新型大跨径钢-超高性能混凝土连续组合梁受力性能分析与试验研究

For steel-concrete continuous composite girder bridge, the ever-existing problems, such as prone to crack in hogging moment area and heavy dead weight, has become a technical bottleneck of further expanding span of this type of bridge. Aiming at these problems, a new structure of steel-UHPC continuous composite girder is proposed, namely integrate the UHPC designed as deck with steel main girder to form a composite structure. The preliminary research demonstrates that the new composite structure has advantages of good crack resistance, high rigidity and light weight, and has potential to overcome above problems as well as improve span capacity of composite bridge to 150~200m. The project aims to carry on exhaustive research on new composite girder by adopting the methods of theory analysis and model test, the main contents include as follows: (1) to bring forward reasonable scheme of new composite girder based on composite structure design theory; (2) to study on basic performance of new composite girder, focus on the cracking characteristics of UHPC deck, the mechanical property of hogging moment area, the bearing capacity of composite girder, and the corresponding calculation method; (3) to study on the mode of connection, failure mechanism of steel-UHPC joint surface and its calculation method; (4) to establish basic design method of the new composite girder bridge. The project faces the requirement of long-span composite bridge with sufficient durability; the achievements of the project would provide theoretical basis and design guide for practical application of new steel-UHPC continuous composite girder bridge.

钢-混凝土连续组合梁桥存在负弯矩区易开裂、自重大等难题，已成为其跨径进一步突破的技术瓶颈。针对上述问题，申请者提出将超高性能混凝土(UHPC)作为桥面板直接与钢主梁结合，形成钢-超高性能混凝土连续组合梁的新型结构。前期研究表明，新型组合梁具有抗裂度高、刚度大、自重轻等优点，可解决上述难题，并能将组合梁桥的跨越能力扩展至150~200m。本项目采用理论分析和模型试验的方法，对新型组合梁进行深入系统的研究，主要内容包括：(1)基于组合结构设计理论，提出新型组合梁的合理结构方案；(2)研究新型组合梁的基本性能，重点关注UHPC桥面板的开裂特点、负弯矩区的受力性能、组合梁的承载能力及相应的计算方法；(3)研究钢-UHPC结合面的连接方式、破坏机理及计算方法；(4)建立新型组合梁桥的基本设计理论与方法。本项目面向大跨径长耐久组合结构梁桥的需求，研究成果将为新型组合梁的实际应用提供理论依据和设计指南。

钢-混凝土连续组合梁桥存在自重大、负弯矩区易开裂等难题，已成为其跨径进一步突破的技术瓶颈。针对上述问题，本项目提出采用超高性能混凝土(UHPC)作为桥面板与钢梁结合形成钢-超高性能混凝土连续组合梁，采用理论分析和试验研究的方法，对该新型组合梁的受力性能进行深入研究，主要的研究工作有：(1) 基于组合结构的设计理论，研究了新型组合梁的合理结构方案，结果表明：采用纵、横肋的UHPC桥面板具有更好的受力性能，新型组合梁具有抗裂度高、刚度大、自重轻等优点；(2) 设计制作了1根新型组合梁和普通组合梁的大比例缩尺模型，完成了静载破坏试验，重点研究了新型组合梁的刚度、应力分布、开裂强度、裂缝发生发展及破坏模式，探明了其受力特点和破坏机制；(3) 结合试验结果对新型组合梁的受力过程进行了分析，按弹性理论采用换算截面法提出了UHPC桥面板的开裂强度计算公式，采用塑性理论提出了负弯矩作用下新型组合梁的抗弯承载能力计算公式，并对公式的适用性进行了讨论，结果表明：UHPC桥面板的开裂强度大于20MPa，远高于传统钢-混凝土组合结构，可有效降低连续组合梁桥面板的开裂风险，计算负弯矩作用下新型组合梁的抗弯承载能力时，应考虑UHPC的抗拉强度；(4) 基于试验结果，对新型组合梁的抗裂性能进行了研究，重点讨论了负弯矩作用下UHPC桥面的裂缝发展分布规律、裂缝宽度变化、钢筋和UHPC板的应变分布，并采用已有规范完成了UHPC板裂缝宽度计算的适用性分析，结果表明：开裂后UHPC桥面板的裂缝细小、数目多且间距密集，采用欧洲规范推荐公式的裂缝宽度计算结果与实测结果吻合较好，而法国规范推荐公式的计算结果则较为保守；(5) 建立了新型组合梁的空间有限元模型，考虑双重非线性对新型组合梁的受力性能进行数值分析，着重研究了UHPC强度等级、UHPC板肋高和板厚、配筋率和钢梁横肋间距对新型组合梁的抗裂性能和极限承载能力的影响，探明了结构各主要设计参数与受力性能的规律关系。研究成果将为新型组合梁的实际应用提供理论依据和设计指南。