超高性能混凝土的力學特性與抗震性能研究

王子昂 葉新宇 鄭俊 賈海威 李博文 卜祥艷

摘要：本項目基于高性能組合橋梁的結構新體系，研究超高性能混凝土（UHPC）的力學特性與抗震性能。開展裝配式組合結構橋梁體系的力學性能試驗和理論研究，提出適用于工業(yè)化建造技術的組合結構橋梁設計理論。

關鍵詞：超高性能混凝土;力學特性;抗震性

一、國內外的研究現(xiàn)狀及研究意義

1.高性能材料的歷史淵源與合理應用

近代以來，世界上發(fā)生了很多破壞性地震，這些地震對公路橋梁和鐵路橋梁造成嚴重破壞，重建工程量巨大。從橋梁的震害調查中發(fā)現(xiàn)，很大一部分橋梁破壞和倒塌的原因是橋梁結構的抗彎延性不足。鋼混組合結構自20世紀50年代之后在我國得到了迅速的發(fā)展，從20-25m跨徑的中小跨梁橋到跨徑近千米的斜拉橋都有組合結構的應用。隨著道路等級的不斷提高和建設規(guī)模的擴大，橋梁呈現(xiàn)出跨徑不斷增大、橋型不斷豐富、結構不斷輕型化的發(fā)展趨勢，同時對橋梁建設的經濟性和綜合效益也越來越重視。普通混凝土自重過大、大跨徑組合結構橋梁的的負彎矩區(qū)易開裂和鋪裝層易損壞等問題均制約了鋼混組合結構的使用和發(fā)展。普通混凝土橋面板易發(fā)生開裂，是組合結構的主要病害之一，這個問題將導致主梁的結構剛度下降和非線性現(xiàn)象增強，使得界面組合作用的減弱，同時引起內部鋼筋及下部鋼梁銹蝕等病害，影響結構的安全性和耐久性等問題。合理應用工程新材料解決土木工程難題、突破工程技術瓶頸，已成為眾多土木工程學者的共識，結構形式和材料的創(chuàng)新是鋼-混組合結構橋梁創(chuàng)新的主要途徑。

超高性能混凝土（UHPC）具有高強度、高韌性、高耐久性以及良好的工作性能，特別是具有較高的抗拉性能和延性。因此，近年來UHPC在橋面鋪裝、裝配式結構中應用廣泛。目前，裝配式施工技術已在橋梁上部結構施工過程中成熟應用。為進一步縮短施工工期，下部橋墩也開始逐步采用裝配式施工技術。該技術主要有插槽式連接、承插式連接和灌漿套筒連接等連接方式。但這些連接方式施工難度較大，施工速度受到影響，而采用UHPC作為拼接段的灌注材料，可以利用其早期強度高、自密實性等優(yōu)點提高施工速度，發(fā)揮裝配式的優(yōu)勢。使結構抗震性能顯著提高?，F(xiàn)在的交通環(huán)境復雜甚至條件惡劣，比如通過強地震帶和跨越大江大河等，通過研究超高性能混凝土（UHPC）及應用，有效減少結構的損傷和保證足夠的安全系數(shù)。

1.1高性能材料組合結構橋梁

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是過去三十年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料，UHPC具有超高的力學性能和超高的耐久性，實現(xiàn)了工程材料性能的大跨越。高性能鋼材（High Performance Steel，HPS）在近10年得到了很大的發(fā)展，在鋼材的強度、耐候性、可焊性、斷裂韌性等方面都取得了長足的進步，能夠很好適應橋梁對動載、耐蝕和耐震等方面的性能需求。

目前，UHPC材料在大跨度橋梁鋼橋面中得到了一些應用，通過在正交異性鋼橋面上鋪設UHPC薄層形成“UHPC組合橋面結構”，以期解決正交異性鋼橋面的疲勞問題。在橋梁工程中，高性能鋼材主要應用于大跨重載鐵路橋梁（如：南京大勝關長江大橋的鋼桁拱結構部分構件采用了Q420qE高性能結構鋼）。

UHPC材料和高性能鋼材等高性能結構材料的發(fā)展，為組合結構橋梁體系創(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，為適應結構輕型化和高耐久性等方面的需求，采用高性能結構材料的“鋼-UHPC輕型組合梁橋”和“高性能鋼-混凝土組合梁橋”具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

1.2適應橋梁工業(yè)化建造技術的組合結構

橋梁工業(yè)化建造技術充分應用工廠化制造技術以實現(xiàn)橋梁的快速化建造，可加快施工速度，最大限度地減輕對橋位環(huán)境影響和交通干擾，易于保證工程質量，且能降低橋梁生命周期成本，代表著現(xiàn)代橋梁的發(fā)展方向。目前，我國城市橋梁采用的鋼-混凝土組合梁橋，大多是將工廠制造的鋼梁通過均布式栓釘與橋面板原位現(xiàn)澆疊合而成。這種體系的現(xiàn)澆混凝土量依然較大，工業(yè)化程度還不夠高，對城市交通和環(huán)境的干擾也較大。

隨著橋梁工業(yè)化建造技術的發(fā)展，裝配式鋼-混凝土組合梁橋體系應運而生，其核心是將工廠化制造的鋼梁和預制橋面板在現(xiàn)場進行快速拼裝，大大提高了橋梁建設速度，并且具有高耐久性、可更換性等技術優(yōu)勢。美國聯(lián)邦公路署（FHWA）于2001年啟動了橋梁快速施工計劃（Accelerated Bridge Construction），經過近十年的研究和實踐，確立了以全厚式預制橋面板為主的橋梁結構體系。近幾年，以裝配式組合鋼箱梁為主的橋梁結構體系，在我國一些長大公路橋梁中得到了應用（比如：上海長江大橋105m主跨連續(xù)組合鋼箱梁橋、港珠澳跨海大橋85m主跨連續(xù)組合鋼箱橋）。

在綠色城市橋梁建設中，如何最大限度地減輕對城市交通干擾和環(huán)境沖擊是突出問題，適應橋梁工業(yè)化建造技術的裝配式組合結構橋梁具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

2.項目已有的基礎

由于認識到普通混凝土橋面板易發(fā)生開裂，嚴重影響橋梁結構的耐久性和安全性，本項目團隊成員一直關注國內鋼-UHPC組合結構性能相關研究的新聞，并初期已經通過查閱相關文獻與書籍，對相關概念進行了了解和深入，主要是鋼-UHPC組合防撞性能、抗拉與抗壓性能、鋼-UHPC組合橋面板濕接縫界面處理方式、等方面的理論知識，并對文獻進行綜述。同時，已根據(jù)查閱的資料初步設計出了試驗方案。

申請人已開展了群釘連接的鋼-UHPC靜力性能推出試件試驗研究和數(shù)值模擬研究，其相應的成果已經在學術期刊上發(fā)表，所在團隊已在高性能鋼-UHPC組合結構研究方面已取得了較大的進展。這些有利條件將為本課題的進一步開展奠定良好的基礎，同時國家重大專項的支撐將為試驗的展開提供必要的研究經費保障。該重點研發(fā)計劃代表了國內鋼混組合結構領先水平，其參與人員包括國內鋼混組合結構領域的許多專家，各課題研究人員之間的頻繁交流與互動有利于順利推動課題的深層次研究。依托該研發(fā)計劃，申請人將進一步開展高性能鋼-UHPC組合結構體系創(chuàng)新試驗與理論研究，力求取得一批達到國際先進、國內領先的科研成果。gzslib202204012237

3.尚缺少的條件及方法

在團隊成員閱讀大量文獻的同時，由于自身的實踐經驗有限，并且實驗技能的操作不夠熟練，所以本項目成員希望能夠充分利用實驗室來豐富自身對本項目的認識和見解。

二、項目研究目標及主要內容

1.項目研究目標

以減小對城市交通和環(huán)境干擾、進一步提高城市組合結構橋梁的綜合性能為主要目標，運用高性能材料技術和橋梁工業(yè)化建造技術，研發(fā)以高使用性能、高施工性能和高耐久性能為主要特征的高性能組合結構城市橋梁體系。

（1）一方面，充分利用超高性能混凝土（UHPC）、高性能鋼材等材料的性能，研究輕型組合結構橋梁的高效結構體系、失效機理及性能控制設計方法。

（2）另一方面，面向城市橋梁快速施工需求，研究裝配式鋼混組合橋梁的結構形式、連接構造及快速拼裝施工技術。揭示高性能組合結構橋梁的高效組合機制及在車輛與環(huán)境荷載耦合作用下的受力機理。建立高性能組合結構橋梁的精細化計算模型和設計理論。

2.項目研究主要內容

2.1擬研究栓釘?shù)募厥脚c均布式等布置形式對界面連接性能與組合機制的影響;

2.2擬研究剪力連接件在高性能組合結構橋梁負彎矩區(qū)的彎矩削峰及抗裂效果;

2.3基于新材料及工業(yè)化建造技術的高性能組合結構橋梁體系，擬開展裝配式組合結構橋梁體系的力學性能試驗和理論研究。

三、項目創(chuàng)新特色概述

1.分別從“高性能結構材料”、“工業(yè)化建造技術”兩條路徑進行，屬于結構體系創(chuàng)新研究;

2.通過材料層次、構件層次及大比例縮尺模型試驗，研發(fā)滿足適用于高性能組合結構橋梁體系不同部位所需材料的制備理論及設計方法;

3.探究組合結構橋梁界面連接及接縫位置等關鍵位置在復雜荷載作用下的受力性能及失效模式，提出基于工業(yè)化建造技術的高性能組合結構橋梁體系設計理論，分析組合結構橋梁的基本力學性能;進而研究高性能組合結構橋梁的精細化計算方法及優(yōu)化設計理論。

四、項目研究技術路線

本項目著力研究適應組合結構橋梁需求的水泥基材料性能的改良和提升方法;從“高性能結構材料”、“工業(yè)化建造技術”兩條路徑進行結構體系創(chuàng)新研究;從而建立高性能組合結構體系的精細化計算模型，研究界面滑移行為、空間效應等因素對施工全過程力學行為的影響規(guī)律，提出面向設計的實用計算方法。具體的項目研究技術路線如下圖所示：

參考文獻：

[1]趙卓，耿佳碩，王建強.采用UHPC材料連接的裝配式橋墩抗震性能研究[J/OL].鄭州大學學報（工學版）：1-6[2021-04-21].1671-6833.2021.02.006.

[2]彭文星.鋼筋混凝土橋墩加固抗震性能研究與探索[J].城市住宅，2021，28（03）：219-221.

作者簡介：

王子昂（2001-），男，漢族，江蘇泰州人，徐州工程學院本科在讀，工程造價方向。

基金項目：