超高性能混凝土的力学特性与抗震性能研究

王子昂 叶新宇 郑俊 贾海威 李博文 卜祥艳

摘要：本项目基于高性能组合桥梁的结构新体系，研究超高性能混凝土（UHPC）的力学特性与抗震性能。开展装配式组合结构桥梁体系的力学性能试验和理论研究，提出适用于工业化建造技术的组合结构桥梁设计理论。

关键词：超高性能混凝土;力学特性;抗震性

一、國内外的研究现状及研究意义

1.高性能材料的历史渊源与合理应用

近代以来，世界上发生了很多破坏性地震，这些地震对公路桥梁和铁路桥梁造成严重破坏，重建工程量巨大。从桥梁的震害调查中发现，很大一部分桥梁破坏和倒塌的原因是桥梁结构的抗弯延性不足。钢混组合结构自20世纪50年代之后在我国得到了迅速的发展，从20-25m跨径的中小跨梁桥到跨径近千米的斜拉桥都有组合结构的应用。随着道路等级的不断提高和建设规模的扩大，桥梁呈现出跨径不断增大、桥型不断丰富、结构不断轻型化的发展趋势，同时对桥梁建设的经济性和综合效益也越来越重视。普通混凝土自重过大、大跨径组合结构桥梁的的负弯矩区易开裂和铺装层易损坏等问题均制约了钢混组合结构的使用和发展。普通混凝土桥面板易发生开裂，是组合结构的主要病害之一，这个问题将导致主梁的结构刚度下降和非线性现象增强，使得界面组合作用的减弱，同时引起内部钢筋及下部钢梁锈蚀等病害，影响结构的安全性和耐久性等问题。合理应用工程新材料解决土木工程难题、突破工程技术瓶颈，已成为众多土木工程学者的共识，结构形式和材料的创新是钢-混组合结构桥梁创新的主要途径。

超高性能混凝土（UHPC）具有高强度、高韧性、高耐久性以及良好的工作性能，特别是具有较高的抗拉性能和延性。因此，近年来UHPC在桥面铺装、装配式结构中应用广泛。目前，装配式施工技术已在桥梁上部结构施工过程中成熟应用。为进一步缩短施工工期，下部桥墩也开始逐步采用装配式施工技术。该技术主要有插槽式连接、承插式连接和灌浆套筒连接等连接方式。但这些连接方式施工难度较大，施工速度受到影响，而采用UHPC作为拼接段的灌注材料，可以利用其早期强度高、自密实性等优点提高施工速度，发挥装配式的优势。使结构抗震性能显著提高。现在的交通环境复杂甚至条件恶劣，比如通过强地震带和跨越大江大河等，通过研究超高性能混凝土（UHPC）及应用，有效减少结构的损伤和保证足够的安全系数。

1.1高性能材料组合结构桥梁

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，UHPC具有超高的力学性能和超高的耐久性，实现了工程材料性能的大跨越。高性能钢材（High Performance Steel，HPS）在近10年得到了很大的发展，在钢材的强度、耐候性、可焊性、断裂韧性等方面都取得了长足的进步，能够很好适应桥梁对动载、耐蚀和耐震等方面的性能需求。

目前，UHPC材料在大跨度桥梁钢桥面中得到了一些应用，通过在正交异性钢桥面上铺设UHPC薄层形成“UHPC组合桥面结构”，以期解决正交异性钢桥面的疲劳问题。在桥梁工程中，高性能钢材主要应用于大跨重载铁路桥梁（如：南京大胜关长江大桥的钢桁拱结构部分构件采用了Q420qE高性能结构钢）。

UHPC材料和高性能钢材等高性能结构材料的发展，为组合结构桥梁体系创新和综合性能全面提升注入了新的活力。在量大面广的中小跨径城市桥梁中，为适应结构轻型化和高耐久性等方面的需求，采用高性能结构材料的“钢-UHPC轻型组合梁桥”和“高性能钢-混凝土组合梁桥”具有广阔的发展和应用前景。

1.2适应桥梁工业化建造技术的组合结构

桥梁工业化建造技术充分应用工厂化制造技术以实现桥梁的快速化建造，可加快施工速度，最大限度地减轻对桥位环境影响和交通干扰，易于保证工程质量，且能降低桥梁生命周期成本，代表着现代桥梁的发展方向。目前，我国城市桥梁采用的钢-混凝土组合梁桥，大多是将工厂制造的钢梁通过均布式栓钉与桥面板原位现浇叠合而成。这种体系的现浇混凝土量依然较大，工业化程度还不够高，对城市交通和环境的干扰也较大。

随着桥梁工业化建造技术的发展，装配式钢-混凝土组合梁桥体系应运而生，其核心是将工厂化制造的钢梁和预制桥面板在现场进行快速拼装，大大提高了桥梁建设速度，并且具有高耐久性、可更换性等技术优势。美国联邦公路署（FHWA）于2001年启动了桥梁快速施工计划（Accelerated Bridge Construction），经过近十年的研究和实践，确立了以全厚式预制桥面板为主的桥梁结构体系。近几年，以装配式组合钢箱梁为主的桥梁结构体系，在我国一些长大公路桥梁中得到了应用（比如：上海长江大桥105m主跨连续组合钢箱梁桥、港珠澳跨海大桥85m主跨连续组合钢箱桥）。

在绿色城市桥梁建设中，如何最大限度地减轻对城市交通干扰和环境冲击是突出问题，适应桥梁工业化建造技术的装配式组合结构桥梁具有广阔的发展和应用前景。

2.项目已有的基础

由于认识到普通混凝土桥面板易发生开裂，严重影响桥梁结构的耐久性和安全性，本项目团队成员一直关注国内钢-UHPC组合结构性能相关研究的新闻，并初期已经通过查阅相关文献与书籍，对相关概念进行了了解和深入，主要是钢-UHPC组合防撞性能、抗拉与抗压性能、钢-UHPC组合桥面板湿接缝界面处理方式、等方面的理论知识，并对文献进行综述。同时，已根据查阅的资料初步设计出了试验方案。

申请人已开展了群钉连接的钢-UHPC静力性能推出试件试验研究和数值模拟研究，其相应的成果已经在学术期刊上发表，所在团队已在高性能钢-UHPC组合结构研究方面已取得了较大的进展。这些有利条件将为本课题的进一步开展奠定良好的基础，同时国家重大专项的支撑将为试验的展开提供必要的研究经费保障。该重点研发计划代表了国内钢混组合结构领先水平，其参与人员包括国内钢混组合结构领域的许多专家，各课题研究人员之间的频繁交流与互动有利于顺利推动课题的深层次研究。依托该研发计划，申请人将进一步开展高性能钢-UHPC组合结构体系创新试验与理论研究，力求取得一批达到国际先进、国内领先的科研成果。gzslib202204012237

3.尚缺少的条件及方法

在团队成员阅读大量文献的同时，由于自身的实践经验有限，并且实验技能的操作不够熟练，所以本项目成员希望能够充分利用实验室来丰富自身对本项目的认识和见解。

二、项目研究目标及主要内容

1.项目研究目标

以减小对城市交通和环境干扰、进一步提高城市组合结构桥梁的综合性能为主要目标，运用高性能材料技术和桥梁工业化建造技术，研发以高使用性能、高施工性能和高耐久性能为主要特征的高性能组合结构城市桥梁体系。

（1）一方面，充分利用超高性能混凝土（UHPC）、高性能钢材等材料的性能，研究轻型组合结构桥梁的高效结构体系、失效机理及性能控制设计方法。

（2）另一方面，面向城市桥梁快速施工需求，研究装配式钢混组合桥梁的结构形式、连接构造及快速拼装施工技术。揭示高性能组合结构桥梁的高效组合机制及在车辆与环境荷载耦合作用下的受力机理。建立高性能组合结构桥梁的精细化计算模型和设计理论。

2.项目研究主要内容

2.1拟研究栓钉的集簇式与均布式等布置形式对界面连接性能与组合机制的影响;

2.2拟研究剪力连接件在高性能组合结构桥梁负弯矩区的弯矩削峰及抗裂效果;

2.3基于新材料及工業化建造技术的高性能组合结构桥梁体系，拟开展装配式组合结构桥梁体系的力学性能试验和理论研究。

三、项目创新特色概述

1.分别从“高性能结构材料”、“工业化建造技术”两条路径进行，属于结构体系创新研究;

2.通过材料层次、构件层次及大比例缩尺模型试验，研发满足适用于高性能组合结构桥梁体系不同部位所需材料的制备理论及设计方法;

3.探究组合结构桥梁界面连接及接缝位置等关键位置在复杂荷载作用下的受力性能及失效模式，提出基于工业化建造技术的高性能组合结构桥梁体系设计理论，分析组合结构桥梁的基本力学性能;进而研究高性能组合结构桥梁的精细化计算方法及优化设计理论。

四、项目研究技术路线

本项目着力研究适应组合结构桥梁需求的水泥基材料性能的改良和提升方法;从“高性能结构材料”、“工业化建造技术”两条路径进行结构体系创新研究;从而建立高性能组合结构体系的精细化计算模型，研究界面滑移行为、空间效应等因素对施工全过程力学行为的影响规律，提出面向设计的实用计算方法。具体的项目研究技术路线如下图所示：

参考文献：

[1]赵卓，耿佳硕，王建强.采用UHPC材料连接的装配式桥墩抗震性能研究[J/OL].郑州大学学报（工学版）：1-6[2021-04-21].1671-6833.2021.02.006.

[2]彭文星.钢筋混凝土桥墩加固抗震性能研究与探索[J].城市住宅，2021，28（03）：219-221.

作者简介：

王子昂（2001-），男，汉族，江苏泰州人，徐州工程学院本科在读，工程造价方向。

基金项目：