UHPC-NC叠层桥面板静力与疲劳性能的试验研究及设计理论

A composite bridge deck slab, made of precast Ultra-High Performance Concrete (UHPC) slab and cast-in-place normal concrete, referred to as UHPC-NC composite slab, possesses highly advantageous properties of two materials, and facilitates the application of UHPC material and accelerated bridge construction..To this end, interfacial shear tests between precast UHPC slab and cast-in-place NC will be carried out firstly to investigate the shear resistance and slippage with respect to both unreinforced and reinforced interfaces. Then, theoretical and experimental researches on the flexural, shear and fatigue behaviors of the UHPC-NC composite slab are to be conducted. Analytical expressions for flexural stress and shear stress will be derived by taking geometrical dimensions, material properties and reinforcement details into consideration. Formulas for computing the cracking moment will be developed by allowing for the hardened tensile strain of UHPC material. Practical algorithms for calculating the stress and deflection of the composite two-way slabs will be studied, by means of numerical tools and mechanics of composite materials. To carry out the experimental studies on UHPC-NC composite slab structures, several large-scale specimens will be prefabricated with some typical reinforcement details. Flexural stress and flexural rapture pattern are to be investigated; shear failure pattern and resistance capacity for different shear span to depth ratios will be tested; the fatigue failure scenarios on the interface and within the extreme fiber regions will be carefully observed as well. Calculation methods for ultimate flexural, shear and fatigue capacity of UHPC-NC composite slabs will be presented.

在超高性能混凝土（UHPC）预制板上叠层现浇普通混凝土（NC）所形成的组合桥面板，简称UHPC-NC叠层桥面板，可发挥两种材料性能优势，促进UHPC应用及桥梁工业化建造。.为此，首先开展UHPC-NC叠层界面抗剪试验，研究无筋和穿筋界面的剪切滑移规律；在此基础上，开展叠层板的抗弯、抗剪和疲劳行为的理论及试验研究。在理论分析方面，将考虑叠层板几何构造、材料和配筋等参数，推导叠层单向板的弯曲正应力和剪应力的解析公式，以及考虑UHPC拉应变强化的开裂弯矩计算公式；结合数值分析手段和复合材料力学理论，探讨叠层双向板的应力和挠度实用算法。在叠层板结构的试验研究方面，制作多组大比例对比试件，研究不同配筋形式下的叠层板弯曲应力和受弯破坏形态，小剪跨比下叠层板受剪破坏形态和抗剪承载力，以及不同疲劳应力下的拉压区及界面疲劳破坏形态，给出UHPC-NC叠层板的抗弯、抗剪和疲劳承载力计算方法。

针对在超高性能混凝土（UHPC）预制板上叠层现浇普通混凝土（NC）所形成的UHPC-NC叠层桥面板，项目分别从试验研究、理论分析和数值模拟三个角度出发，进行了界面抗剪、叠层板的抗弯、抗剪和疲劳行为研究。.在试验研究方面，本研究项目开展了UHPC-NC叠层界面的剪切-滑移试验研究，研究获得了不同设计参数下的剪切滑移规律。除此之外，本研究项目还针对不同叠层厚度及配筋构造，制作了多组大比例的单向板试件，系统开展抗弯、抗剪和疲劳试验。利用试验数据与试验现象，得到了UHPC-NC叠层构件的挠度行为、应力分布与损伤裂缝的特征。试验研究为后续的理论分析与数值仿真提供了前导与基础。在理论分析方面，本研究项目利用弹性理论和混凝土结构设计原理，推导了UHPC-NC叠层桥面板在竖向荷载下的弯曲应力计算公式。还考虑钢纤维含量特征参数对UHPC材料受拉本构的强化影响，给出UHPC-NC叠层单向板的开裂弯矩和承载能力理论计算方法。并且，本研究项目还利用神经网络算法，给出了UHPC-NC界面粘结强度的显式预测公式。本项目得到的理论分析体系能够为UHPC-NC叠层桥面板的受力行为预测和初步结构设计。在数值仿真方面，针对UHPC-NC叠层板构件，建立考虑两种材料特性的三维有限元模型，并创新性地提出UHPC-NC叠层界面的剪切-滑移模拟方法，利用复合材料力学中的层合板弯曲理论和数值分析手段，给出UHPC-NC叠层板的应力和挠度的实用计算方法。本研究提出的数值仿真模型能够准确体现出UHPC-NC叠层板的应力、变形、损伤的情况。本项目研究给出了UHPC-NC叠层界面强度预测方法，并从理论公式与数值模拟两方面给出了出UHPC-NC叠层板的应力、变形、损伤的计算分析方法。.本研究成果能够有效预测UHPC-NC叠层板在服役荷载下的行为表现，有助于UHPC-NC叠层板在实际桥梁工程中的推广应用。