鋼—UHPC組合防撞新裝置研究

何京

摘 要：超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）是一種近年興起的，具有超高強(qiáng)度、超高延性和韌性、高耐久性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。由于UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)特性（如抗壓強(qiáng)度約150 MPa，抗拉強(qiáng)度近 30 MPa和良好的延性等），在結(jié)構(gòu)抗沖擊領(lǐng)域備受學(xué)者們的青睞。且UHPC板具有相當(dāng)好的抗沖擊性能，相對(duì)于普通混凝土板爆炸損傷及殘余位移都顯著地減小。盡管鮮有研究將UHPC運(yùn)用于防撞領(lǐng)域，但目前UHPC在抗爆中表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異性能說(shuō)明了將其用于防撞結(jié)構(gòu)中具有巨大的潛力和前景，尤其是將其作為防船撞結(jié)構(gòu)面板能夠充分體現(xiàn)UHPC的抗沖擊性能，同時(shí)也能顯著提高面板的局部剛度。

關(guān)鍵詞：鋼-UHPC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)；有限元分析；落錘沖擊機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：U443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

橋梁防船撞裝置研究現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)分析：1980年美國(guó)陽(yáng)光大橋發(fā)生第一次船撞事件，由此展開(kāi)了對(duì)橋梁防撞措施的研究。目前應(yīng)用較廣泛的措施有：鋼套箱、樁承防撞結(jié)構(gòu)、重力式防撞墩以及人工島?？紤]適用性及經(jīng)濟(jì)性，在我國(guó)近年建設(shè)的橋梁工程（如蘇通大橋、金塘大橋）中也主要采用了鋼套箱形式的防撞措施。其中，在湛江海灣大橋建設(shè)過(guò)程中，學(xué)者們研制了一種由外浮箱、鋼絲繩防撞圈和內(nèi)浮箱組成的防撞結(jié)構(gòu)，船撞下防撞圈吸收一部分能量，同時(shí)將船頭往外推移，改變撞擊角度，減小船撞力，是一項(xiàng)很具創(chuàng)意的防撞措施。但是由于采用薄鋼板作為面板，抗沖擊性能有限，結(jié)構(gòu)整體耗能效率低，且與易燃船舶碰撞時(shí)，鋼-鋼接觸可能造成火災(zāi)或爆炸?，F(xiàn)有改進(jìn)的防撞措施雖能夠克服上述的部分不足，但他們尚不能彌補(bǔ)上述所有的不足，尤其是面板薄弱問(wèn)題。在此背景下，研究一種新的性能優(yōu)越的防撞裝置來(lái)替代傳統(tǒng)的防撞鋼套箱顯得非常必要。

1 橋梁防船撞概念設(shè)計(jì)的必要性

（1）國(guó)外內(nèi)橋梁船撞事故頻發(fā)。

（2）我國(guó)船—橋矛盾將日益突出。

（3）通航水域中橋墩（而不僅是航道邊的橋墩）都應(yīng)該進(jìn)行合理的船撞設(shè)計(jì)。

（4）應(yīng)采用主/被動(dòng)防撞措施。

（5）船舶趨大型化、快速化和高密度化。

2008年長(zhǎng)江干線貨運(yùn)量突破12億t，是1978年的29倍，是美國(guó)密西西比河的2倍、歐洲萊茵河的3倍，是全球內(nèi)河貨運(yùn)量最大的河流。

2 鋼-UHPC 輕型組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 鋼-UHPC 輕型組合橋面結(jié)構(gòu)引入

某大橋?yàn)檫B續(xù)三跨鋼—混凝土混合梁，橋跨布置為 60 m

+128 m+60 m。該橋鋼—混結(jié)合段是將跨中鋼—UHPC 輕型 組合橋面中的 UHPC 層連續(xù)拓展，超過(guò)鋼—混結(jié)合段，并伸入混凝土箱梁中的部分的新型結(jié)合段形式，如圖1所示。

結(jié)合段內(nèi)，控制結(jié)合段應(yīng)力，通過(guò)布置大量預(yù)應(yīng)力束，避免混凝土開(kāi)裂。在混凝土梁內(nèi)錨固預(yù)應(yīng)力束一端， 承壓板上及鋼梁橫隔板上錨固另一端在后。

2.2 鋼—UHPC組合防撞新裝置有限元模型

根據(jù)有限元理論完成建模及數(shù)據(jù)分析：采用SolidWorks完成波紋鋼管、UHPC面板的初步建模，并加工出波紋鋼管構(gòu)件和UHPC面板構(gòu)件，最后依據(jù)有限元理論進(jìn)行分析，明確了影響防撞結(jié)構(gòu)性能的主要因素。

2.3 有限元結(jié)果

提出了鋼-UHPC 輕型組合梁無(wú)橫向表面受拉接縫方案及單向受彎鋼-UHPC輕型組合梁接縫方案。

2.4 鋼—UHPC組合防撞裝置落錘實(shí)驗(yàn)

2.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

建立基于落錘試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展船-防撞結(jié)構(gòu)-橋梁碰撞試驗(yàn)的方法，為今后開(kāi)展同類(lèi)試驗(yàn)提供參考；制作鋼-UHPC 輕型組合梁無(wú)橫向表面受拉接縫方案及單向受彎鋼-UHPC輕型組合梁接縫方案。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)概況

落錘沖擊機(jī)如圖2所示。它有一個(gè)高3.5 m框架安裝在鋼筋混凝土上。尺寸為1.5 m×1.5 m和高0.9 m。框架是用37 mm螺栓剛性固定在底座頂部。重量為3.38 kN的錘子安裝在起重機(jī)上后，會(huì)在立柱上上下滑動(dòng)。錘子的內(nèi)部裝有氣動(dòng)剎車(chē)裝置，它可以“抓住”垂直的柱子。如果采用這種方法，葫蘆可以從錘子上拆下來(lái)。當(dāng)松開(kāi)制動(dòng)器時(shí)，錘子自由地落在2個(gè)支撐砧上的梁試件上，如圖2所示。

在圖2中，引人注目的錘（稱(chēng)為“公羊”），錘子可以上升到離樣品2.4 m的高度。通過(guò)在不同高度下?lián)翦N，施加的應(yīng)力速率可能是不同的。

3 結(jié)論

通過(guò)建立混合連續(xù)梁橋的多尺度有限元模型，鋼-混凝土接縫在各施工階段的應(yīng)力進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）鋼-混凝土接縫通常裝有焊接的剪力螺栓。由于焊接的存在，結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。鋼的韌性和延展性降低以及結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性也會(huì)降低。

（2）通過(guò)推拉試驗(yàn)，對(duì)無(wú)機(jī)械剪切接頭的超高性能混凝土（UHPC）與鋼的抗剪結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。鋼和混凝土之間的連接是由2組分環(huán)氧樹(shù)脂獲得的。用光滑的膠黏劑層與環(huán)氧樹(shù)脂層的試樣進(jìn)行比較，在該研究中，我們比較了用河礫、碎石和鋼砂制備的試樣，并使用了2種不同的環(huán)氧樹(shù)脂。在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄了鋼與混凝土的極限剪力和滑移。所有的試驗(yàn)樣品都顯示混凝土黏結(jié)或混凝土失效。

（3）此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，使用更流體的環(huán)氧樹(shù)脂可以改善黏結(jié)層中砂礫的錨固性能，從而產(chǎn)生更高的剪切黏結(jié)應(yīng)力。用河流砂礫或碎石磨碎的試樣間無(wú)顯著差異。在水平方向上用帶齒葉片的膠層稍微改善了黏結(jié)性能。最后，沒(méi)有砂礫的光滑環(huán)氧樹(shù)脂層的試驗(yàn)構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果為斷裂力學(xué)方法提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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