高强钢-UHPC组合梁的界面滑移行为及受弯破坏机理研究

The poor durability resulted from concrete slab cracking has seriously limited the further application of steel-concrete composite beams. In order to improve the strength and durability of composite beams, HSS (High strength steel), UHPC (Ultra high performance concrete), and PBL (Perforbond rib connector) are extensively used recently, i.e. the HSS-UHPC composite beams. Prior to establishing the design procedure for HSS-UHPC composite beams, it is essential to investigate the sliding behavior and flexural mechanisms of the composite beams. This project aims at the sliding behavior and failure mechanisms of HSS-UHPC composite beams through a three-step research: 1) characterization of flexural performance of the composite beams; 2) characterization of critical parameters for the composite beams; and 3) Formation of flexural calculating theory for the composite beams. Firstly, structural performance of the referred composite beams will be investigated experimentally, through evaluating the impact of steel/concrete sliding behavior and shear connection degree on flexural performance of the beams. Next, critical parameters of the composite beams will be explored numerically, and the relationship between mechanical properties and critical parameters will be established. Furthermore, rational structural system for the referred composite beams will be built up, and based on which, theoretical equations on the flexural capacity and deformability of HSS-PBL-UHPC composite beams will be developed. This study will provide theoretical and technical supports for the application of composite beams using high performance materials.

以高强材料和开孔板连接件为核心的高强钢-UHPC组合梁能有效克服常规组合梁存在的结构易开裂和耐久性不足等缺陷，但因高强钢的应力-应变关系缺乏屈服平台，UHPC的极限压应变也远高于普通混凝土，导致现行规范中适于常规组合梁的“简化塑性理论”难以准确计算其抗弯承载力及变形。本项目基于“结构特性解析—关键参数揭示—计算理论建立”的研究主线，首先通过试验研究深入解析高强钢-UHPC组合梁的受弯特性，揭示不同剪力连接度下界面滑移行为变化规律对结构抗弯性能的影响机制，获取其受弯破坏机理形成的必要信息；然后，开展高强钢-UHPC组合梁的非线性有限元仿真，揭示所提组合梁受弯破坏机制形成全过程，明确关键影响参数，并建立高强钢-UHPC组合梁结构合理体系的构造方法；基于前述研究，最终建立高强钢-UHPC组合梁的抗弯承载力及变形计算方法。本项目研究将为该类结构的标准编制及工程设计提供抗弯方面的理论基础和方法支撑。

钢-混凝土组合梁在中小桥梁结构领域应用前景广阔，但常规混凝土翼板开裂导致的组合梁承载力退化和耐久性不足限制了其进一步发展。以高强材料和开孔板连接件为核心的高强钢-UHPC组合梁在结构抗裂和耐久性方面极具优势，明确高强钢-UHPC组合梁的界面滑移行为和受弯破坏机理是建立其合理设计计算方法的基础。本项目利用试验研究、数值模拟和理论分析等手段，按照“结构特性解析—关键参数揭示—计算理论建立”的研究主线，对高强钢-UHPC组合梁的合理构造形式、材料强度匹配策略、受弯破坏机制、界面滑移行为、抗弯计算方法等进行了深入研究。研究对象主要为由高强钢梁、开孔板连接件、UHPC翼板结合形成的简支高强钢-UHPC组合梁，兼顾钢/混凝土界面的开孔板连接件。所进行的主要研究工作和得到的主要结论如下：（1）建立了高强钢-UHPC组合梁的三维非线性有限元模型，通过开展参数分析得到了该型结构的合理构造形式；（2）以高强钢和UHPC强度为基本参数开展材料强度匹配性分析，提出了高强钢-UHPC组合梁材料强度的科学匹配策略；（3）以剪力连接度、UHPC板厚、翼板宽度等为试验参数，设计并完成了10片高强钢-UHPC组合梁四点弯曲加载试验，探明了不同剪力连接度下界面滑移行为对组合梁抗弯性能的影响规律，得到了剪力连接度、界面滑移、抗弯性能间的交互影响机制；（4）针对UHPC翼板宽厚比较大导致的组合梁截面剪力滞后现象，结合试验研究和数值模拟评估了高强钢-UHPC组合梁中混凝土翼板的剪力滞效应，基于能量变分法推导了考虑界面滑移和剪力滞效应的HSS-UHPC组合梁有效宽度计算公式；（5）基于截面分析法建立了适于高强钢-UHPC组合梁界面滑移和挠度计算的理论模型，参考现有计算理论并引入合理参数，构建了高强钢-UHPC组合梁的抗弯计算理论模型，建立了具有合理安全度、简单实用的抗弯承载力设计公式，并给出了关键设计参数的建议取值区间。