斜拉桥钢-UHPC 与钢-普通混凝土组合梁节段模型抗弯性能对比研究

论文概要

本研究为提升组合梁斜拉桥主梁抗弯性能并实现轻量化，提出以超高性能混凝土（UHPC）替代普通混凝土（NC）桥面板。通过设计钢-NC组合梁（SP-NC）与钢-UHPC组合梁（SP-UHPC，桥面板减薄24%），开展三点弯曲加载试验与数值分析，对比两者的破坏模式、荷载-挠度关系、剪力滞效应，并参数化分析UHPC强度、桥面板厚度及剪力钉直径的影响。

知识结构

1. 研究背景与目标

• 常规NC桥面板厚度大、自重大，易开裂；UHPC具有高强度、高耐久性。
• 目标：验证UHPC替代NC在斜拉桥主梁中的可行性，实现轻量化且不牺牲抗弯性能。

2. 试验方法

• 试件设计：参照越东大桥主梁，制作SP-NC（C55混凝土，板厚50mm）与SP-UHPC（板厚38mm）两组试验梁，全长4200mm。
• 加载与测试：3点弯曲加载，通过预应力钢绞线模拟斜拉索轴向力；采用力-位移联合控制，测量挠度、应变、裂缝。

3. 关键试验发现

• 破坏模式：两者均为桥面板压碎+钢梁屈服，但SP-NC桥面板破碎严重、钢筋屈曲；SP-UHPC因钢纤维桥接作用，仅出现细微碎块剥离。
• 荷载-挠度曲线：经历线弹性、裂缝扩展、塑性、失效四个阶段。SP-UHPC在板厚减少24%下，抗弯刚度（51,700 kN·m²）、承载力（658.1 kN·m）与SP-NC相当，延性系数（5.4）更高（SP-NC为4.1）。
• 剪力滞效应：两者均呈现正剪力滞，SP-UHPC有效宽度系数略小（跨中0.73 vs 0.77），因高弹性模量加剧剪切滞后。
• 裂缝特征：SP-NC裂缝宽且多伴随剥落；SP-UHPC裂缝细密，受压区出现椭圆形“挤压裂缝”。

4. 数值模拟与参数分析

• UHPC抗压强度（fc=135~195 MPa）：提升强度可延缓开裂损伤，但对整体刚度和承载力提升有限（分别约5.6%和5.4%），推荐强度范围135~150 MPa。
• 桥面板厚度（Tc=38~56 mm）：增加厚度显著提升抗弯刚度（+23.1%）、承载力（+13.8%）及有效宽度系数（+4.9%），设计需平衡性能与自重。
• 剪力钉直径（ds=12~28 mm）：大直径钉（≥28 mm）因单钉剪力过大导致局部UHPC加速开裂，降低整体刚度和承载力；建议直径不宜超过25 mm，采用“多点微连接”方案。

5. 设计建议

• 采用UHPC桥面板可在减薄25%左右下实现等同抗弯性能，利于轻量化。
• 注意UHPC桥面板剪力滞效应增强，在横向配筋及预应力设计时应考虑。
• 剪力钉布置优先采用小直径、多数量以避免基体损伤。

引用信息

• 论文标题：斜拉桥钢-UHPC 与钢-普通混凝土组合梁节段模型抗弯性能对比研究
• 期刊：东南大学学报(自然科学版)
• 作者：郝笛笛，万春风，李柔，缪长青，王旭东，杨康
• 网络首发链接：https://link.cnki.net/urlid/32.1178.N.20260612.1541.002
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