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节段预制拼装梁胶接缝抗剪承载力参数分析

铁道建筑 2022年第3期62卷 99-103页

作者：姜金凤北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 山东铁路投资控股集团有限公司济南250102

为合理设计节段预制拼装梁剪力键齿胶接缝的抗剪承载力模型试验,采用ABAQUS软件建立试验模型,混凝土本构关系采用考虑塑性损伤的非线性本构模型,接缝间环氧树脂胶采用弹性材料模拟。建立两个块件胶结组合的单面剪切试验模型,并与三个块... 详细信息

为合理设计节段预制拼装梁剪力键齿胶接缝的抗剪承载力模型试验,采用ABAQUS软件建立试验模型,混凝土本构关系采用考虑塑性损伤的非线性本构模型,接缝间环氧树脂胶采用弹性材料模拟。建立两个块件胶结组合的单面剪切试验模型,并与三个块件胶结组合的双面剪切试验模型对比,发现单面剪切试验模型加载不对称,抗剪承载力计算值偏大,因此采用双面剪切模型对剪力键齿竖向埋入深度、端部块件宽度、中间块件宽度、正应力、混凝土强度等级、胶层厚度进行参数分析。结果表明:剪力键齿在竖向埋入深度不宜过小,设计值宜与齿根竖向高度一致;端部块件宽度不必过大,中间块件宽度不能过小,均取键齿水平方向尺寸的9倍;正应力水平和混凝土强度等级对抗剪承载力影响较大,应在试验模型中精确控制;环氧树脂胶层厚度在0.5~4.0 mm时,胶层厚度对抗剪承载力影响小,对胶层施工精度的要求可以适当降低。

关键词：节段预制拼装梁剪力键胶接缝数值模拟参数分析单面剪切试验双面剪切试验

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节段预制拼装UHPC梁抗弯性能研究

节段预制拼装UHPC梁抗弯性能研究

作者：毛佳豪湖南大学

学位级别：硕士

节段预制拼装桥梁具有施工周期短、质量高等优点,但传统普通混凝土(Normal Concrete,简称NC)节段梁面临结构自重大和耐久性差等问题。近年来,一种新型水泥基材料面世,即超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),其具... 详细信息

节段预制拼装桥梁具有施工周期短、质量高等优点,但传统普通混凝土(Normal Concrete,简称NC)节段梁面临结构自重大和耐久性差等问题。近年来,一种新型水泥基材料面世,即超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),其具备出色的力学性能和耐久性能。若将UHPC应用于节段预制拼装桥梁,则可有效降低结构自重、提高耐久度。目前,国内外鲜有关于此类结构的研究,为推广体外预应力节段拼装UHPC桥梁的应用,对其力学性能的深入研究成为当前需要面对的重要问题。因此,完成主要工作内容如下:(1)完成了3根体外预应力UHPC梁的四点弯曲模型试验,包括1根整体梁和2根节段梁,获得了试件的破坏模式、开裂荷载、极限荷载、裂缝分布、挠度、应变、接缝张开、预应力筋应力等主要试验结果。结果表明:胶接缝UHPC节段梁由环氧树脂胶层破坏导致接缝张开,与胶接缝NC节段梁由接缝附近NC破坏导致有所不同;从开始加载至发生破坏,所有试验梁梁顶的体内无粘结预应力筋的应力变化幅度较小,而梁底的体外预应力筋的应力增长幅度超过700 MPa。(2)考虑截面预压应力和环氧树脂弯拉强度的作用,提出了胶接缝UHPC节段梁的接缝张开弯矩计算公式,理论值与试验值误差小于1.0%,吻合良好。为准确计算体外预应力UHPC节段梁的抗弯承载能力,将UHPC节段梁的各节段简化为杆、接缝简化为弹簧铰,提出了杆-弹簧铰简化模型。基于该模型,采用解析法推导了体外预应力筋的应力变化和二次效应的计算公式,预应力筋应力的理论值与试验值误差小于2.3%,吻合良好。考虑到节段梁接缝张开的不确定性,提出了抗弯承载能力域的概念,即不同接缝张开情况下结构抗弯承载能力的包络范围,抗弯承载能力域的下限值与试验值误差小于6.0%,建议以下限值作为结构抗弯承载能力的参考值。(3)考虑三重非线性,基于CDP模型与环氧树脂本构模型,建立实体有限元模型,可准确地模拟体外预应力UHPC节段梁在弯曲荷载下表现。基于有限元模型,完成了一系列参数分析,获得结论如下:UHPC受压本构中峰值点对应的压应变与结构延性呈正相关;提高环氧树脂弯拉强度可提高结构的接缝张开弯矩;提高预应力筋配筋率可有效提高结构的接缝张开弯矩和极限承载力,但过高的配筋率会导致超筋破坏;提高预应力筋张拉应力可有效提高接缝张开弯矩,当梁底体外预应力筋永存应力在1000 MPa作用时,结构具有较好的延性。结合试验结果和参数分析结果,总结提出了相关的合理设计建议。

关键词：桥梁工程体外预应力节段预制拼装梁超高性能混凝土弯曲试验抗弯理论有限元分析

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冲击荷载下节段预制拼装梁的响应与损伤评定

低温建筑技术 2023年第7期45卷 99-103,108页

作者：石宝斌浙江大学建筑工程学院杭州310000

为获得冲击荷载下节段预制拼装梁的响应与损伤形态,文中开展了落锤冲击试验与数值模拟研究,得到了节段梁在冲击荷载下典型的剪切破坏特征。在验证有限元模型准确的基础上,通过截面损伤因子的损伤评定方法量化表达节段梁的损伤特征,研究... 详细信息

为获得冲击荷载下节段预制拼装梁的响应与损伤形态,文中开展了落锤冲击试验与数值模拟研究,得到了节段梁在冲击荷载下典型的剪切破坏特征。在验证有限元模型准确的基础上,通过截面损伤因子的损伤评定方法量化表达节段梁的损伤特征,研究了冲击位置和接缝数量等参数对节段梁损伤与冲击行为的影响。结果表明有限元得到的损伤和响应与试验结果吻合良好,基于截面损伤因子的损伤评定方法能够比较直观地表达节段拼装梁在冲击荷载下的损伤程度和损伤分布特征,为冲击荷载下节段预制拼装梁的设计提供支撑。冲击位置和接缝数量都显著影响节段预制拼装梁损伤形态和冲击行为。

关键词：节段预制拼装梁落锤冲击试验动力响应损伤评定

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节段预制拼装超高性能混凝土梁弯曲试验

铁道建筑 2022年第7期62卷 65-68页

作者：毛佳豪李立峰房宇超湖南大学土木工程学院长沙410082 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室长沙410082

针对传统节段普通混凝土(NC)桥梁自重大、耐久性差的问题,提出用超高性能混凝土(UHPC)代替NC的方案,并配置体外预应力束,以进一步提高施工效率。为研究此类桥梁的抗弯性能,设计制作了3根T形截面体外预应力UHPC梁,包括1根整体梁和2根节段... 详细信息

针对传统节段普通混凝土(NC)桥梁自重大、耐久性差的问题,提出用超高性能混凝土(UHPC)代替NC的方案,并配置体外预应力束,以进一步提高施工效率。为研究此类桥梁的抗弯性能,设计制作了3根T形截面体外预应力UHPC梁,包括1根整体梁和2根节段梁,并进行四点弯曲试验。结果表明:UHPC节段梁在接缝张开前,其力学性能和整体梁相似;在接缝张开时主要表现为环氧树脂胶层破坏,仅接缝附近出现局部裂缝;在接缝张开后结构抗弯刚度迅速下降;在极限状态下梁底体外预应力筋的应力增量显著。UHPC节段梁在四点弯曲试验中的力学性能与UHPC整体梁不同。

关键词：公路桥梁节段预制拼装梁超高性能混凝土模型试验抗弯性能体外预应力

节段预制拼装UHPC梁接缝抗剪性能试验与理论研究

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节段预制拼装UHPC梁接缝抗剪性能试验与理论研究

作者：刘桐旭东南大学

学位级别：硕士

节段预制拼装UHPC梁因具有结构更轻薄、施工更便捷、寿命更长久等特点,近年来得到不断推广应用。相比整体浇筑UHPC梁而言,节段预制拼装UHPC梁最大的不同在于节段的接缝,接缝处混凝土结构界面分离,纵筋不连续,其力学性能和耐久性能是影响... 详细信息

节段预制拼装UHPC梁因具有结构更轻薄、施工更便捷、寿命更长久等特点,近年来得到不断推广应用。相比整体浇筑UHPC梁而言,节段预制拼装UHPC梁最大的不同在于节段的接缝,接缝处混凝土结构界面分离,纵筋不连续,其力学性能和耐久性能是影响UHPC梁的整体受力的主要因素之一。本文主要研究UHPC接缝的抗剪性能,对34个接缝抗剪性能试件进行了试验研究,并建立了有限元模型对接缝的各影响参数进行了分析探讨,基于应力莫尔圆准则,考虑剪切面弯矩的影响,对既有接缝抗剪承载力公式进行了改进。同时,考虑UHPC接缝的受力特点及斜裂缝面纤维的贡献,提出了适用于UHPC接缝的直剪承载力计算公式。1)不同混凝土强度及配纤率的混凝土接缝抗剪性能试验研究通过对29个接缝直剪试件和5个接缝弯剪复合作用试件的抗剪承载力试验,研究分析了侧向应力、混凝土强度、配纤率、键齿数量,键齿尺寸、键齿配筋形式及弯矩对接缝抗剪承载力、变形及破坏模式的影响。结果表明,侧向应力、混凝土基体强度的提高和钢纤维的掺入能显著提高接缝的抗剪承载力。UHPC多键齿接缝仍然存在折减效应,试验所得多键齿折减系数约为0.76～0.84。大键齿接缝相比三键齿接缝在弹性阶段的刚度虽然较低,但抗剪承载力提高了 9.7%。在大键齿中配筋能进一步提高接缝开裂前的刚度和抗剪承载力,其中配筋形式1对接缝承载力的提升更有效,键齿接缝的刚度也有明显提升。配筋形式2对接缝承载力的提升较少。大键齿接缝有承载力较高、便于拼装和易于配筋等优点,在拼装梁接缝抗剪需求较大时建议采用大键齿接缝。2)UHPC接缝有限元模拟及影响参数分析通过建立接缝有限元模型对接缝受力过程进行了研究,对本接缝试验进行了验证,并分别对UHPC接缝键齿倾角、键齿深度、侧向应力、剪切面弯矩等进行了参数分析。结果表明有限元模拟解释了试验中观察到的现象,揭示了键齿接缝的受力过程:对键齿所受主拉应力、侧向应力、剪应力和变形的分析解释了接缝面剥离现象;对三键齿、大键齿应力分布的分析解释了多键齿的折减效应和大键齿承载力提升的原因。有限元对接缝承载力的预测与试验结果基本吻合,但对相对滑移的模拟偏小。进行UHPC键齿接缝的设计时:键齿深高比η应大于临界值ηcritical,ηcritical约在0.05～0.1之间;键齿倾角α应小于临界值αcritical,αcritical约在45°～60°之间,两临界值均随侧向应力的增加而增加。在侧向应力较小时,剪切面弯矩对接缝的抗剪承载力无明显影响,而在侧向应力较大时,随着剪切面弯矩的增加,接缝张开量逐渐增大,仅部分键齿主要承力,抗剪承载力逐渐减小。3)接缝抗剪承载能力计算方法研究基于既有接缝直剪试验数据进行了统计,对既有接缝承载力计算公式进行了评价。然后基于应力莫尔圆原理对接缝承载力计算公式进行推导,考虑了接缝剪切面弯矩对抗剪承载力的影响,提出了考虑弯矩影响的混凝土接缝抗剪承载力计算方法。之后研究了 UHPC接缝的受力特点,对既有AASHTO接缝承载力计算公式进行了改进,同时探讨了纤维对混凝土接缝抗剪承载力的增强机理,考虑纤维混凝土及UHPC斜裂缝面的纤维项贡献,提出了适用于UHPC接缝的抗剪承载力计算公式,并采用接缝试验数据进行了验证。结果表明,接缝承载力与最大主拉应力破坏下的计算值接近,试件符合最大主拉应力破坏准则;UHPC接缝的抗剪承载力计算式的计算结果与试验结果吻合良好,相比原有AASHTO公式更能较好的预测UHPC接缝的直剪承载力;考虑弯矩影响的计算式在计算多键齿干接缝抗剪承载力时,相比AASHTO公式与试验值更加吻合。考虑纤维贡献的纤维-基体分离抗剪模型的计算值与整体抗剪模型的计算值均与试验结果吻合较好,其中纤维-基体分离模型能考虑不同纤维掺量与纤维类型的影响,更适用于纤维混凝土和UHPC接缝的抗剪承载力计算,但其准确性还有待进一步的研究。

关键词：混凝土接缝 UHPC 节段预制拼装梁抗剪性能计算方法侧向应力

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冲击荷载下节段拼装梁的响应与破坏特征研究

中国公路学报 2024年第5期37卷 188-200页

作者：王银辉石宝斌陈闯罗征浙江大学建筑工程学院浙江杭州310000 浙大宁波理工学院土木建筑工程学院浙江宁波315100

由于节段拼装梁在接缝处混凝土和钢筋均不连续,导致其剪切破坏机制更加突出,冲击荷载作用会进一步加剧其破坏向更具局部特征的剪切破坏演变。为了解冲击荷载下节段拼装梁的响应与破坏特征,开展了试验梁落锤冲击试验,并结合LS-DYNA数值... 详细信息

由于节段拼装梁在接缝处混凝土和钢筋均不连续,导致其剪切破坏机制更加突出,冲击荷载作用会进一步加剧其破坏向更具局部特征的剪切破坏演变。为了解冲击荷载下节段拼装梁的响应与破坏特征,开展了试验梁落锤冲击试验,并结合LS-DYNA数值模拟分析,得到冲击荷载作用下梁的裂缝发展、破坏过程、形态等破坏特征,获得梁体变形、支座反力、内力分布等动力响应,揭示了节段长度、冲击能量、冲击作用位置等因素对节段拼装梁的动力响应与破坏特征的影响规律。结果表明:冲击荷载作用下节段拼装梁的局部剪切破坏特征突出,损伤和破坏位置集中于冲击作用点所在节段及接缝,典型破坏形式有斜截面破坏和接缝截面直剪破坏2种,冲击作用点与接缝的相对位置对破坏形式影响显著;混凝土和预应力筋的变形是冲击能量耗散的主要原因,普通钢筋耗能贡献可以忽略;梁体变形在接缝位置呈折线状,位移响应时间比整体梁更长,残余变形小;冲击作用点附近截面剪力峰值达到冲击力峰值的40%左右,较大剪力是导致节段拼装梁在局部形成斜截面破坏和直剪破坏的主要原因。

关键词：桥梁工程冲击破坏特征落锤冲击试验节段预制拼装梁数值模拟

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节段预制胶接拼装混凝土梁受力行为试验研究

节段预制胶接拼装混凝土梁受力行为试验研究

作者：李伟超北京交通大学

学位级别：硕士

节段预制拼装结构具有施工速度快、标准化程度高、对既有交通及环境影响小等特点,工程应用逐渐增多。节段之间的接缝构造存在一些不确定性,对结构受力性能有不利影响,影响了这种结构在实际施工中的推广。本文针对节段预制胶拼结构进行... 详细信息

节段预制拼装结构具有施工速度快、标准化程度高、对既有交通及环境影响小等特点,工程应用逐渐增多。节段之间的接缝构造存在一些不确定性,对结构受力性能有不利影响,影响了这种结构在实际施工中的推广。本文针对节段预制胶拼结构进行试验研究,主要工作和结论如下:(1)设计制作了 8片节段预制胶拼混凝土试验梁及3片整体浇筑混凝土试验梁,并进行了静载试验。详细记录了试验梁破坏现象,测试了试验过程中试验梁的位移、应变。试验表明,未施加水平预加力的胶拼梁均为脆性破坏,施加一定水平预加力后的胶拼梁为延性破坏。开裂均始于接缝截面梁底或接缝截面附近梁底的素混凝土。(2)总结归纳了剪跨比、正应力水平、制作工艺等参数对试验梁受力行为的影响。(3)采用有限元分析软件ABAQUS对试验梁模型进行了数值模拟,对接缝截面附近混凝土的应力状态进行了详细分析,计算结果与试验符合良好。(4)通过分析点的双向应力状态,研究了胶拼试验梁在荷载作用下的主拉应力,探讨了试验梁在荷载作用下裂缝开展及延伸的规律。(5)通过数值模拟的方法,分析了胶层过厚、接缝周围混凝土弹性模量低、节段间混凝土未有效粘接、不同预加力水平等因素对节段胶拼梁受力性能的影响。(6)基于试验研究及数值分析结果提出了针对保证胶拼结构质量的建议。

关键词：节段预制拼装梁胶接缝静力试验破坏特征有限元分析

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冲击荷载下节段拼装梁的响应与破坏特征研究

中国公路学报 2023年

作者：王银辉石宝斌陈闯罗征浙江大学建筑工程学院浙大宁波理工学院土木建筑工程学院

由于节段拼装梁在接缝处混凝土和钢筋均不连续，导致其剪切破坏机制更加突出，冲击荷载作用会进一步加剧其破坏向更具局部特征的剪切破坏演变。为了解冲击荷载下节段拼装梁的响应与破坏特征，开展了试验梁落锤冲击试验，并结合LS-DYNA... 详细信息

由于节段拼装梁在接缝处混凝土和钢筋均不连续，导致其剪切破坏机制更加突出，冲击荷载作用会进一步加剧其破坏向更具局部特征的剪切破坏演变。为了解冲击荷载下节段拼装梁的响应与破坏特征，开展了试验梁落锤冲击试验，并结合LS-DYNA数值模拟分析，得到冲击荷载作用下梁的裂缝发展、破坏过程、形态等破坏特征，获得梁体变形、支座反力、内力分布等动力响应，揭示了节段长度、冲击能量、冲击作用位置等因素对节段拼装梁的动力响应与破坏特征的影响规律。结果表明：冲击荷载作用下节段拼装梁的局部剪切破坏特征突出，损伤和破坏位置集中于冲击作用点所在节段及接缝，典型破坏形式有斜截面破坏和接缝截面直剪破坏两种，冲击作用点与接缝的相对位置对破坏形式影响显著；混凝土和预应力筋的变形是冲击能量耗散的主要原因，普通钢筋耗能贡献可以忽略；梁体变形在接缝位置呈折线状，位移响应时间比整体梁更长，残余变形小；冲击作用点附近截面剪力峰值达到冲击力峰值的40%左右，较大剪力是导致节段拼装梁在局部形成斜截面破坏和直剪破坏的主要原因。

关键词：桥梁工程冲击破坏特征落锤冲击试验节段预制拼装梁数值模拟

冲击作用下节段拼装箱梁键齿胶接缝的剪切破坏特征研究

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冲击作用下节段拼装箱梁键齿胶接缝的剪切破坏特征研究

作者：陈泓玮重庆交通大学

学位级别：硕士

装配化施工是桥梁工业化发展的主流方向之一,节段预制拼装是预应力简支梁桥和连续梁桥的主要装配化技术,其中键齿胶接缝是块段连接构造的主要形式。由于节段间接缝为素混凝土,钢筋不连续,接缝成为抗剪薄弱点,节段拼装梁的抗剪能力成为... 详细信息

装配化施工是桥梁工业化发展的主流方向之一,节段预制拼装是预应力简支梁桥和连续梁桥的主要装配化技术,其中键齿胶接缝是块段连接构造的主要形式。由于节段间接缝为素混凝土,钢筋不连续,接缝成为抗剪薄弱点,节段拼装梁的抗剪能力成为研究的重点和热点。滚石、行车落物、车辆侧翻等冲击荷载对桥梁结构的作用不容忽视,往往导致剪切破坏为主的破坏形式,但目前研究尚局限于整体式梁,对节段拼装梁特别是接缝处冲击作用下动力响应、破坏形态和机理研究还很少。为此,本文通过单调递增静载试验、落锤冲击试验和有限元分析等研究手段,开展节段拼装梁的键齿胶接缝构造的抗冲击性能研究。主要研究内容与结论如下:(1)单个胶接缝的静载剪切破坏试验和数值研究。通过两组共7个静力直剪试验以及14个数值模型计算,分析单键齿胶接缝和平胶接缝的剪切破坏特征。结果表明,单键齿胶接缝和平胶接缝在直剪作用下均为脆性破坏,裂缝出现后快速达到破坏,承载力丧失,但破坏时齿根处出现短而细的斜裂缝;而正应力水平与正则化剪应力呈正线性相关。数值结果表明:正应力水平对胶接缝的初始刚度(荷载-相对滑移曲线的斜率)无影响,但可以有效延缓胶接缝的剪切断裂发展。(2)单个胶接缝剪切破坏特征的落锤试验研究。通过两组共7个落锤冲击试验,分析了单个键齿胶接缝和平胶缝在冲击作用下的剪切破坏特征。结果表明,冲击作用下单个键齿胶接缝试件完全剪切破坏过程可归纳为如下三个阶段:首先在键齿上角出现向齿底延伸的斜裂缝,然后下角出现斜裂缝,最后键齿上角附近的混凝土破碎,且破碎区向下延伸发展到下角的混凝土破碎区贯通,形成直剪裂缝;而当冲击能量完全传递后,上下角点的斜裂缝逐渐向竖向裂缝发展,甚至下角还未出现斜裂缝,便直接由上角裂缝形成的破碎区向下发展形成直剪裂缝。(3)基于数值分析的冲击作用下单键齿胶接缝剪切破坏特征的影响因素和承力分布研究。通过16个单键齿胶接缝数值模型和2个双键齿胶接缝模型的数值计算,分析混凝土强度、落锤冲击形式、落锤冲击速度以及正应力水平对单键齿胶接缝剪切破坏特征的影响规律,并归纳了键齿内的承力分布的一般规律。结果表明,混凝土强度对单键齿胶接缝抗冲击能力的提高有限,有且仅在小能量冲击时;落物的初始动量来判断受冲击的键齿构造更合理,落物动量越大造成破坏越严重;侧向正应力对键齿损伤后的强度和刚度均有一定的提高;单个键齿内下齿缝面承力占比最大,双键齿内上键齿承力占比稍大于下键齿,且优先发生剪切破坏。

关键词：节段预制拼装梁键齿胶接缝冲击作用剪切破坏落锤试验