超高性能混凝土（UHPC）加固RC拱的强健机理和计算模式研究

Among the 100,000 dangerous bridges or defective bridges in China, RC arch bridges occupy a large proportion. It is of great practical significance to reinforce RC arch by taking advantage of ultra high performance concrete (UHPC) for its mechanical superiority of super-strength and super-toughness. This project grasps the key scientific issues such as UHPC constitutive model, the law of bond force transfer between UHPC-normal concrete (NC), and the bearing mode of composite arch. By using the research methods of theoretical analysis, model test and numerical simulation, the project aims at clarifying the strengthening mechanism of UHPC strengthening RC arch and proposing the strengthening calculation model. Firstly, the mechanism of strengthening and toughening of UHPC materials and the stable bearing capacity of UHPC components will be analyzed through theoretical and experimental studies in multi-level of materials, components, interfaces and structures, and the constitutive model and design parameters of UHPC will be obtained. Secondly, UHPC-NC interface shear tests will be conducted to reveal the UHPC-NC interfacial bond force transfer patterns. Finally, based on the numerical simulation and the whole process failure model test analysis, the failure mode of RC arch will be explored and the UHPC reinforcement model will be proposed. According to the theoretical derivation of UHPC-RC composite arch, the calculation model of UHPC reinforcement RC arch will be constructed. This project research will provide reliable theoretical and technical basis for the performance improvement of a large number of old and dangerous RC arch bridges in China.

我国现有10万座危桥或有缺陷的桥梁中，RC拱桥占比较大，利用超高性能混凝土（UHPC）超强超韧的力学优势加固RC拱具有重大的现实意义。本项目抓住UHPC本构模型、UHPC-普通混凝土（NC）界面粘结力传递规律和复合拱受力模式等关键科学问题，采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的研究方法，以明晰UHPC加固RC拱的强健机理和提出加固计算模式为目标开展研究。首先，通过材料、构件、界面、结构多层次理论和试验研究，剖析UHPC材料增强增韧和构件稳定承载机理，获取UHPC本构模型和设计参数。其次，开展UHPC-NC界面剪切试验，揭示UHPC-NC界面粘结力传递规律。最后基于数值模拟和全过程破坏模型试验分析，探究RC拱失效模式并提出UHPC加固模型，针对UHPC-RC复合拱通过理论推导，构建UHPC加固RC拱的计算模型。本项目研究将为我国面大量广的旧危RC拱桥的性能提升提供可靠的理论和技术依据。

旧危桥梁的养护、维修、加固技术研究已成为交通基础设施研究的重要课题。由于外部荷载、环境耦合作用，内部材料老化等诸多因素共同影响，我国有大量旧危钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）拱桥亟需性能提升，但是针对RC拱桥进行力学性能和耐久性双重提升的加固理论和技术还比较欠缺。本项目通过理论公式推导和批量试验分析，明晰了利用UHPC材料对RC拱进行增强增韧的机理、UHPC-NC界面粘结机理；基于本构关系研究和数值仿真分析，揭示了RC拱失效模式并提出UHPC加固RC拱模型。在此基础上分别开展了材料、构件、界面、结构的多层次理论和试验研究，针对UHPC-RC复合拱圈的受力性态，通过理论推导最终提出了UHPC加固RC拱的计算方法。本文的主要研究工作及成果如下：.（1）基于UHPC增强损伤RC拱理论分析、数值仿真和模型试验研究，明晰了RC拱损伤塑性失效模式，剖析了不同损伤等级、不同加固材料的复合拱失效机制，揭示了UHPC加固损伤RC拱结构的增强增韧力学机理，提出了考虑极限平衡状态的UHPC-RC复合拱承载力计算方法。.（2）通过UHPC材性和薄壁轴压构件试验研究，获取了不同养护条件下UHPC强度、收缩时变特性规律，提出了考虑局部稳定的UHPC轴压构件承载力计算公式，构建了考虑上升段刚度退化的三段式UHPC本构模型，揭示了UHPC材料增强增韧RC拱的力学机理。.（3）通过批量UHPC-NC剪切试验研究，揭示了有无粗糙度、钢筋对UHPC-NC界面处骨料互锁行为和销钉作用的影响。获取了UHPC-NC界面粘结滑移规律，解析了不同界面处理形式下细观裂纹和宏观抗剪承载力的内禀关联性，提出了复合结构界面“刚柔结合”的抗剪措施。