超高性能混凝土.docx

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1、概述超高性能混凝土（UHPC）比传统的混凝土提供更高的抗压强度和抗拉强度。由于 UHPC 较高的强度、刚度，耐久性,使其便于在桥梁上使用。然而，一个缺点是，面板和梁的连接区域一般要有一个较厚的截面来确保适当的剪切连接，这使得甲板上的 UHPC 不能更薄，更轻。此外，抗剪栓钉剪力连接件嵌入在 UHPC 板中对强度的影响与传统的混凝土板并不相同。我们通过 15 个推测试探讨论一个栓钉剪切连接键嵌入在 UHPC 面板的情况。我们测试了相对栓钉的极限强度极其相对滑移，并选择这些测试参数，以证明一个更薄的板的可行性。我们研究栓钉的长细比，纵横比以及栓钉顶部的覆盖厚度以证实 eurocode-4 AASH

2、TO LRFD 设计规范中提到的UHPC 面板的几何约束的存在。由试验得出，在不用损失栓钉的剪切强度情况下，其纵横比由 4 减少到 3.1。覆盖厚度可以 50 毫米减少到 25 毫米而不引起在 UHPC 裂缝厚板.然而，在所有情况下，都没有达到 6 毫米的延展性需求。因此，在 UHPC 板中栓钉剪力连接件设计应按照弹性设计规范。1.介绍超高性能混凝土（UHPC）是一种先进的由高强度基体和纤维组成的复合材 料 。与传统的混凝土相比，它提供了优越的抗压强度（150 MPa）和拉伸强度 （5 MPa）以及更高的弹性模量（40 GPA）。它通常是由波特兰水泥，硅灰， 填料，细集料，高效减水剂，水和钢纤

3、维组成。UHPC 正在越来越广泛地应用到各种民用基础设施。特别是，许多调查发现， 由于其较高的强度，刚度和耐久性，它确实适用于桥梁组件，如梁，板和连接 节点。有研究调查了 UHPC 作为一个面板组件的作用。saleem 等，开发了一个较薄的 UHPC 板系统以替代一个网格式钢面板。 coreslab 结构公司开发的华夫饼形状的 UHPC 面板，安装在雪松溪、瓦佩洛县， 爱荷华的桥上。我们研究了结构的表现，并提出了一个设计这个面板系统的包 括连接部分的指南。通过努力，我们开发了由 FRP 梁顶加上一层 UHPC 材料进行组合的组合梁 。陈和埃尔阿查用 9.5-mm 直径的玻璃纤维增强（GFRP）

4、栓钉连接由空心箱体组 成并覆盖了 53 毫米厚的 UHPC 层的 FRP 梁。Nguyen 等人。开发了上覆预制 UHPC 板的 FRP 工字梁组成的组合梁 ，其中板采用了 M16 螺栓作为剪力连接器以及环氧树脂材料。UHPC 板 50 毫米厚，而螺栓嵌入深度为 35 毫米，导致螺栓顶部只有 15 毫米。螺柱长细 比为 2.2。这个顶部的厚度和纵横比不满足设计规范要求的 50 毫米和比列值 4。 UHPC 桥面板的可以比传统的混凝土桥面 有一个更小的横截面。然而，连接了板和钢梁的连接区域厚度应该比传统条件 下的厚度要厚，以确保该剪切连接器可以正确安装和嵌入在在面板中，来符合 现有的设计规范。例

5、如，以前开发的两个 UHPC 节点厚度分别为 127 毫米的厚 度（5 英寸）和 203 毫米（8 英寸），这 不低于混凝土桥面的厚度。UHPC 板最小的厚度为 32 毫米（1.25 英寸）， 63.5 毫米（2.5 英寸），而剪切连接需要一个足够厚的 UHPC 板；这不利于降低 自重和板的厚度。本研究探讨嵌入在不同厚度 UHPC 板上的螺栓剪力连接件的 结构反应，证实了设计规范的有效性。自 1960 以来，由于复合结构的结构强度高，其已被广泛应用。这种结构通 常由一个钢梁和混凝土板通过适当的剪力连接件，如角、槽钢、双头和穿孔的 肋，通过合适的剪力连接件传递剪切力的混凝土桥面。由于其简单和快速

6、的 安装，双头螺栓是最常用的。使用螺柱焊枪和优越的延展性使双头螺栓比其他 剪切连接器更方便。ollgaard 等人的早期的实验工作对螺栓剪切连接器的静力强 度进行了评估。他们发现一种螺栓剪切连接器的静力强度由两个控制 不同的失效机理决定：1.周围的混凝土压碎破坏，这与混凝土的抗压强度相关。2.螺杆剪断破坏，这与螺杆的极限抗拉强度有关。这个两种不同的控制机制间较小的值为螺栓的剪切强度设计值。定义剪切连接件的静力强度计算 公式为抵抗力因子，取为 0.85。静力抗剪设计强度公式为其中分项系数，为 1.25，纵横比因子，取决于螺栓的长细比，取为 不同的规范给予了不同的抗力和分项系数。然而，他们与式子的

7、左边相似。（1）和（2）考虑混凝土的开裂破碎以及混凝土强度，和弹性模量而不是指其力学性质。（1）和（2）又考虑了螺杆的破坏，同样与混凝土的力学性 能无关。混凝土抗压强度低或适中时，混凝土破裂失效为主导因素。当强度高 时，螺杆拉断为主要的破坏形式。混凝土抗压强度为 30-40 兆帕时为两种破坏 形式的临界值。考虑到超高性能混凝土的抗压强度超过 150 兆帕，螺栓拉断的形式显然总 是控制螺柱剪力连接件的静力强度的因素。ollgaard 等人 ，报道他们的试样混 凝土强度为 18 和 35 兆帕。现有的螺柱剪力连接件设计规范的有效性需要被证 实，因为 UHPC 极大的提高了混凝土强度。UHPC 板必

8、须尽可能薄，以减少重量和施工成本，因而相关的几何约束是另 一个重要的问题 。现有设计规范（The AASHTO LRFD and Eurocode-4 ）的约束导致在板和梁之 间的连接区域的 UHPC 板变厚。在两肋之间，最薄的区域，华夫板的厚度为 63.5 毫米。而在交接区为 200 毫米。 萨利姆等人建立了薄板系统，两肋之间厚度为 31mm，但连接处为 125mm。本 研究发现，按照目前的设计规范，剪力连接件嵌入 UHPC 板时，只需 75 毫米厚 度便能达到稳定要求。第一个几何约束是螺栓的整体高度和螺杆直径之间的纵横比。规范（ The AASHTO LRFD provision 6.10

9、.10.1.4）要求纵横比至少为 4 至 3.第二个约束是螺栓 的上覆厚度不应小于 50mm 且应穿入混凝土板 50mm，以防止剪力连接件的纵向劈裂。当桥面板使用常规的直径为 17mm 的螺栓时，遵循规范(The AASHTO LRFD),板的厚度为四倍螺栓直径加 50mm 的上覆厚度，即至少 118mm 厚。所以 复合连接件短而粗。规范（The Eurocode-4 provision 6.6.5.1 ）规定连接件表面厚度不应该小于 30mm。（The Eurocode-4 provision 6.6.5.2）规定连接件加固厚度要满足混凝土表相邻的加固要求。由 UHPC 板并不需要加固，也不

10、用满足（The Eurocode-4 ）规范给出的上覆厚度的要求。UHPC 材料提供更高的强度和耐久性，因此，板的厚度可以比使用常规混凝土时 要薄。然而，由于几何约束，板梁交界处的厚度不能变小，以确保纵向剪切力 的传递。本研究探讨了栓钉剪力连接件对 UHPC 实心薄板的静力强度和工作有效性， 有些因素限制其使用。首先我们要关注的是：UHPC 中的螺栓是否提供和在普通 混凝土中一样的静力强度。其次就是探讨其几何特性。螺栓的安装受限于几何 性质，如长细比和栓钉的上覆厚度。实际上，现行的规范并不允许螺栓用于薄 板中。 最后一点是 UHPC 板的混凝土强度远远大于普通混凝土，螺栓在其中的工作特 性是否

11、会和在普通混凝土中一样。2。实验步骤在弯曲复合构件中的剪切连接件，抵抗发生在梁和板之间的界面处的相对滑移。测量剪力连接件静强度的最好方法是进行一个分布荷载作用下的抗弯梁试验。然而，为了降低成本和减少时间，通常是用来一个直接推出测试代替。实验测试的过程遵循 eurocode-4-1-1设计规范的要求。我们在表 1 中列出了 5 个试样组，分别是普通混凝土及 UHPC-1 至 UHPC-IV。每组三个试样 A，B，C。测试的关键变量为板厚，栓钉长细比和上覆厚度。普通版用传统混凝土，做参照作用。UHPC-1 与普通板有相同的尺寸，但使用 UHPC 混凝土。普通板和 UHPC-1 取同样的板厚，厚度与

12、传统混凝土板厚一样，连接件满足规范给出的几何约束，即长细比至少是 4，上覆厚度为 50mm。UHPC-II 和 UHPC-III 试样取 100mm 厚的板，UHPC-II 的螺栓上覆厚度为 35mm，少于现行规范要求。 UHPC-III 试样满足上覆要求但长细比仅为 3.1，其小于规定的比列 4。UHPC-IV 试样选用了最薄的板，仅为 75mm，其上覆厚度和长细比分别为 25mm 和 3.1，同样不满足要求。我们准备了双面推出试验，四个螺栓焊接在每一面，如图 1 所示。这些双头螺栓满足 AWS.D 1.1 的 B 型要求，即最小屈服强度为350 兆帕，最小拉伸强度为 450 兆帕，他们被螺

13、栓焊接枪焊接在法兰上。在本研究中，我们使用两种直径不同的螺栓，普通板和 UHPC-1 板使用 22mm 直径而其他组使用 16mm 直径，如表 1 所示。我们根据板厚度选择直径，以满足长细比为 4 的要求。普通板和 UHPC-1板使用厚度为 150mm 板，而其他组使用更薄的板。我们使用直接张拉及双剪切试验来检测双头螺栓的抗拉和抗剪强度。直接测试的张拉台符合规范（AWS D1.1-2000）的要求。我们选取中间的第三根螺杆进行试验以确定钢的剪切强度；这个测试是使用一 个类似于 Anderson 和 meinheit 使用过的装置。表 2 提供了超高性能混凝土混合物的成分：包含两种不同的长度的钢

14、纤维， 16.5 和 19.5 毫米，取 1%的体积混合。设计 UHPC 压缩强度为 180 兆帕，而实测 的最小强度为 200 兆帕；测得的最小抗拉强度为 18 兆帕，测得的弹性模量为 4.5 乘 105 MPa。测得的常规试件组的抗压强度为 35 兆帕。用于模拟钢梁的钢型材的宽度，深度，腹板厚度，法兰厚度分别为 300、300、10 和 15 mm。UHPC 不能轻易浇筑在垂直方向上，而是在腹板方向 进行纵向切割，并浇筑在法兰盘上，以模拟现场浇筑的情况，如图 2 所示。样 品进行蒸汽养护，初始的养护温度为 40C，其后每小时上升 10C，直至达到 90C。蒸汽养护持续 3 天，养护阶段末期

15、，温度逐渐降低。试验后，用螺栓将 试样分离的两面拴在一起，在腹板的切割断面上使用 M24 高强度螺栓。然后， 我们用 2000 KN 的通用测试机施加载荷到试件上。根据 eurocode-4-1-1 设计规 范，采用循环荷载维持试样的稳定，破坏型钢与板之间的联系。循环负载值为 5%至 40%的破坏荷载值，加载速度为 0.82 /秒。在循环加载后，通过 0.005 毫 米/秒速度的位移控制，我们对试样进行持续的加载直到破坏。试试样通过增加在一个在一个的位移控制不断加载速度为 0.005 毫米/秒，直到 故障。我们使用四台位于各板上 120 毫米处的 LVDT 传感器测量型钢与桥面之 间的相对滑移

16、，如图 3 所示。为了避免板分离从钢截面上分离，我们将横向支 撑杆安装在试样的顶部和底部。我们用 2 台板外的 LVDT 传感器监控可能的滑移， 如图 4 所示。3.测试结果和讨论 3.1。螺栓的拉伸和双剪试验 表 3 总结了拉伸和剪切试验测得的结果，其中双剪试验所得到的值被划分为两 份以获得一个面的抗剪能力。一些钢材抗拉屈服强度，极限强度超过了 AWS D1.1-2000 规范对应要求的 350 和 450 兆帕。图 5 显示了从抗拉试验中得到的应 力应变。在拉伸试验中，我们可以清楚的看到屈服现象。如图 6 所示，我们在 剪切台试验中没有看到明显的屈服现象和得到比例极限值。图 7 显示了双剪

17、试 验中螺栓的典型破坏形式。测得 16mm 和 22mm 的剪切强度与实测拉伸强度的 比值为 0.80 和 0.82。与公称强度（450 MPa）的比值为 0.87 和 0.85。这个值大 于 Anderson 和 Meinheit 的值 0.65。出现高比例的原因是双剪试验的试验台没 有充分的固定螺栓，使其产生额外的弯矩而不是直接承受剪切荷载。实际上， 螺栓承受了弯剪共同作用。我们很难评估两种力各自起到的作用。若想只评估 试样的抗剪能力，我们需要很好的在竖直方向上限值螺栓头部的变形。在水平 方向上，我们评估弯曲的影响。3.2 螺栓的极限强度和初始刚度。从推出测试中获得的最重要的数据是极限负载

18、。我们通过 eurocode-4-1-1 设计规范给出的步骤分析极限破坏荷载（）和相对滑移。同时，规范定义了特征抗力（）为减少 10%的最小的破坏力。在特征负荷水平下，试样的滑移量（）作为测量的最大滑移。特征滑移能力（）作为的最小检测值降 低了 10%。表 4 显示了每个试样的详细试验结果。由于混凝土的破坏模式没有影响控制嵌入在 UHPC 板中的剪力连接件，根据规 范 AASHTO LRFD，即使没考虑抗力的因素，我们也将得到的螺栓剪力连接件的极限强度当作 。图 8 显示了对及相对滑移施加力的曲线。考虑UHPC-I 板的螺栓材料的极限抗拉强度（450 兆帕）以及 螺杆的直径（22 毫米），UH

19、PC-I 板被寄希望于达到 171KN（原文中就是 KN 不 是 MP）的抗拉强度。对于 UHPC-II，UHPC-III 和 UHPC-IV 板，考虑螺栓 16mm 的直径，预计其抗拉强度为 90KN。由规范 eurocode-4UHPC-1 给出的公式，评 估得到的极限强度比由 AASHTO LRFD 设计规范评估的值少 20%。在不考虑分项 系数的条件下，普通板和 UHPC-I 板的抗拉强度为 137 kN，其他试样为 72kN。通过推出试验，我们得到螺栓特征剪力强度值的比率，并从直接抗拉试验中获得极限抗拉强度值，这同样满足 AASHTO LRFD 规范的要求。eurocode-4 设计

20、规范要求列在表 5 中。普通板的抗剪强度的值几乎等于由 eurocode-4 公式计算得到的结果。由此，我们可知试验程序是合理的。首先， 除普通板外，连接件的极限强度值没有什么明显变化，这说明板厚不影响连接 件的强度。eurocode-4 设计规范的方程（2）降低了长细比较小的螺栓的静力强 度。但是这不适用于 UHPC 板。UHPC-II，UHPC-III 和 UHPC-IV 板不满足 AASHTO LRFD 设计规范规定的上覆厚度的要求，结果也没出现开裂。连接件的静力强度超过公称强度的 2%13%，与 AASHTO LRFD 设计规范公式计 算的值相符。如果用 eurocode-4 规范设计

21、，结果保守。所以 UHPC 板中剪力连 接件采用 AASHTO LRFD 规范设计 。根据强度设计概念，连接件初始刚度假设 为无限。在早期加荷阶段，由于混凝土的压碎及螺栓的变形，两者间会产生初 始的滑移。如图 6 所示，取极限荷载的 10%和 40%得到的相对滑移值求解另一 部分的初始刚度。一个螺栓的普通板的平均的刚度为 336 千牛/毫米，UHPC-I 板 的最高刚度为 762 千牛/毫米，而 UHPC-III 板的刚度为 736 千牛/毫米，近乎于UHPC-I 板的刚度。UHPC-II 板和 UHPC-IV 板各有较小的刚度 598 千牛/毫米和 538 千牛/毫米。Oehlers 和 C

22、oughlan 通过 116 个推测试验提出的一个方程计算初始剪切刚度。即其中螺栓初始刚度从螺栓抗剪强度，直径 和混凝土的抗压强度中获得。应用公式（3）对常规试样组提供了一个 68 牛顿/毫米的初始刚度，这是明显小 于试验结果的。然而，Shim 等通过推出测试提出了大直径（25 毫米和 30 毫米） 螺栓的初始刚度从 200 到 400 千牛/毫米不等。试验显示嵌入在 UHPC 中的螺栓 至少提供 60%比传统混凝土中高的刚度。基于 UHPC-II 板和 UHPC-IV 板的试验结 果，螺栓的上覆厚度可能影响其初始刚度。即更高的上覆厚度产生更高的螺栓 刚度。3.3。长细比 当螺栓使用在薄的桥面

23、板时，长细比是另一个重要的因素。AASHTO LRFD 和 Eurocode-4 设计规范要求长细比至少为 4，尽管随后规定在强度减小时，公式 允许长细比为 3。UHPC 板的优越性在于其板可以尽可能的薄。使用螺栓剪力连 接件可以减少螺栓的高度，同时可以减小直径以满足长细比的要求。但其需要 更多的螺栓，花费大量的施工时间。考虑 UHPC 板的强度足够的高，实验研究 了较小的长细比 4.5，4.1，3.1，和 3.1。对于 UHPC-I 至 UHPC-IV 板试样，取不 同长细比，试验并没有显示什么差异。由于自身的高刚度和较高的水泥强度， 连接件没有明显的剪切和弯曲变形。Xu 和 Sugiura

24、 表示，降低混凝土的强度可 能会导致相对明显的弯曲变形，以及推动方向上的剪切变形。在焊接区上，螺栓横截面的断裂显示了清晰的轮廓。轮廓说明了剪切破坏是螺 栓破坏的主因。因此，试验中连接件 3.1 的长细比被允许在损失了一点强度的 UHPC 板上使用。3.4 在双头螺栓头上的覆盖厚度 AASHTO LRFD 需要双头螺栓上的覆盖层厚度为 50 毫米（2 英寸）以上。这使得 它很难在薄的 UHPC 的桥面上实现，考虑超高性能混凝土的力学性能，这可能 是过于保守的解决方案。UHPC-II 板和 UHPC-IV 板的上覆厚度分别为 35 毫米和 25 毫米。其静力强度分别高于 UHPC-III 板 12

25、%和 7%。尽管这两组试样都显示出 了延性的问题，但是上覆厚度为 50mm 的 UHPC-III 板，也显示了这样的问题。 因此，我们认为延性问题与上覆厚度因素无关。测试结果表明，在桥面板处， 浅覆盖的标本不发生强度降低，开裂和表明剥落的情况。由于浅覆盖，初始刚 度有一定的降低。但是，它仍然远远大于一个传统的混凝土板。因而，对于 UHPC 板，螺栓上覆厚度的最小值的规定应被放宽至 25mm。3.5 延性两种方案已被用于螺栓剪切连接器的静力设计：弹性和强度设计。弹性设计在一个可变的区域，此区域对于梁端的高剪切区来说较窄，对于梁中心的高剪切区来说较宽。一方面，强度设计理论假定所有的螺栓保持其极限强

26、度直到整体的极限破坏。这固定了区域而没有考虑梁的纵向问题。现在，更多的设计规范基于强度假设理论，这使得我们必须考虑延性以确保假设的适用性。不同的结构有不同的延性要求。eurocode-4 设计规范要求相对滑移值至少为 6mm，作为延性要求的准则。表 4 显示，除了 UHPC-I-A 和 C，绝大多数数试样都不满足延性。hegger 等人也得出了同样的结论，在高强度混凝土中，连接件的滑移只有 5.7mm。因此，我们需要找到另一种方法来提高连接件的延性。对于特定的结构，精确的复合分析有利于提供一个小于 6mm 的延性需求。此情况下，连接件可以运用于 UHPC 板上的特定区域。为了解决延性问题，连接

27、件的设计可以基于弹性理论而不是塑性理论。导致螺栓产生可变区域的弹性理论，使得抗剪区变小，在跨中提供较大的抗剪区但抵抗较少的剪力。相对的，塑性理论，使得固定区域分布在整个跨度上，这基于螺栓的提供的延性能力。实验显示，抗剪螺栓并没有满足延性的要求，这使得塑性理论不适用。因此，除非解决延性问题，否则 UHPC 的连接件设计不能使用塑性理论及恒定的纵向区理论。所以，弹性理论和可变纵向区理论应被采用。4。结论 本研究探讨结构的性能和 UHPC 桥面螺栓剪力连接件的有效性 从测试程序可以得出以下结论： 1）钢的失效影响嵌入在 UHPC 连接器中的双头螺柱的静力剪切强度 这表明，强度是受螺栓直径和螺栓材料的

28、极限强度的影响，而不是现行规范中 提到的混凝土的强度影响。 2）测试程序显示：嵌入在 UHPC 剪力连接件的实际静力强度大于由 AASHTO LRFD 设计规范给出的公式的计算得到的值，相差 2%13%。因此， AASHTO LFRD 设计规范用于评价 UHPC 板中抗剪螺栓的极限强度。eurocode-4 设计规范的计算结果有 27%42%的多余值，这可能会导致一个相对保守的结果。3）在现有设计规范中螺栓的长细比是至少 4实验证明：长细比可以低至 3.1，因为它对螺栓的剪力连接件的结构性能没有 太大的影响。 4）在 AASHTO LRFD 设计规范中，螺栓头上的覆盖厚度是有最低限度的，为 5

29、0 毫米。 试验证明了：上覆厚度甚至低至 25 毫米时，不会导致 UHPC 板的开裂和表面剥 落也不会影响剪力连接件的静力强度。 5）根据 eurocode-4 设计规范要求，螺栓剪力连接件应有至少 6mm 的相对滑移 值以保证螺栓的延性性能。测试结果表明，栓钉剪力连接件的相对滑移为 3.8 毫米和 5.3 毫米，不满足所需的 6 毫米的延展性需求。因此，我们采取栓钉剪 力连接件嵌入到薄的 UHPC 板中的方法，来解决此延展性问题。否则使用弹性 理论，这样会产生变动的螺栓区域。6）在板梁的交接处，一种使用直径为 16 毫米，高度为 50 毫米的螺栓连接件的 复合结构的 UHPC 桥面可薄至 75 毫米。