高性能鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)與理論研究

楊振偉　雷蕾　呂秀媛　葉新宇　戴蘇妍

摘 要：鋼-超高性能混凝土（UHPC）組合結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)體系，近年來(lái)被越來(lái)越多地應(yīng)用在實(shí)際工程之中，對(duì)其性能的研究有著更加深遠(yuǎn)的意義。文章基于高性能組合橋梁的結(jié)構(gòu)新體系，分析傳統(tǒng)鋼混結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，簡(jiǎn)述高性能材料近年來(lái)在工程上的應(yīng)用及超高性能混凝土在工程應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)要分析裝配式組合結(jié)構(gòu)橋梁剪力連接方式和預(yù)制橋面板接縫構(gòu)造，進(jìn)行裝配式組合結(jié)構(gòu)橋梁體系的力學(xué)性能試驗(yàn)和理論研究。

關(guān)鍵詞：鋼-UHPC;裝配式;力學(xué)性能

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大以及道路建設(shè)的升級(jí)，橋梁呈現(xiàn)出橋型更加多樣、跨徑不斷增大、結(jié)構(gòu)更加輕盈、更加注重美觀和綜合效益的發(fā)展趨勢(shì)。普通混凝土自重過(guò)大、大跨徑組合結(jié)構(gòu)橋梁的負(fù)彎矩區(qū)容易產(chǎn)生開(kāi)裂、鋼與混凝土連接滑移和鋪裝層易損壞等諸多問(wèn)題，均制約了鋼混組合結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的使用和發(fā)展。普通混凝土橋面板易發(fā)生開(kāi)裂，將可能導(dǎo)致主梁的結(jié)構(gòu)剛度下降和非線性現(xiàn)象增強(qiáng)、界面組合作用減弱、內(nèi)部鋼筋及下部鋼梁銹蝕等病害，嚴(yán)重影響橋體結(jié)構(gòu)的耐久性等。合理應(yīng)用工程新材料解決土木工程難題、突破工程技術(shù)瓶頸，已成為眾多土木工程學(xué)者的共識(shí)，其中，材料和結(jié)構(gòu)形式方面的理論及應(yīng)用創(chuàng)新是橋梁鋼混組合結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)?chuàng)新途徑。

1 ? ?高性能組合橋梁的結(jié)構(gòu)新體系

1.1 ?高性能材料的應(yīng)用

近十年來(lái)，高性能鋼材（HPS）發(fā)展飛速，尤其是在鋼材的強(qiáng)度、可焊性、耐候性及斷裂韌性等方面，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，能夠很好地滿足橋梁對(duì)動(dòng)載、耐蝕和耐震等方面的性能需求。

在大跨度橋梁鋼橋面的應(yīng)用方面，高性能鋼材主要應(yīng)用于大跨重載鐵路橋梁;鋼-超高性能混凝土材料則可增強(qiáng)正交異性鋼橋面的穩(wěn)定性及耐久性。

UHPC材料和高性能鋼材等高性能結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，為組合結(jié)構(gòu)橋梁體系創(chuàng)新和綜合性能全面提升注入了新的活力。在量大面廣的中小跨徑城市橋梁中，為適應(yīng)結(jié)構(gòu)輕型化和高耐久性等方面的需求，高性能鋼-混凝土組合梁橋以及鋼-UHPC輕型組合梁橋因選用了高性能結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1.2 ?超高性能混凝土在工程應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC在工程應(yīng)用方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。

（1）具有超高的力學(xué)性能。其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)混凝土，可以適用于更多環(huán)境，即使在超載或地震以及各種惡劣的情況下也會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)越的穩(wěn)定性，最大限度地降低財(cái)產(chǎn)的損失，較好地優(yōu)化了工程材料性能。

（2）具有超高的耐久性。其質(zhì)地致密度極高，氯離子和硫酸鹽的滲透率幾乎為零，有利于縮短建筑的更替時(shí)間，延長(zhǎng)工程材料使用壽命，進(jìn)而節(jié)約建筑維修維護(hù)的相關(guān)費(fèi)用。腐蝕程度低且慢的超高性能混凝土在惡劣環(huán)境下為混凝土材料的使用提供了工程應(yīng)用上的基本保證。

（3）重量較低。相同體積下其重量?jī)H是傳統(tǒng)混凝土重量的一半。自重的減少有利于建造更加細(xì)長(zhǎng)的建筑，在降低了混凝土厚度的同時(shí)，有利于增強(qiáng)其彈性變化量及結(jié)構(gòu)底部穩(wěn)定性。

1.3 ?基于裝配式的鋼-混凝土組合梁橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

隨著橋梁工業(yè)化建造技術(shù)的發(fā)展，裝配式組合梁橋體系應(yīng)運(yùn)而生，核心是將工廠化制造的鋼梁和預(yù)制橋面板在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速拼裝，極大地提高了橋梁建設(shè)速度，但普通的裝配式橋梁由于材料缺乏耐久性，僅作為應(yīng)急橋梁，不能長(zhǎng)期使用，且后期不能轉(zhuǎn)化。

在使用高性能材料替代傳統(tǒng)橋梁材料后，裝配式鋼-混凝土組合梁橋體系具有高耐久性、可更換性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，以裝配式組合鋼箱梁為主的橋梁結(jié)構(gòu)體系，在我國(guó)一些長(zhǎng)且大的公路橋梁中得到了應(yīng)用，比如：上海長(zhǎng)江大橋105 m主跨連續(xù)組合鋼箱梁橋、港珠澳跨海大橋85 m主跨連續(xù)組合鋼箱橋。

2 ? ?基于裝配式的高性能鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)

2.1 ?裝配式鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)橋梁力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)裝配式鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析對(duì)該橋梁體系的抗裂性能、組合性能等的研究，采用4組裝配式鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)梁，在相同的環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力加載試驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，研究剪力連接度的規(guī)律、裝配式鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)橋梁的破壞模式，論證裝配式鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)橋梁的受力性能。同時(shí)，結(jié)合兩組推出試驗(yàn)，分析該連接結(jié)構(gòu)的水平傳力機(jī)理。此外，設(shè)計(jì)并進(jìn)行一個(gè)新型裝配式組合梁的抗彎試驗(yàn)，探討其破壞形式以及荷載-撓度曲線，通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS，結(jié)合抗彎試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)組合結(jié)構(gòu)橋梁各部件進(jìn)行分析，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的比較進(jìn)行建模分析，并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)組合梁的破壞機(jī)理做進(jìn)一步分析。

2.2 ?裝配式組合結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合

基于裝配式的高性能鋼-UHPC組合梁在工程中采用了耐大氣腐蝕鋼、鋼-混凝土界面連接膠及波形鋼腹板等新型材料，可構(gòu)成雙鋼箱閉合截面，該組合結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮出了更大的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

（1）讓結(jié)構(gòu)更加輕盈，降低橋梁自身重量，讓橋梁穩(wěn)定性更好，承載能力更大。

（2）使構(gòu)件抗腐蝕性能更好，延長(zhǎng)工件使用壽命。

（3）提高結(jié)構(gòu)剛度，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，弱化風(fēng)力作用，進(jìn)而減小空氣磨損帶來(lái)的不利影響。

（4）在兼顧美觀和經(jīng)濟(jì)、提高橋梁結(jié)構(gòu)的跨越能力的同時(shí)，發(fā)揮出結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，建造雙層橋面。

（5）在一定程度上降低建筑成本、實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化生產(chǎn)。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用裝配式鋼-UHPC組合結(jié)構(gòu)橋梁建造技術(shù)，不但可以大幅度提高施工的質(zhì)量，還可以延長(zhǎng)建筑的使用壽命，減少施工的時(shí)間，減少開(kāi)支，同時(shí)，也可以減少施工過(guò)程中產(chǎn)生的污染，保護(hù)環(huán)境。裝配式組合結(jié)構(gòu)橋梁能良好地適應(yīng)橋梁工業(yè)化建造技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：楊振偉（1999— ），男，河南周口人，本科生;研究方向：土木工程。