钢-UHPC组合梁桥负弯矩作用下结构承载性能研究

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钢-混凝土组合梁桥已经广泛应用于桥梁工程中,但由于普通混凝土抗拉强度较低,在连续梁桥中存在负弯矩区混凝土易受拉开裂问题,从而影响桥梁的使用性能。超高性能混凝土UHPC(Ultra High Performance Concrte)可以有效的解决此类问题。将UHPC与钢梁通过剪力连接件连接形成一种新型的钢-UHPC组合梁应用于桥梁工程中可以克服负弯矩区桥面板易开裂问题、并提高承载力,近几年来,国内外学者也逐渐开始研究负弯矩作用下钢-UHPC组合梁的力学性能,但相关研究还比较少。本文研究了一套钢-UHPC组合梁抗弯承载能力全过程数值理论分析方法,研究组合梁负弯矩作用下的各个参数对组合梁的受弯性能的影响情况,对基于塑性理论的极限抗弯承载力计算模型进行不确定性研究,主要研究内容及结果如下:(1)建立了钢-UHPC钢混组合梁抗弯承载力全过程数值分析方法。首先,建立了数值分析方法的基本模拟框架;其次,针对数值模拟框架中的关键技术问题,如材料非线性、钢混接触、非线性求解及收敛准则等,确定了解决方案;最后,结合既有文献中钢-UHPC组合梁的试验结果,采用本文方法进行数值分析和对比。结果表明:极限承载力的误差范围在6%以内;跨中截面荷载-挠度曲线基本一致,最大荷载所对应的挠度误差为5%;应力-应变历程变化规律能较好吻合,说明本文数值分析方法可靠、准确。(2)结合某实际工程,建立了钢-UHPC组合梁缩尺试验梁模型,以全过程数值分析为手段研究了不同结构参数对试验梁的抗弯性能影响。涉及到的分析参数包含UHPC的强度等级、UHPC的厚度、UHPC桥面板的配筋率、UHPC的分层高度、钢梁的强度等级、腹板的厚度、加劲肋的厚度、栓钉的数目、栓钉的截面面积等。结果表明,钢梁的强度等级、UHPC板内纵筋配筋率、腹板的厚度对组合梁的极限抗弯承载力有显著的影响;增大栓钉的截面面积也可提高组合梁的极限抗弯承载力,但是增幅不大;增加UHPC的厚度可以提高组合梁的开裂弯矩,但对承载能力影响较小;使用UHPC代替传统的普通混凝土可以提高组合梁的整体刚度和使组合梁具有更好的延性;其余参数则对组合梁的极限抗弯承载力几乎没有影响。(3)研究了钢-UHPC极限承载能力计算方法的可靠性。首先,分别基于弹性理论和塑性理论建立的钢-UHPC组合梁抗弯承载能力计算公式,将其计算结果与试验实测结果对比,发现基于塑性理论计算公式与试验实测值较为接近。其次,结合文献收集到的105组钢混组合梁试验数据,分析了塑性理论承载能力计算公式的模型不确定性,得到其满足偏差系数1.06、变异系数0.10的极限承载力计算模型。最后,结合一座国内钢混组合梁,采用塑性理论分析了该桥梁在当前设计荷载下的结构可靠度。结果表明:在最大负弯矩作用下这座桥的计算可靠度水平是4.06。
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