钢—UHPC组合防撞新装置研究

何京

摘 要：超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）是一种近年兴起的，具有超高强度、超高延性和韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料。由于UHPC具有优异的力学特性（如抗压强度约150 MPa，抗拉强度近 30 MPa和良好的延性等），在结构抗冲击领域备受学者们的青睐。且UHPC板具有相当好的抗冲击性能，相对于普通混凝土板爆炸损伤及残余位移都显著地减小。尽管鲜有研究将UHPC运用于防撞领域，但目前UHPC在抗爆中表现出来的优异性能说明了将其用于防撞结构中具有巨大的潜力和前景，尤其是将其作为防船撞结构面板能够充分体现UHPC的抗冲击性能，同时也能显著提高面板的局部刚度。

关键词：钢-UHPC 轻型组合桥面结构；有限元分析；落锤冲击机

中图分类号：U443 文献标志码：A

0 引言

桥梁防船撞装置研究现状及动态分析：1980年美国阳光大桥发生第一次船撞事件，由此展开了对桥梁防撞措施的研究。目前应用较广泛的措施有：钢套箱、桩承防撞结构、重力式防撞墩以及人工岛。考虑适用性及经济性，在我国近年建设的桥梁工程（如苏通大桥、金塘大桥）中也主要采用了钢套箱形式的防撞措施。其中，在湛江海湾大桥建设过程中，学者们研制了一种由外浮箱、钢丝绳防撞圈和内浮箱组成的防撞结构，船撞下防撞圈吸收一部分能量，同时将船头往外推移，改变撞击角度，减小船撞力，是一项很具创意的防撞措施。但是由于采用薄钢板作为面板，抗冲击性能有限，结构整体耗能效率低，且与易燃船舶碰撞时，钢-钢接触可能造成火灾或爆炸。现有改进的防撞措施虽能够克服上述的部分不足，但他们尚不能弥补上述所有的不足，尤其是面板薄弱问题。在此背景下，研究一种新的性能优越的防撞装置来替代传统的防撞钢套箱显得非常必要。

1 桥梁防船撞概念设计的必要性

（1）国外内桥梁船撞事故频发。

（2）我国船—桥矛盾将日益突出。

（3）通航水域中桥墩（而不仅是航道边的桥墩）都应该进行合理的船撞设计。

（4）应采用主/被动防撞措施。

（5）船舶趋大型化、快速化和高密度化。

2008年长江干线货运量突破12亿t，是1978年的29倍，是美国密西西比河的2倍、欧洲莱茵河的3倍，是全球内河货运量最大的河流。

2 钢-UHPC 轻型组合结构的设计

2.1 钢-UHPC 轻型组合桥面结构引入

某大桥为连续三跨钢—混凝土混合梁，桥跨布置为 60 m

+128 m+60 m。该桥钢—混结合段是将跨中钢—UHPC 轻型 组合桥面中的 UHPC 层连续拓展，超过钢—混结合段，并伸入混凝土箱梁中的部分的新型结合段形式，如图1所示。

结合段内，控制结合段应力，通过布置大量预应力束，避免混凝土开裂。在混凝土梁内锚固预应力束一端， 承压板上及钢梁横隔板上锚固另一端在后。

2.2 钢—UHPC组合防撞新装置有限元模型

根据有限元理论完成建模及数据分析：采用SolidWorks完成波纹钢管、UHPC面板的初步建模，并加工出波纹钢管构件和UHPC面板构件，最后依据有限元理论进行分析，明确了影响防撞结构性能的主要因素。

2.3 有限元结果

提出了钢-UHPC 轻型组合梁无横向表面受拉接缝方案及单向受弯钢-UHPC轻型组合梁接缝方案。

2.4 钢—UHPC组合防撞装置落锤实验

2.4.1 实验目的和内容

建立基于落锤试验机系统开展船-防撞结构-桥梁碰撞试验的方法，为今后开展同类试验提供参考；制作钢-UHPC 轻型组合梁无横向表面受拉接缝方案及单向受弯钢-UHPC轻型组合梁接缝方案。

2.4.2 实验概况

落锤冲击机如图2所示。它有一个高3.5 m框架安装在钢筋混凝土上。尺寸为1.5 m×1.5 m和高0.9 m。框架是用37 mm螺栓刚性固定在底座顶部。重量为3.38 kN的锤子安装在起重机上后，会在立柱上上下滑动。锤子的内部装有气动刹车装置，它可以“抓住”垂直的柱子。如果采用这种方法，葫芦可以从锤子上拆下来。当松开制动器时，锤子自由地落在2个支撑砧上的梁试件上，如图2所示。

在图2中，引人注目的锤（称为“公羊”），锤子可以上升到离样品2.4 m的高度。通过在不同高度下击锤，施加的应力速率可能是不同的。

3 结论

通过建立混合连续梁桥的多尺度有限元模型，钢-混凝土接缝在各施工阶段的应力进行分析，得到以下结论：

（1）钢-混凝土接缝通常装有焊接的剪力螺栓。由于焊接的存在，结构中会产生应力集中。钢的韧性和延展性降低以及结构的疲劳耐久性也会降低。

（2）通过推拉试验，对无机械剪切接头的超高性能混凝土（UHPC）与钢的抗剪结合强度进行了评价。钢和混凝土之间的连接是由2组分环氧树脂获得的。用光滑的胶黏剂层与环氧树脂层的试样进行比较，在该研究中，我们比较了用河砾、碎石和钢砂制备的试样，并使用了2种不同的环氧树脂。在试验过程中，记录了钢与混凝土的极限剪力和滑移。所有的试验样品都显示混凝土黏结或混凝土失效。

（3）此外，試验结果表明，使用更流体的环氧树脂可以改善黏结层中砂砾的锚固性能，从而产生更高的剪切黏结应力。用河流砂砾或碎石磨碎的试样间无显著差异。在水平方向上用带齿叶片的胶层稍微改善了黏结性能。最后，没有砂砾的光滑环氧树脂层的试验构件的试验结果为断裂力学方法提供了试验数据。

参考文献

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