钢混组合板相较于钢筋混凝土板的显著优势如减轻自重、提高刚度、承载力和延性等,而且形成了系统的计算和分析方法,用于指导设计及施工。但是随着应用更加广泛、服役时间更久,钢混组合结构普遍存在的易开裂、疲劳以及耐久性不足的缺点也逐渐凸显,UHPC材料的出现为解决上述问题提供了一个思路,于是部分学者对钢-UHPC组合桥面板进行了一些研究,
19、证实了其优越的性能,推动了钢-UHPC组合结构在工程中的应用,钢-UHPC组合桥面板采用的结构形式、剪力键类型也得到发展。对于采用PBL剪力键的钢板-UHPC组合桥面板,其研究和应用仍处于起步阶段,因此,本文从试验与有限元模拟2个方面对该结构的抗弯性能进行分析,为其工程应用提供参考。1 试验方案设计1.1试件设计富龙西江特大桥为佛山一环西拓的一座特大桥,主桥全长1 070 m,跨径布置为(69+176+580+176+69)m,主桥结构形式为双塔双索面钢-UHPC组合梁斜拉桥。依据富龙大桥钢板-UHPC组合桥面板的结构设计,取足尺纵向条带模型,该模型尺寸为:长宽高=2 700 mm900 mm
20、158 mm。其中 UHPC 层厚度为 150 mm,钢底板厚度为8 mm,该组合板UHPC层与钢板通过PBL剪力连接件连接,包含 2 块 PBL 开孔板,开孔钢板高90 mm,厚度为 10 mm,两块开孔钢板间距为450 mm,开孔间距150 mm,孔径50 mm,贯通钢筋直径16 mm。钢筋网片尺寸、构造以及布置方式均与实桥相同,试件构造如图1所示。1.2材料性能本试验所用UHPC材料由佛山交通科技有限公司生产,每立方米 UHPC所需各组分的用量见表1。与试件同批浇筑100 mm100 mm100 mm立方体试件、100 mm100 mm300 mm棱柱体试件和100 mm100 mm40
21、0 mm棱柱体试件若干个,与试验模型采用相同的养护条件,分别用于测试630第 2 期刘瑞,等:钢板-UHPC组合桥面板抗弯性能试验及有限元分析UHPC材料的立方体抗压强度,弹性模量以及抗折强度(图2)。材料性能试验结果见表2。其中UHPC抗拉强度根据文献19的方法,通过抗折试验数据换算而得,换算公式如下:fct,el=fct,flfla0.71+fla0.7(1)其中:fl为折减系数,fl=0.08;fct,fl为抗折试验的初裂应力;a为截面高度,a=100 mm。试 验 所 用 钢 板 等 级 为 Q355,钢 筋 等 级 为HRB400。对钢板和钢筋分别进行拉伸试验(图2)以测试其力学性能
22、,试验结果见表2。单位:mm图1钢板-UHPC组合桥面板条带构造图Fig.1Details of steel plate-UHPC composite slab表1每立方米UHPC所需材料Table 1Composition of UHPC per cubic meter组分用量/kgUHPC2 085外加剂38.57水163.88钢纤维180.14(a)UHPC抗压;(b)UHPC弹模;(c)UHPC抗折;(d)钢板抗拉;(e)钢筋抗拉图2材性试验Fig.2Test setup for material properties631铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月1.3试件
23、制作试件制作工序包含钢板加工、钢筋绑扎、模板制作、混凝土浇筑、高温蒸汽养护5个步骤。钢板在加工厂制作完成后,进行钢筋的绑扎以及模板的制作安装,然后进行UHPC的浇筑,完成后保湿静停48 h左右,待其硬化以后拆模并开始高温蒸养,恒温90 维持48 h。1.4加载及测量方案为探究该类型钢板-UHPC组合板的受弯性能,试件采用四点弯曲方式进行加载,如图3所示。试件的计算跨径L=2 500 mm,纯弯段长600 mm,两端简支支撑。荷载通过1 500 kN液压千斤顶施加于构件。为获得稳定的试验数据,加载初期采用力控制,开裂前每级荷载增量为10 kN,试件开裂后每级荷载增量控制在30 kN,当试件进入非
24、线性阶段后,采用位移控制加载。图4展示了试件的应变以及位移测量方案。应变测量采用电阻式应变片,试验过程中主要测量试件跨中截面的应变(UHPC顶面、侧面以及钢板底面)、钢板底面沿纵向的应变分布情况等。位移测量采用百分表和千分表,主要测量两支点位置的支座沉降,加载点挠度和跨中挠度,同时,在试件左侧的加载点下方、L/4截面、L/8截面处各安装一个千分表,用于测量钢板和 UHPC层的相对滑移。加载过程中通过振弦式压力传感器和综合测试仪测量荷载,电阻式应变片的数据使用静态应变采集箱采集。使用精度为0.01 mm的裂缝观测仪测量试件裂缝宽度。2 试验结果2.1试验过程试件的最终破坏特征类似于普通钢筋混凝土
25、适筋梁的弯曲破坏,底部钢板和受拉钢筋首先屈服,在达到极限荷载时,UHPC层顶部压溃,承载力下降。图 5 为试件的破坏形态,表 3 列出了开裂、屈服以及极限荷载的大小及其对应挠度等。试验加载前期(083.4 kN),试件整体处于弹性工作阶段,当加载到83.4 kN(不到0.1Pu,Pu为极限荷载)时,出现清脆的“嘣”的响声,观察到底部钢板和UHPC界面脱黏的迹象,并且在纯弯段发现了第 1 条肉眼可见的裂缝(宽度约 0.02 mm)。在 00.8Pu期间,纯弯段内不断有细小裂缝出现,并且伴随响声,但是绝大多数裂缝的宽度并没有随荷表2材料性能Table 2Material properties材料U
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