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2021-06-24 08:42:26 | 分类:默认分类 | 标签:

      作为结构性能需求,正常使用性能与耐久性也很重要。相对而言,预制装配混凝土桥梁的正常使用性能与耐久性研究还略显不足,这有可能会制约预制装配混凝土桥梁的应用范围。以铁路桥梁为例,由于列车行车安全性和旅客乘车舒适度的需要,无论是普速铁路还是高速铁路,均对桥梁梁体与墩台的变形与刚度有较高的要求。开展铁路预制装配混凝土桥的正常使用性能研究是推动预制装配工艺在铁路桥梁的应用的必然要求。作为关键基础设施,在复杂环境中,经历漫长的服役期,预制装配节点的性能劣化机制与特点,无损检测方法与相应的加固技术,是保障预制装配混凝土桥梁耐久性且有待解决的重要问题。

梳理2019年度国内外预制装配混凝土桥梁的研究进展。

对于装配式桥,2019年国内主要有同济大学,西南交通大学,大连理工大学,武汉理工大学、北京交通大学等学校的学者进行了较为深入的研究。其中,同济大学在预制装配式桥墩动力性能和抗震方面研究较多。而国外则主要有得克萨斯大学、华盛顿大学、布法罗大学等学校的学者,研究内容以单轴力学性能、循环力学性能和新型连接形式为主。

    对于装配式桥面板,近几年来,清华大学、同济大学、西南交通大学、湖南大学、北京交通大学等学校的学者都进行了较多的研究,主要集中在组合结构剪力连接件和组合梁桥的抗震性能等方面。


一、桥墩的预制装配


    与上部结构的预制装配而言,混凝土桥梁的下部结构预制拼装工艺发展相对较晚。但桥墩作为下部结构的主要承重构件,一直是桥梁设计和施工的关注重点。桥墩预制装配化也是桥梁全预制装配的关键环节之一。随着近年来桥梁工程中对预制拼装桥墩的需求的提高,学术界对预制拼装桥墩的研究逐渐增加。2019年度,预制拼装混凝土桥墩的研究主要有这4类:预制墩柱的连接工艺与节点性能、预制装配桥墩的抗震性能、高性能与新材料的应用、新型预制装配桥墩体系。

1 预制墩柱的连接工艺与节点性能

     预制墩柱的连接工艺研发与性能改进是预制装配桥墩研究的首要问题。连接节点或相应构造的力学性能也是后续开展预制装配桥墩抗震研究的基础。

    常用的预制墩柱连接工艺有:灌浆套筒连接,灌浆波纹管连接,承插式连接,插槽式连接,现浇湿接缝连接,后张预应力连接与法兰盘连接等。由表1可以看出,目前套筒灌浆作为一种在预制装配式桥墩中应用较为广泛的连接方式,国内外各学者对这一连接方式的研究比较热门。

    对于灌浆套筒的力学性能,有几位学者对于不同方面进行了研究。考虑关键套筒连接中钢筋对中的施工偏差,西南交通大学的Xu Tengfei等人从粘结滑移关系出发,解释了钢筋连接套筒的约束作用对钢筋与灌浆料间粘结强度的增强机理,考虑实际装配过程中钢筋在灌浆套筒中的偏心效应,提出了钢筋与灌浆套筒粘结滑移本构[1]。Lu Zhiwei研究了楔形灌浆套筒和楔形螺纹灌浆套筒这种新型套筒形单轴拉力下的力学性能,给出了钢筋在接头中所需嵌入长度约为接头钢筋直径的6-6.4倍。同时,认为接头的抗拉能力随着接头杆锚固长度增加以及套管两端的楔形的长度和斜率的增加而增加,且螺纹不会显著提高套筒的抗拉能力[2]。同济大学的匡志平等人通过人为控制灌浆料含量, 研究了实际工程中灌浆不足的缺陷对灌浆套筒连接的性能的影响。套筒灌浆连接承载力取决于灌浆料含量;且随着钢筋与灌浆料间黏结承载力和钢筋抗拉承载力的相对大小的变化会产生钢筋拔出和钢筋拉断的破坏模式。

2 预制拼装桥墩抗震

     作为桥梁的主要承重和抗侧力构件,预制装配桥墩的抗震性能一直以来都是学术界与工程界关心的重点。装配式桥墩在非震区、低烈度区中已得到较广泛应用,但因对其抗震性能缺乏充分认识,导致预制桥墩体系在中高烈度区的应用受到限制。特别是,我国幅员辽阔,地震带多且频繁。如果无法具有良好的抗震性能,预制装配桥墩在我国的应用将大大受限。因此,采用各种连接方式的预制装配式桥墩在地震作用下的极限承载力、变形与耗能能力、结构韧性以及这些性能的改进方法均是此类研究的热点问题。2019年度发表的文献围绕着:钢筋连接形式[3]、灌浆套筒埋置位置[4]、承插式桥墩插入深度和侧向剪力的影响[5-6]、预应力连接的预应力度[7-8]展开了相关的抗震性能研究。

    在灌浆套筒方面,樊泽等人研究了灌浆套筒位置的影响,认为: 在合理的结构设计下套筒预埋在基础的预制桥墩与套筒预埋在墩身的预制桥墩的抗震性能均能满足要求  。

    承插式连接与灌浆套筒和灌浆波纹管等拼接构造相比施工精度要求较低,同时与现浇湿接缝,预应力节段拼接等构造相比现场作业少,是一种较为简便的连接方式。对这种连接方式,徐艳等研究了承插深度对整个桥墩抗震性能的影响。他们认为在良好施工的情况下,承插深度对于桥墩总体的抗震性能影响不大;并给出了可以利用嵌岩桩嵌入基岩的深度计算最小合理承插深度的方法[5]。同时Zhao Cheng等人认为承插式连接中的侧向抗剪机制可以提供显着的阻力,从而有利于大垂直载荷的传递。

    预应力节段拼装桥墩因无需考虑接缝区钢筋和不同龄期混凝土的存在对桥墩整体性能的影响,目前在低烈度区得到了广泛的应用,而在中高烈度区由于性能尚不明确,目前应用较少。禹智涛等人基于预应力连接装配式桥墩力学性能尚不明确的现状,分析了不同预应力轴压比对节段拼装式桥墩的力学性能的影响, 提出了轴压比在10%~20%的结构拥有较好的力学性能的观点[7]。包龙生等人通过有限元模拟和拟静力试验对预应力度对节段拼装桥墩抗震性能的影响进行了研究。给出了随着预应力度的增大,承载力、屈服力和耗能能力有所增强,但对延性及残余位移影响不大的观点;同时他们建议在节段间榫卯以提高抗滑移作用。

    此外,Tin V. Do等人则研究了预制混凝土分段桥墩和普通混凝土桥墩抗撞击的性能。研究发现预制混凝土分段桥墩的破坏在最底部,而普通混凝土桥墩破坏分布广泛。提出了预制混凝土分段桥墩在抗剪切滑移和冲击力方面具有更好的性能的观点。同时,考虑到动力系数和与冲击波引起的应力在墩柱中传播引起的轴向力增加,提出了一种估算节段接头所需的弯矩和极限弯矩的方法。

3 高性能新材料的应用

    高性能新材料的使用是提高结构性能的重要途径。然而,高性能新材料通常伴随着高成本,这又限制了其大规模应用于土木工程结构中。预制装配工艺设计与施工相对灵活,可以在预制构件中使用传统材料,在连接构造上使用高性能新材料。一方面利用高性能新材料改善连接节点性能,另一方面降低高性能新材料的使用率,获取更好的经济效益。

    目前,应用于预制装配式桥墩的新材料主要有超高性能混凝土、纤维增强复合材料、形状记忆合金等。

    Yuye Zhang等人提出了一种超高性能纤维混凝土(UHFRC)应用于预制分段桥墩的墩柱底部的新型结构(图2),并对这种结构进行了抗震性能研究。他们的研究表明(1)具有UHPFRC底部的预制分段桥墩比具有普通混凝土底部的预制分段桥墩具有更大的侧向承载力、更小的残余位移和更小的混凝土损伤。(2)在相对较高的侧向位移下,具有UHPFRC底部的预制分段桥墩比其他桥墩具有更强的耗能能力。(3)UHPFRC底部节段的空心率对预制分段桥墩的侧向能力的影响有限。(4)具有UHPFRC底部的制分段桥墩的侧向承载能力和耗能能力随着底部段高度的增加而提高[10]。Weiding Zhuo等人将高强钢筋用于预制分段式桥墩连接(图3),并进行了测试。结果表明,与采用传统钢筋的预制墩相比,采用高强度钢筋的预制墩具有更大的侧向强度,自复位能力和耗能能力[11]。Teng Tong等人将无粘结筋和H型高强度耗能钢筋混合物应用于预制混凝土桥墩加固中(图4),对H形耗能钢筋和L形耗能钢筋的桥墩进行了比较。他们认为H形耗能钢筋与L形耗能钢筋相比,对分段预制桥墩的准弹性行为有利,并且增强了延性。同时,H形耗能钢筋可以提高承载能力并增强刚度比。并且H形耗能钢筋有效减少墩的残余位移并提高每个循环的耗能能力[12]。

图2 UHFRC装配式桥墩(灰色:普通混凝土;棕色:UHFRC)

图3 高强耗能钢筋桥墩 

图4 高强耗能钢筋桥墩[

2.4 新型预制拼装桥墩体系

    自复位桥墩是“非等同现浇”的新型抗震桥墩体系。在地震作用下,可以利用节点接缝的张开与闭合实现桥墩的转动能力,避免了结构损伤;同时,后张预应力提供了预制桥墩震后恢复初始位置的自复位能力。Cancan Yang等人为了研究初始张拉力和界面摩擦特性对地震响应的影响,对预制自复位桥墩建立滞回模型。同时,将滞回模型结合能力需求,预测了具有不同特性的墩的地震响应。通过研究,他们认为具有较低摩擦系数的界面材料将增强耗能能力,减小刚度和减小自复位能力;选择较低的初始张拉力会降低刚度;摩擦系数和初始张拉力的增加始终会增加最大基础抗剪能力需求[13]。Qiang Han提出了一种自复位双柱墩(图5)。试验表明这种结构良好的耗能和自复位性能,且即使发生超过预期的严重损坏也可以较为便捷的修复[14]。Mustafa Mashal等人在装配式桥墩底部采用摇摆连接(图6),DCR结合了无粘结的预应力筋和外部的金属耗散器,分别为桥梁提供了自复位和耗能的功能。拟静力测试表明这种结构损伤较低。经过多次大位移循环后,没有弯曲损坏或残余位移[15]。

图5 自复位双柱墩 

图6 摇摆连接自复位桥墩[15]

    除了自复位桥墩,也有一些混合体系桥墩被提出:Mustafa Mashal等人提出了一种墩柱和承台采用承插式连接,墩柱到墩帽采用灌浆套筒连接的桥墩形式,并对此进行了准静态试验,结果表明与现浇结构相比,该桥墩具有足够的抗震性能[16] (图7);张于晔等人提出了一种混合体系的桥墩(图8),即底部节段与墩底现浇上部采用预应力预制拼装连接方法的桥墩,以提高装配式桥墩的抗震能力。通过研究发现此混合体系桥墩在初始弹性刚度、延性与耗能等方面的优势较为明显;但应控制底部节段长细比和初始预应力[17]。丁怡宣等人提出了预制混凝土桥墩内嵌式法兰拼装方案(图9)。通过研究法兰位于不同区域的性能,得出法兰位于墩柱塑性铰区以外时,墩柱力学性能与现浇墩柱性能较为一致的结论 。

图7 混合体系桥墩示例 

图8 混合体系桥墩示例二

图9 内嵌法兰拼装桥墩示例三 



二、上部结构预制装配


    桥梁上部结构的预制装配工艺有:预制节段拼装混凝土、节段预制拼装预应力束体系,预制装配钢-混组合梁等。如表2所示,2019年国内外学者对连接节点的力学性能,预制装配桥面的整体性能,预制装配组合梁等主题进行了研究。

表2 装配式桥面板研究成果(单位:篇)

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节点性能     桥面板性能               组合梁

10                     3                    58

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1 连接节点的性能

    连接节点对预制装配式桥面板的各项性能影响显著,是2019年度预制拼装桥面板的研究重点。

    Elmira Shoushtari对钢筋铰槽口连接、灌浆波纹管连接、SDCL梁-盖梁连接、梁-桥面板灌浆槽口连接、桥面板接缝UHPC连接、桥面板-盖梁上部UHPC填充连接这6种节点的抗震性能进行了评估,给出了不同节点的优化措施[19]。沈殷等人对节段预制拼装混凝土桥梁腹板处多齿剪力键的剪应力分布规律进行了推导,提出了多齿剪力键根部剪应力分布的不均匀系数的概念[20]。Ghafur H. Ahmeda等人提出了一些提高剪力件抗剪能力的方法,同时对AASHTO公式进行了优化[21]。Chao Huang等人通过对UHPC连接的抗震性能研究,评估了在中高地震地区使用UHPC连接的预制桥梁的适用性。通过对预应力梁的动力特性、两个连接UHPC的预制预应力梁的整体响应、UHPC连接的最大应变的研究,研究表明:即使在高水平地震的情况下,配置有短而直的钢筋的UHPC连接也具有足够的抗震性能[22]。Ju Dong Lee等人分析了影响预应力槽口的性能的因素,并给出了相应建议[23]。张勇等人钢板梁桥U形钢筋湿接缝力学性能进行了研究,他们认为应预防湿接缝与桥面板的施工缝开裂 。

    同时,也有一些学者对增强节点抗剪能力提出了一些新的方案。Jianan Qi等人提出了一种使用钢筋网来增强燕尾榫UHPC接头的方法(图10)。通过研究表明了这种方案可以提高UHPC平板的抗弯性能且UHPC试件开裂后仍有相当大的承载能力;同时,在受压区UHPC仅出现了局部压溃;同时,他们认为对钢筋网所需的最小搭接长度还需要进一步研究[25]。Mohamed H. Youssef等人对UHPFRC节点连接受弯剪性能进行了研究。通过对对测试结果讨论和分析,给出了预测和实验剪切强度的比较、最小拼接长度以及破坏的影响因素[27]。Raed Tawadrous提出一种桥面板槽口连接方案(图11),并对选择槽口尺寸,槽口锚固和加固进行了研究,以最大化连接能力同时保证足够的装配误差[28]。邵旭东等人基于UHPC材料,提出了3类高性能装配式桥梁结构,并初步建立了计算理论和设计方法[29]。

图10 UHPFRC节点 

图11 新型槽口连接方案 

2 预制桥面板性能

    在预制桥面板性能方面,Tae-Ho Koh等人对T型梁接缝的耐久性进行了研究,他们认为由于受拉接缝部分碳化深度的增加,使用寿命大大缩短,在维护过程中应特别注意接缝[30]。Raed Tawadrous等人开发了在一种横向上预张,在纵向上进行了后张的新型预制混凝土桥面板系统。试验表明这种预制桥面板系统的后张有效,且桥面板和主梁结合良好。同时其施工性能,承载能力和耐久性均有所提高[31]。Tuan Minh Ha等人对不同粉煤灰含量的混凝土的高耐久性预制预应力混凝土面板进行了弯曲和剪切试验,发现了含有粉煤灰的桥面板与不含粉煤灰的桥面板相比,力学性能均有所提高 。

3 预制装配组合梁研究

    组合梁可以大大提高桥梁的力学性能,并且具有极好的施工性能。将组合梁与预制装配相结合,减少预制梁的长度,有利于保证桥梁工程质量,加快施工进度,降低工程造价。但是,目前对于预制装配组合梁的受力性能和耐久性等了解仍不够充分。由图12可以看出,目前有关组合梁性能的研究是一大热点。

图12 装配式桥墩研究对象

    Dunwen Huang等人通过对预制装配混凝土组合梁桥的长期性能分析,指出:当前的计算分析方法严重低估了后浇缝混凝土的徐变和收缩效应,应注意后浇缝与预制板之间混凝土龄期差异的影响[32]。

    针对目前组合桥结构存在的抗冻、耐腐蚀、耐疲劳和耐磨损等方面存在的不足,以及组合桥仍然现场湿作业较多的现状,有许多学者提出了一些将组合桥与预制装配体系结合的新思路。如:

    西南交通大学的赵灿晖课题组开展了诸多卓有成效的工作。Canhui Zhao等人引入预应力沉孔螺栓(图13),实现预制UHPC组合桥面板全干式连接,模型试验结果验证了该连接工艺的有效性以及采用该技术的UHPC组合桥面板的良好力学性能[33]。为了增强燕尾形接头的耐久性,Canhui Zhao等人提出了一种新型RPC混凝土燕尾形湿式接头 ;研究了强度比和燕尾形的角度,给出了建议设计参数[34]。在板梁连接构造上,赵灿晖等提出了埋入式螺栓的连接构造,实现了预制UHPC板和工字钢的全干式连接(图15);足尺试验表明该构造具有良好的刚度和承载力,是实现预制桥梁建造的有效技术手段 。

    Kyle D. Balkos将防滑贯通螺栓剪力连接件应用于钢预制复合梁(图16),静力测试和疲劳测试结果均十分良好,没有任何连接器失效;他们认为还需研究螺栓尺寸,预压力和接触面积等对防滑贯通螺栓剪力连接件的荷载滑移特性和疲劳性能的影响[36]。Mahsa Farzad提出了一种使用钢-UHPPFC-钢作为腹板的预制桥面板(图17);试验研究表明:这种结构施工快捷,且抗冻、耐腐蚀、耐疲劳和耐磨损的能力都较强。同时,他们认为板的厚度对性能的影响最大,应进一步研究[37]。张瀚文等人提出一种用于钢—超薄UHPC新型短钢筋剪力连接件(图18),通过试验研究,确定了具有焊缝剪断和超高性能混凝土局部破坏模式。同时,通过参数分析研究了焊缝长和短钢筋直径对荷载-滑移曲线的影响规律。研究表明这种连接件具有构造形式简单、成本低等优点,但其破坏为脆性破坏,仍需继续研究和优化[38]。

图13 双头螺栓连接UHPC桥面板[33]

图14 RPC混凝土燕尾形湿接头[34]

图15 完全干式连接的预制复合梁[35]

图16 防滑贯通螺栓连接预制复合梁[36]

图17 钢-UHPPFC-钢预制桥面板[37]

图18 短钢筋剪力连接件[38]

    此外,Yu-Hang Wang等人对焊接在钢梁上的钢剪力连接件进行了研究,得到了单调和重复荷载下的破坏模式,并基于此提出了新的关于SBSC的抗剪承载力计算公式[39]。Kyle D. Balkos等人研究了带螺栓剪力连接件的静态性能和疲劳性能。研究发现虽然螺栓剪力连接件的疲劳性能远远超过焊接剪切螺柱且具有较高的起始滑动荷载但螺栓断裂时有较大的滑动位移[40]。Moussa Leblouba等人通过对全深度的预制混凝土面板的梁与桥面板之间的连接器进行循环加载,研究了界面桥面板和梁的循环行为并估算其抗剪强度。同时,通过没有剪力连接件的试样测试结果来估计在不同加载速度下的计算参数。提出了:剪切强度随剪力连接件数量的增加而增加,但随加载速度的降低而减小以及只要计算参数准确,AASHTO LRFD规范就可以提供对剪切强度的可靠的的估计的观点。


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