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生态高延性水泥基复合材料桥面无缝连接板的设计与关键性能

柴丽娟  
【摘要】:针对中小型桥梁中伸缩缝的频繁损坏问题,采用生态高延性水泥基复合材料(Eco-HDCC)浇筑桥面无缝连接板,替换伸缩缝。Eco-HDCC具有优越的极限延伸率和较小的裂缝宽度,在工程应用上有很大的前景。玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋作为增强筋材,在众多筋材种类中,BFRP筋的受拉弹性模量与EcoHDCC的受拉弹性模量最为接近,BFRP筋与Eco-HDCC协同变形,可提高结构的承载力,在桥面无缝连接板中配置BFRP筋。本文以获得Eco-HDCC桥面无缝连接板设计方法为目标,从Eco-HDCC材料性能、BFRP筋增强Eco-HDCC构件性能以及桥面无缝连接板结构性能三个层次进行研究,主要内容如下:(1)在养护龄期28d~90d范围内,随着龄期的增加,Eco-HDCC的抗压强度、抗压弹性模量、峰值压应变、极限抗拉强度和抗拉弹性模量均呈增加趋势,极限延伸率降低;Eco-HDCC中粉煤灰的反应程度和非蒸发水含量随龄期增加而增加。在结构设计中,可采用28d龄期后的Eco-HDCC抗压应力—应变关系曲线和90d龄期后的Eco-HDCC拉伸应力—应变关系曲线。(2)在冻融—碳化交互作用次数0次~15次范围内,随着交互作用次数的增加,Eco-HDCC的极限抗拉强度先增加后降低,极限延伸率、拉伸应变能、弯曲强度、峰值挠度和弯曲韧性降低;交互作用次数对Eco-HDCC的剪切强度和峰值剪切应变基本无影响。在单一碳化次数为0次~15次范围内,随着碳化次数的增加,Eco-HDCC的极限抗拉强度增加,极限延伸率和拉伸应变能逐渐降低。与经历不同龄期和单一碳化次数后Eco-HDCC的拉伸性能相比,经历交互作用后EcoHDCC的极限抗拉强度和极限延伸率降低程度更明显。考虑结构设计安全性,建议采用经历15次冻融—碳化交互作用后Eco-HDCC的拉伸应力—应变曲线,极限延伸率为1.00%。(3)采用梁式拉拔法和直接拉拔法测试BFRP筋与Eco-HDCC的粘结性能,当BFRP筋直径为8mm~16mm,BFRP筋锚固长度为3D~10D(D为BFRP筋直径)时,随着BFRP筋直径或者锚固长度的增加,试件的峰值拉拔力和峰值滑移增加,峰值粘结应力降低;当BFRP筋保护层厚度为15mm~45mm时,随着保护层厚度的增加,试件的峰值拉拔力、峰值粘结应力和峰值滑移增加。提出了适用于BFRP筋与Eco-HDCC的粘结应力—滑移关系模型,计算了BFRP筋在EcoHDCC中的粘结锚固长度。(4)当BFRP筋直径为8mm~14mm时,随着BFRP筋直径的增加,BFRP筋增强Eco-HDCC试件的裂缝偏转角度减小,试件的起裂荷载、峰值荷载、峰值CMOD、峰值挠度和断裂能逐渐增加;在BFRP筋保护层厚度为15mm~25mm范围内时,保护层厚度较大时,试件的裂缝偏转角度较大,试件的起裂荷载、峰值荷载、峰值CMOD、峰值挠度和断裂能较小。基于断裂性能试验结果,建议BFRP筋直径为10mm、12mm和14mm,保护层厚度为25mm。(5)增加BFRP筋直径或者减小保护层厚度,可以减小BFRP筋增强EcoHDCC梁BFRP筋重心水平处构件侧表面上的最大裂缝宽度。BFRP筋直径、保护层厚度和加载方式对梁的初裂荷载几乎无影响;在BFRP筋直径为8mm~16mm范围内,随着直径的增加,梁的峰值荷载增加,峰值挠度先增加后减低;在BFRP筋保护层厚度为25mm~35mm范围内,随着保护层厚度的增加,梁的峰值荷载和峰值挠度降低;加载方式对梁的峰值荷载和峰值挠度无影响。梁截面应变沿高度基本呈现线性变化,梁中BFRP筋应变与同截面高度处Eco-HDCC变形具有协调性。提出梁的正截面受弯承载力方法,并与试验结果对比,验证正截面受弯承载力方法是合理的;提出了适用于梁的最大裂缝宽度计算公式。最后提出BFRP筋增强Eco-HDCC桥面无缝连接板的抗弯设计方法。(6)以中小型两跨简支梁工程为依托,根据BFRP筋增强Eco-HDCC受弯构件设计方法,计算行车方向BFRP筋的配筋率,初步得到八种配筋方案。采用Abaqus有限元软件分析温度—荷载耦合作用下桥面无缝连接板中Eco-HDCC和BFRP筋的受力,八种配筋方案下Eco-HDCC和BFRP筋的最大应力和最大应变基本相同,且最大应力和应变均在材料自身性能范围内,桥面无缝连接板的最大挠度满足桥梁挠跨比限制要求。综合多方面考虑,建议行车方向BFRP筋直径为10mm、12mm和14mm,横向构造BFRP筋直径为10mm。


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