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2021年度进展01:混凝土桥及其高性能材料

发布于:2022-03-22 09:18:22 来自:道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

0.引言

混凝土桥是桥梁工程领域最为常见的桥式之一,近年来关于混凝土桥除了结构领域的研究外,围绕桥用高性能混凝土和高性能筋材也展开了大量有趣的研究。最近两年在西南交通大学桥梁工程系的号召下,本文课题组分别就2019年、2020年国内外混凝土桥及其高性能材料的相关研究工作进行了汇总和报告 [1,2] ,引起业界的广泛关注和好评。在2022年之初,课题组将继续开展2021年度混凝土桥及其高性能材料的研究进展汇总。该工作将主要围绕混凝土桥梁的力学分析、运营维护、全寿命周期下的性能评估及桥用高性能混凝土材料(纤维混凝土、地聚物混凝土、UHPC)和高性能筋材展开,以期为广大同行提供参考,继续共同推进混凝土桥领域的研究。

本文所收集文献主要来自但不限于以下国内外知名期刊,它们分别是:土木工程学报、中国公路学报、建筑结构学报、建筑材料学报、土木与环境工程学报、硅酸盐通报、混凝土、Engineering Structures、Composite Structures、Structures、Cement and Concrete Research、Construction and Building Materials、Cement and Concrete Composites、Journal of Cleaner Production、Composites Part B、ACI Materials Journal等,具体期刊详见参考文献部分。

1.混凝土桥相关研究

1.1 混凝土桥力学性能研究方面

2021年有诸多国内外学者对混凝土桥的整体力学性能和有限元仿真分析方法进行研究和完善。如,在预应力混凝土梁的力学性能研究方面:Chenhao Tang等       [3] 对无粘结预应力混凝土T型梁桥的抗弯性能进行了四点弯曲试验和数值模拟研究。结果表明,无粘结预应力混凝土梁的弯曲破坏过程经历了与预应力混凝土梁相似的弹性、弹塑性和延性阶段。预应力度和荷载位置对无粘结预应力T型梁桥的破坏过程有显著影响,且较低的有效预应力度可以减小裂缝的分布范围,增大裂缝的宽度。该研究为无粘结预应力混凝土梁桥的设计和实际应用提供了参考。Lantsoght, E.O.L等       [4] 通过两种不同的加载位置研究了T型预应力混凝土梁的抗剪承载力。结果表明,对于预应力混凝土梁,当剪跨比大于2.5时应考虑剪跨比对抗剪承载能力的影响。在有限元仿真分析方面,Taiyu Song等       [5] 创新地开发了一种混凝土箱型截面梁的有限元建模方法,该方法采用钢筋混凝土各向异性本构模型,并结合分层壳理论方法建立曲线箱型截面单元模型。该方法在保持模型准确性的前提下显著减少了箱型截面梁建模所需的单元数量。

在混凝土桥构件及局部受力研究方面:胡志坚等 [6] 研究了预制拼装混凝土桥梁连接钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能,发现钢筋与混凝土粘结界面承载力与混凝土强度、钢筋直径和锚固长度呈正相关;界面粘结强度与混凝土强度呈正相关,与钢筋直径呈负相关,与锚固长度关联度较小。Ajibola Ibrahim Quadri等 [7] 对钢筋混凝土搭接端梁(RCDEB)的粘结响应进行了数值模拟和试验研究。在静力试验和循环荷载试验中RCDEB主要发生对角拉伸破坏和剪切破坏。数值研究表明,RCDEB在相对较低量级和较少循环次数的移动荷载作用下仍然出现高应力,这应当引起足够的关注。卫俊岭等 [8] 模拟了混凝土箱梁桥的最大竖向温度梯度分布特征,分析了该温度分布模式对桥梁的作用效应:相比于设计规范中的竖向温度梯度模式,计算拟合的竖向温度梯度对混凝土箱梁桥的应力影响更小。

在混凝土桥抗震分析研究方面:Borislav Todorov等 [9] 采用基于纤维单元的桥梁墩身非线性有限元模型,研究了长时程地震动和近断层地震动对抗震设计桥墩的地震性能影响,并将其响应与短时程远场地震动进行比较。结果表明,基于设计性能的损伤评估应考虑持时效应以及与近断层地震动相关的速度脉冲效应。Phuong Hoa Hoang等 [10] 通过采用数据驱动的Kriging元模型模拟结构对于结构本身和地震动不确定性的响应,继而提出了一种适用于钢筋混凝土公路桥梁地震易损性分析的框架模型。结果表明,该模型可以实现在少量有限元模拟和考虑各种桥梁建模不确定性的情况下地震易损性曲线的有效建立。方圣恩等 [11] 以一座3跨连续混凝土箱梁桥为研究对象,分析铅芯橡胶隔震支座与非隔震型盆式橡胶支座对该桥桥墩、支座和全桥系统地震易损性的影响,结果表明,采用铅芯橡胶隔震支座能够有效降低同种类型桥梁发生各种破坏的概率。刘雪山等 [12] 采用拟静力试验方法,结合数值模拟探讨了不同构造下的预制拼装钢管混凝土桥墩的抗震力学性能,为后续预制拼装钢管混凝土桥墩的设计与应用提供了试验基础。鲁锦华等 [13] 提出了一种适用于低配筋铁路重力式桥墩的四弹簧抗震计算模型,并通过静、动力作用下的该模型计算值与试验值对比验证了其可用于铁路重力式桥墩的抗震简化计算(图1.1)。

   

图1.1 四弹簧抗震分析模型 [13]

Fig.1.1 The four-spring seismic analysis model [13]

综合以上混凝土桥的力学性能研究进展可以发现,通过试验方法对混凝土桥梁的受力行为进行研究已经日趋成熟,而如何采用有限元和离散元模拟方法实现对混凝土桥整体、局部力学性能与动力性能的高精度、低时间成本仿真分析是需要未来继续更好解决的问题。


1.2 混凝土桥运营维护研究方面

近年来,随着交通路网车流量的逐渐增加,既有桥梁运营阶段的耐久性和使用寿命都面临着极大的考验,现有老旧桥梁的维修养护成为亟待解决的问题,许多学者针对这个问题也进行了深入研究。在运营维护和耐久性研究方面:蔺鹏臻团队       [14] 借助混凝土碳化和钢筋锈蚀的试验数据,验证基于BIM 技术的混凝土桥梁耐久性寿命分析软件的可靠性。Ebrahim Afsar Dizaj等       [15] 认为因氯离子引起的钢筋腐蚀所进一步导致的钢筋混凝土桥梁劣化和开裂是一种与时间相关的随机现象。在桥梁运营阶段,其老化状态高度依赖于经验丰富的检查人员的意见。考虑到这种复杂性,Ebrahim Afsar Dizaj等       [15] 提出一种新的随机预测方法,利用非齐次马尔可夫过程,将检测数据(腐蚀速率和裂缝宽度)与劣化混凝土桥梁的结构易损性关联起来,用于预测腐蚀诱导混凝土开裂的先决条件。Wei Fan等       [16] 以某典型四跨连续钢筋混凝土桥梁作为研究对象,建立结构有限元模型,研究了腐蚀冲刷对桥梁构件冲击韧性的影响。研究结果表明,冲刷的加剧会导致结构产生更大的变形,对桥梁造成损坏,但往往会产生更有利于墩柱的响应。暴露在海洋环境中的钢筋混凝土桥梁会遭受严重的钢筋腐蚀病害。而钢筋腐蚀是导致钢筋和混凝土材料强度劣化、钢筋-混凝土粘结破坏以及保护层混凝土剥落的主要原因,基于此背景,Rajib Kumar Biswas等       [17] 提出了一个可模拟地震作用下锈蚀钢筋混凝土桥墩力学行为的数值模型,研究结果表明,钢筋腐蚀显著影响了钢筋混凝土桥墩的结构性能,如承载能力等。Zhi-Qi He等       [18] 提出了一种基于裂缝的后张法节段箱梁桥梁使用性能评估方法,并将其应用于两座实际桥梁的状态评估中。陈水生等       [19] 采用蒙特卡洛随机抽样的方法生成随机车流荷载模型,并提出了桥梁车致裂缝宽度极值预测方法。

时变性能研究方面:Haocheng Chang等 [20] 提出了一种新的分析钢筋混凝土(RC)和预应力混凝土(PC)桥梁徐变效应的三维有限元模型,该混合模型使用12节点实体单元模拟混凝土,使用2节点桁架单元模拟钢筋,并使用负面积桁架单元(a negative-area truss element)来模拟混凝土内部管道的影响,以获得更精确、有效的RC和PC桥的徐变效应模拟。Pengzhen Lu等 [21] 提出了一种基于二分法概念的高斯过程响应面方法,并利用有限元软件ANSYS建立了钢管混凝土拱桥的精细分析模型,同时选取了最优徐变方程和温度效应函数。随后他们又利用改进高斯过程模型,预测了钢管混凝土拱桥在收缩、徐变和温度效应下的挠度值和稳定系数。为钢管混凝土拱桥拱肋在收缩徐变、温度等复杂因素耦合作用下的性能退化分析提供了一种更为简便、精度更高的方法 [21] 。陈水生等 [22] 为探究钢筋混凝土桥梁抗力退化对桥梁可靠性能的影响,建立了普通钢筋混凝土桥梁抗力退化时变模型,分析车辆荷载作用下桥梁的时变可靠度。研究结果表明,一般大气环境下,桥梁抗力随着服役时间的增加而减小,其中钢筋强度退化对桥梁抗力的影响最大,其次是钢筋与混凝土黏结性能降低,而混凝土强度退化对桥梁抗力的影响相对较小。张怡雪等 [23] 为研究存梁期对采用节段悬拼法施工的混凝土桥梁的徐变变形及施工线形的影响,以宁波舟山港北通航孔桥为背景,采用Midas/Civil软件建立全桥有限元模型,研究不同徐变模型对加载龄期的敏感性,对比分析实际工程箱梁节段的桥梁徐变变形和预拱度与设计值的差异。

在极端环境下混凝土桥研究方面:薛俊青等 [24] 为预测混凝土小箱梁桥主梁顺桥向的温度胀缩变形,对极端气候条件下该类桥梁主梁截面平均温度计算方法进行研究,利用有限元软件Midas/Civil对小箱梁截面进行建模分析。Baolin Sun等 [25] 研究了冻胀损伤对后张预应力混凝土梁力学性能的影响及其机理。建立了混凝土梁的三维非线性有限元模型,其研究结果有助于提高寒冷地区预应力混凝土桥梁的安全性和耐久性。Hamid Abdollahnia等 [26] 研究了混凝土桥梁桩基在海浪冲击下的疲劳寿命。Ji-Gang Xu等 [27] 针对一座钢筋混凝土箱梁桥,进行了在地震海啸连续事件作用下概率易损性分析,并采用双阶段分析法对地震-海啸连续事件下的桥梁损伤进行研究,同时推导了地震-海啸连续作用下桥梁的易损性曲线。结果表明,地震对桥梁柱刚度的影响比强度的影响更为显著。与仅考虑单个地震灾害或海啸灾害相比,如果考虑地震海啸的多重灾害,桥梁系统将变得更加脆弱。Jingzhe Ren等 [28] 评估了在地震和桥墩冲刷作用下,钢筋混凝土梁桥在全寿命周期内正常使用的概率。采用有限元软件SAP2000获取桥梁在多种因素耦合作用下的力学响应,利用时变可靠性方法评估桥梁在使用寿命期间的正常使用概率。研究结果表明,与桥墩冲刷相比,钢筋劣化对桥梁地震易损性的影响更为显著;然而,当冲刷深度低于一定水平时,桥墩冲刷会延长桥梁的自振周期,降低桥梁的地震反应。S.C. Zhou等 [29] 通过试验研究了碳纤维增强聚合物(CFRP)对圆形钢筋混凝土(RC)桥墩在车辆横向冲击荷载作用下的加固效果。研究结果表明,对圆形钢筋混凝土桥墩进行碳纤维布加固可以有效地降低横向冲击荷载作用下结构的易损性。Lin Chen等 [30] 提出了一个考虑车辆碰撞风险的钢筋混凝土桥墩性能评估框架。通过考虑结构部件到道路的距离、碰撞角度和初始速度等因素,评估不同场景下的碰撞概率。张景峰等 [31] 为研究超高车辆撞击预应力空心板桥的损伤破坏机理及被撞主梁承载力的变化规律,建立了预应力空心板桥-双轴卡车碰撞有限元模型,并给出桥梁防撞意见。Zhao Zhu等 [32] 研究了简支小箱梁桥的抗爆破性能和破坏机理。研究发现,当爆炸发生在主梁上方时,梁体会出现严重的混凝土剥落和钢筋断裂。最后给出防治意见:增加梁间距和引导爆炸车辆的路径可以有效降低桥梁坍塌的风险。Lu Liu等 [33] 也针对一个整体式桥墩和12个预制节段钢筋混凝土桥墩(PSRC)桥墩进行了缩尺现场试验,以研究其在近距离爆炸荷载作用下的行为和破坏模式。通过对比整体式桥墩和PSRC桥墩在底部爆炸下的不同破坏模式,试验结果表明,整体式桥墩在爆炸区附近表现出局部弯曲破坏,并且由于应力波垂直传播,出现大量横向裂缝。

上述相关文献针对混凝土桥梁运营维护、耐久性、时变性能以及极端环境下混凝土桥梁结构行为研究进行了探讨阐述,总结了混凝土桥梁在正常使用阶段下所面临的种种问题。建议在上述研究基础上进一步加深理论研究,探究多因素耦合作用下桥梁的运营维护方案。

1.3 混凝土桥剩余使用寿命预测与性能评估研究方面

混凝土桥的剩余使用寿命是近些年来桥梁业主关注的热点,因此国内外学者采用多种方法对混凝土桥的剩余寿命与性能开展预测与评估:

王俊峰等 [34] 基于改进损伤算法及多车道精细车流模拟,提出一种新的混凝土桥梁疲劳寿命的预测方法,并利用一组钢筋混凝土梁与一组预应力混凝土梁变幅疲劳试验,验证了改进损伤算法的准确性,在此基础上提出公路混凝土桥梁疲劳寿命预测流程。Jingzhe Ren等 [35] 评估了在地震和水流冲刷桥墩作用下一座日益劣化的钢筋混凝土梁桥的有效概率,并建立了基于桥梁使用寿命的可靠性评估模型。YANG Shuyan等 [36] 建立了同时考虑纵向钢筋腐蚀率与轴向载荷比影响的锈蚀钢筋混凝土柱延性系数修正模型,并在考虑卸载刚度退化和历史峰值加载刚度退化的基础上建立了锈蚀钢筋混凝土柱滞回模型。所建立的滞回模型可以较好地预测锈蚀钢筋混凝土柱在地震作用下的剩余使用寿命。Ishwarya Srikanth [37] 等采用多元回归分析方法,研究老化、荷载、环境条件等因素对桥梁构件状态的影响,开发了基于桥梁特征的混凝土桥梁构件状态预测模型。鉴于目前基于应变数据的桥梁工况评价方法无法实现对整个桥梁承载能力的评价。Kangdi Wang [38] 等提出了一种基于应变监测数据和计算最大裂缝高度的混凝土桥梁抗力劣化评估方法,并通过工程项目验证了该方法的有效性。

上述内容综述了多自然因素作用下混凝土桥剩余使用寿命预测与性能评估的研究进展。建议继续进行多因素耦合(如:钢筋锈蚀、水流冲刷、混凝土时变效应等)作用下混凝土桥剩余使用寿命的预测研究,并探寻更多有效预测方法以丰富各种情况下的寿命预测手段。

2.桥梁高性能混凝土相关研究

2.1 纤维混凝土相关研究

以水泥为主要基材的各类混凝土具有极限延伸率小、脆性明显、抗裂性能和动力性能差等缺点,且该缺点随着其强度的提升会更加显著,这也成为高性能混凝土向结构应用方面发展的瓶颈。同时,随着结构计算技术的成熟,混凝土桥梁的进一步发展开始更加依赖基础材料的进步,因此高性能混凝土的增韧研究正在面临新的挑战。目前关于混凝土韧性提升的最主要途径多围绕纤维混凝土的相关研究展开,所以很有必要就近年来该领域最新的研究展开梳理和总结。

2.1.1 纤维混凝土工作性能研究

纤维混凝土研究的第一要务就是要解决其工作性能问题,否则很难将其用于实际工程中。在过去的一年中, Sathia等 [39] 采用不同体积的纤维(占粘结剂重量的1%~5%),研究了纤维体积分数对混凝土工作性能的影响。结果表明:纤维含量的提升对自密实混凝土混合料的通过性和流动性有不利影响,但也指出尽管如此,纤维对自密实混凝土的各项力学性能(尤其是开裂强度和韧性)有绝对的提升作用。杨简等 [40] 以钢纤维体积分数、长径比和水胶比为变量,进行了两组试验,主要研究钢纤维对超高性能纤维混凝土(UHPFRC)流动性能的影响。试验结果表明:新拌UHPFRC流动性能随钢纤维的体积分数、长径比增加而下降,特别是当钢纤维体积率超过2%时下降明显;钢纤维体积分数较大时,增大水胶比,保持一定流动性能,能有效提高纤维的增强效果;钢纤维体积分数较小时,在满足流动性能要求的前提下,减小水胶比,可以进一步提高抗压强度。Wenzhen Wang等 [41] 讨论了纤维对新鲜混凝土浆液流变特性的影响,揭示了纤维混凝土工作性能、流变性能与力学性能之间的关系。他们指出随着纤维长度、含量、长径比等的增加,混凝土的和易性将降低;柔性纤维对混凝土流动性和通过性的影响更大;良好的纤维取向可提高工作性能,反之亦然;部分胶凝材料和填料外加剂可以提高FRC的新鲜度和流变性能,但纳米材料的加入会降低混凝土的和易性;集料的类型、体积分数、级配和粒径对流变特性有很大影响。此外,还总结了一些改善和易性和流变性能的方法,如:减小粗骨料的最大粒径;在混合过程中增加纤维,在将纤维分散到搅拌机中之前进行湿混合等。最后,讨论了控制FRC流变性能的可行策略,使得FRC的工作性和力学性能更易调控,更可预测。

上述研究在考虑力学性能的同时重点探讨了纤维混凝土的工作性能,代表了纤维混凝土研究的一个趋势,但从文献数量和成果上来看,所做的工作还远远不够。目前的大量文献只是研究了纤维混凝土如何影响工作性能,并未提出更好的解决方案,而这一问题最终将会影响其工程应用,因此值得继续关注。

2.1.2 纤维混凝土力学性能研究

目前在纤维混凝土的研究方面,大多数文献都是围绕其对混凝土力学性能的改善开展研究。Jinlin Ran等 [42] 研究了波纹型钢纤维体积分数对混凝土抗压和抗拉性能的影响。试验结果表明,波纹钢纤维对混凝土拉伸性能的改善比压缩性能的改善更为显著。此外,研究指出波纹钢纤维似乎比直纤维和钩状纤维对混凝土性能具有更好的改善效果。Rafea F. Hassan等 [43] 将纤维含量为0.0%、0.5%、1.0%和1.5%的两种不同长度的钢纤维与混凝土混合,以研究纤维长度和用量对扭转性能的影响。结果表明,钩形大尺寸钢纤维在1.5%纤维掺量下,其对混凝土梁的总抗扭韧性提高最大,而直形微钢纤维在1.5%纤维掺量下,表现更好。Le Chen等 [44] 通过双面斜纤维拉拔试验和钢纤维增强混凝土(SFRC)狗骨试件拉伸试验,对纤维取向效应进行了多尺度研究。研究表明,相对于拉伸载荷,纤维的倾斜角度从0°到60°表现出越来越大的延展性。低纤维含量的定向纤维钢纤维混凝土比高纤维含量的钢纤维混凝土具有更大的能量吸收能力。Danying Gao等 [45] 研究了钢纤维对SFRC加筋梁疲劳性能的影响。结果表明:纤维掺量从0增加到1.0 vol%,梁的疲劳寿命逐渐增加,至1.5 vol%时疲劳性能降低。

林笑 [46] 通过力学试验、微观试验、理论分析,探究短切玄武岩纤维构造的单掺、混杂纤维的增强作用、混杂效应、耗能机理。研究发现:单掺纤维中,钢纤维增强效果最佳;混杂纤维中,钢-玄武岩混杂纤维增强效果最佳;混杂纤维组合按最佳抗压混杂系数排序依次为:钢-玄武岩、玄武岩-PP、玄武岩-碳纤维;按最佳劈拉混杂系数排序依次为:钢-玄武岩、玄武岩-碳纤维、玄武岩-PP;按最佳抗折混杂系数排序依次为:玄武岩-PP、玄武岩-碳纤维、钢-玄武岩。Fangyu Liu等 [47] 分析了混杂纤维增强混凝土(HFRC)的微观结构特征与力学性能之间的关系。结果表明:钢纤维主要影响HFRC的机械性能,特别是强度指数;而PVA纤维可以改善HFRC的韧性,但会降低强度指数。Junjie Feng等 [48] 设计了三个系列采用不同的再生粗骨料(RCA)替代率的钩端钢(HES)和宏观聚丙烯(MPP)混杂纤维增强再生骨料混凝土(HFRRAC)(总体积分数为1.5%)。结果表明,HES纤维对新拌混凝土和易性的影响远大于MPP纤维。对于含有部分RCA的天然骨料混凝土和再生骨料混凝土,1.0%HES纤维和0.5%MPP纤维的混合组合在压缩特性和损伤演化方面具有最佳协同效应,但当RCA完全取代天然粗骨料时,单钩端钢纤维对韧性和损伤演化的积极作用优于混杂纤维。Zhang Junwei等 [49] 基于纤维混凝土的最佳纳米材料配合比,进行了包括钢纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、玄武岩纤维和CaCO3晶须的纤维增强混凝土配合比试验。结果表明:单掺玄武岩纤维、单掺PVA纤维、双掺钢纤维和PVA纤维均不同程度地降低了混凝土的抗压强度,但都增加了混凝土的抗弯强度。单掺钢纤维、双掺CaCO3晶须和钢纤维、三掺钢纤维、PVA纤维和CaCO3晶须均能提高混凝土的抗压强度和抗折强度。合适的混杂纤维能对混凝土发挥最佳的增强增韧作用,使其达到最佳的协同作用。

通过上述研究成果不难发现,目前异形钢纤维依然是单掺纤维的主流研究对象,且其确实也可产生良好的增强增韧效果。混杂纤维的研究已经逐渐代替单掺形式成为纤维混凝土的主要研究点,并且不断向多尺度纤维增强与增韧方向发展。

2.1.3 纤维混凝土耐久性能研究

近年来随着纤维混凝土材料的力学性能研究的逐渐成熟,其耐久性能逐渐开始引起相关学者的关注,如:Jingge Ren等 [50] 在混凝土中加入纳米SiO2、纳米TiO2和聚丙烯纤维,研究其在冻融循环和硫酸盐侵蚀下的耐久性和破坏机理。结果表明:聚丙烯纤维具有架桥效应,能使混凝土的耐久性提高67%。纳米颗粒只能在120个冻融周期内提高混凝土的耐久性,不能提高混凝土的长期抗冻性。水冻结比硫酸钠造成的损伤更大,孔隙特性是影响耐久性的最重要因素。Qiang Fu等 [51] 研制了海洋环境用混杂纤维高耐久性混凝土(HFHDC),研究了各种因素对HFHDC耐久性能的影响。结果表明:玄武岩纤维(BF)和聚丙烯纤维(PF)混杂后可以提高混凝土的密实度,切断混凝土中连通的孔隙,抑制混凝土裂缝的扩展,提高混凝土的抗渗性。Haiyan Xu等 [52] 对纤维素纤维(CTF)、聚乙烯醇纤维(PF)和聚烯烃纤维(VS)增强混凝土的耐久性进行了综合研究。结果表明:CTF和PF的加入能有效提高混凝土的抗干缩、抗渗、抗裂、抗碳化、抗氯离子渗透性等5个方面;VS的加入对以上五个方面的耐久性无稳定的效果;混杂纤维在提高上述耐久性方面具有积极的协同作用,其中1.2 kg/m3 CTF、2.0 kg/m3 PF和2.0 kg/m3 VS混掺纤维的混凝土耐久性的性能最佳。

从发文量来看,过去一年中关于纤维混凝土耐久性能的研究相对较少,综合以往研究也可看出研究成果相对并不一致。主要差异在于关于纤维的引入会导致更多的缺陷,降低了混凝土耐久性与纤维的引入起到桥接和优化孔隙结构,提升混凝土耐久性之间的争议。因此,关于纤维混凝土的耐久性还有很大的研究空间。

2.1.4 纤维混凝土构件应用研究

在纤维混凝土材料研究的同时,也有许多学者致力于开展其结构应用研究,相关工作主要针对梁柱构件展开。Touhami Tahenni等 [53] 对无箍筋的SFRC梁进行了四点弯曲试验,主要测试参数为混凝土抗压强度、纤维体积分数和纤维长径比。试验结果表明:随着钢纤维的加入,受拉区混凝土对梁构件的挠度和刚度的贡献增大;纤维取向对钢纤维混凝土梁的抗弯性能有显著影响。Zhuoran Wang等 [54] 研究了碳纤维混凝土(CFRC)梁在冲击荷载作用下的抗弯性能,结果表明,纤维含量为0.35%的CFRC梁吸收的能量最高,约为不含纤维梁的2.3倍。提出了一种改进的CFRC梁成型工艺,以实现20mm长碳纤维在混凝土基体中的均匀弥散。C. Pradeep Kumar等 [55] 对钢纤维混凝土梁的强度特性进行实验研究,旨在研究传统的混凝土梁中将钢纤维视作二级加固材料。研究中钢纤维以1%的比例添加到混凝土中,试验结果显示:钢纤维的加入使梁在荷载作用下性能更好,裂缝减少;钢纤维的加入增加了梁的刚度;SFRC梁的延性性能优于钢筋混凝土梁,从而为该类梁在地震易发地区的应用提供了思路。

除此之外,Danying Gao等 [56] 对钢纤维增强再生骨料混凝土(SFRRAC)柱在轴压作用下的性能进行了试验和分析研究,结果表明:1%钢纤维可使再生骨料替代自然骨料达到100%,并可替代34%-56%的横向箍筋。最后,建立了轴向加载SFRRAC柱的承载能力预测模型,该模型与试验结果吻合较好。Jianxin Zhang等 [57] 采用高强钢纤维混凝土(HSSFC)作为梁柱接缝材料,以提高基材与高强钢筋的粘结性能。试验结果表明,HSSFC加固梁柱节点具有良好的抗震性能,混凝土损伤较小,延性增强,耗能能力增强;钢筋与HSSFC的粘结性能提高,降低了梁纵向钢筋滑移和剪切变形,减少了梁端滑移的发生。赵航帅 [58] 研究了玄武岩纤维掺量对新老混凝土粘结面性能的影响,结果表明:随着玄武岩纤维掺量的增加,新老混凝土约束收缩率减小,其约束收缩率的效果优于对减缩剂掺量调节和界面粗糙度调节;随着玄武岩纤维掺量的增加,粘结面断裂韧度和断裂能有一定程度的增大。

综合上述不难发现,目前关于纤维混凝土的梁柱构件应用均有研究,但还存在以下问题,如:研究量不足;研究中关于构件的尺寸效应的影响未得到充分体现;纤维配筋构件的设计计算公式有待进一步完善;纤维混凝土在桥梁结构中局部位置的应用和结构加固研究还有待于进一步深化与加强。

2.2 地聚物混凝土相关研究

地聚物被认为是继石灰和普通硅酸盐水泥之后的第三代粘结剂。为了减少/消除硅酸盐水泥生产中温室气体排放的措施。在过去的一年中,地聚物混凝土(GPC)作为波特兰水泥混凝土(OPC)替代品的研究取得了重大发展。这主要体现在材料研究和耐久性研究。

众所周知,地聚物混凝土的胶凝材料成分不同于水泥混凝土的,它的强度和配合比设计一直是工程师关注的焦点。Nikoloutsopoulos等 [59] 通过比较发现GPC的抗压强度高于OPC的,但是其弹性模量仅为OPC的50%左右。Rameshwaran等 [60] 报道了GPC的28d弯拉强度可达到5.0MPa左右,这要高于OPC的。然而,由于粉煤灰的活化能较高,GPC通常要经过高温养护。Ghafoorx等 [61] 通过优化配合比,在室温养护下的GPC的28d抗压强度不足30.0 MPa。可见,养护问题或性能改造是GPC工程应用的一个难点。此外,GPC的配合比尚无现成的设计规范可以参考。Toufigh等 [62] 提出了一种基于化学组成预测GPC抗压强度的综合模型,该模型可以较准确地估算低钙FAGC的抗压强度。Ahmed等 [63] 以粉煤灰粘结剂中SiO2/Al2O3 (Si/Al)、碱液胶凝比(l/b)、粉煤灰(FA)含量、细骨料(F)含量、粗骨料(C)含量、水玻璃(SS)/氢氧化钠(SH)含量 (SS/SH)、摩尔浓度(M)、固化温度(T)、固化时间(CD)和试样龄期(A)等12个参数作为基本变量,建立了GPC的抗压强度线性(LR)、非线性(NLR)和多逻辑回归预测模型。其中,NLR模型对FA-GPC混合料抗压强度的预测效果优于其他模型。Aneja等 [64] 使用基于机器学习的神经网络模型预测GPC抗压强度,也获得了可以接受的精度。这些模型可以为无法开展试验的情况下,提供可接受的GPC配合比。

GPC的耐久性是其在建筑领域应用的重要性能。Pasupathy等 [65] 比较了 GPC 与OPC暴露在相同氯化物和硫酸盐侵蚀环境中的耐久性。结果表明,与OPC相比,GPC具有较高的氯离子扩散系数和较低的结合能力,对氯离子传输有不利影响。GPC的硫酸盐渗透性也大于OPC混凝土。进一步地,Sastry等 [66] 发现将纳米TiO2加入GPC中可以获得更好的抗硫酸盐侵蚀和抗氯化物渗透的性能。此外,Saxena等 [67] 指出用 15% 的花岗岩废料替代部分天然细骨料制备的GPC在力学性能和耐久性方面具有明显的优越性。

GPC的结构应用研究也获得了一定的进展。Huang等 [68] 研究了用玄武岩纤维(BFRP)筋加固的GPC梁在静载和冲击载荷下的响应。结果表明,在静荷载作用下,梁的破坏模式为弯曲破坏模式。如图2.1所示,在冲击荷载作用下,梁的破坏模式一般为弯剪组合破坏。随着冲击速度的增加,梁的破坏模式由屈曲—冲切—剪切—破坏模式转变为纵向BFRP筋断裂模式。

   

图2.1 GPC梁在冲击荷载作用下的破坏模式 [68]

Fig.2.1 The four-spring seismic analysis model [68]

Hadi等       [69] 研究了加筋材料类型(钢筋和玻璃纤维筋GFRP)等对GPC柱的力学和变形性能的影响。如图2.2所示,配筋GPC试件的破坏首先是纵向钢筋屈曲,然后纵向钢筋断裂或螺旋钢筋断裂,从而导致试件的完全破坏。然而,配置GFRP试件的破坏是由纵向GFRP筋中玻璃纤维的扭结引起的。纵向GFRP筋和GFRP螺旋的断裂导致了试件的完全破坏。同时,使用相同数量的GFRP筋替换钢筋,试件的轴向承载能力、约束效率和变形能力下降。
   

图2.2(a)钢筋的屈曲和螺旋的断裂;(b) GFRP 的皱缩和螺旋的破裂;(c) GFRP 的破裂 [69]

Fig.2.2 (a)  Buckling and spiral fracture of reinforcement; (b) The shrinkage and spiral rupture of GFRP; (c) Rupture of GFRP [69]

Ngo等       [68] 评估了一种由GPC和碳纤维增强聚合物 (CFRP) 螺栓制成的新型干式接头用于地震荷载下的抗弯混凝土框架的性能。结果表明,OPC 和 GPC 接头的裂纹发展和失效模式相似。但是,GPC接头的延展性比其对应的 OPC 接头低约 22.9%~42.8%。GPC 试样在峰值载荷下表现出脆性破坏。
通过整理与归纳可知,GPC混凝土的抗压强度,抗弯强度较OPC的更为优越,但是GPC的弹性模量仅有OPC的一半左右。目前,通过粉煤灰的化学成分或者GPC的各组分比例关系可以简便地获得具有较好抗压强度的GPC配合比。GPC的抗氯离子渗透和抗硫酸盐侵蚀性能较好。添加纳米TiO2或者适量的废弃花岗岩碎石可以进一步提高GPC的耐久性能。
在常规环境下的GPC力学性能优化和GPC的标准化的配置方法的研究尚不充分,这严重限制了GPC的推广应用。因此,弄清GPC的强度发展机理,提出科学的养护制度,建立健全GPC的制备方法迫在眉睫。


2.3 超高性能混凝土相关研究

超高性能混凝土(UHPC)具有超强的力学性能和优异的耐久性能,自问世以来,国内外学者一直在不断优化其材料性能,主要包括以下几个方面:首先是材料组成、养护方式等因素对UHPC性能的影响及其绿色环保和低成本的UHPC制备;其次还有其结构应用等相关研究。以下分别就此展开总结。

2.3.1 UHPC材料性能研究

UHPC材料性能一直是研究的热点。王龙等 [70] 研究了钢-聚丙烯混杂纤维UHPC(HF-UHPC)的力学性能尺寸效应规律,根据试验结果揭示了抗压强度尺寸效应产生的机理,并基于无切口修正的Bazant断裂力学尺寸效应理论,建立了可用于不同尺寸、不同纤维参数的HF-UHPC抗压强度计算公式。苏捷等 [71] 分析了粗骨料含量、几何尺寸和水胶比对含粗骨料UHPC立方体抗压强度尺寸效应的影响,结果表明:随粗骨料含量的增加,UHPC立方体抗压强度呈先增大后减小的趋势。含粗骨料UHPC立方体抗压强度尺寸效应随水胶比的提高而逐渐减弱。高原等 [72] 研究了不同养护条件下(标准养护、55℃蒸汽养护、85℃蒸汽养护)养护不同龄期、高温蒸养不同时间后继续标准养护和标准养护不同龄期后高温蒸养对UHPC力学性能的影响。Rui Yu等 [73] 研究了水泥掺量、钢纤维和膨胀剂对UHPC抗裂性能的影响,并利用响应面法研究了物化多因素耦合对UHPC抗裂性能的影响。结果表明,低水泥掺量、加入钢纤维、加入膨胀剂均能有效提高UHPC的抗裂性能。Huang等 [74] 研究了纤维取向对提高UHPC在冲击载荷下的动力性能的贡献。结果表明,在一定的应变速率下,纤维取向垂直于加载方向和平行于加载方向的试样的动态性能分别为最高和最低。Youjun Xie等 [75] 研究了陶粒砂体积比和钢纤维含量对UHPC性能的影响。结果表明,钢纤维和陶粒砂共同作用弥补了轻质多孔骨料的不足。18%陶粒砂的加入有效地改善了UHPC的强度、比强度、孔隙结构和界面过渡区。Kai Liu等 [76] 研究了UHPC在加热-冷却处理后的动态行为和失效特征,分析了不同冷却方式(自然冷却、水冷却)下试件纵波速度、抗压强度、弹性模量和动态增强因子(dynamic increase factor)的变化规律。试验结果表明,与自然冷却相比,水冷却引起的热冲击会导致纵波速度、准静态和动态抗压强度以及动弹性模量的显著损失。Zongyun Mo等 [77] 研究了蒸汽养护对含偏高岭土(MK)的UHPC基体的影响,探讨了不同养护温度、养护时间下UHPC基体的水化、力学性能和微观结构。结果表明,蒸汽养护显著提高了UHPC基体的早期抗压强度,抑制了后期强度的增长。对于含有MK的UHPC基体,需要适当的蒸汽养护制度来提高其强度和长期耐久性。Yingwu Zhou等 [78] 研究了再生细集料(RFA)粒径范围对UHPC纳米、微观和宏观结构特征和力学性能的影响,并指出添加0~1mm RFA的UHPC表现出最优的力学性能。

UHPC中普通硅酸盐水泥的掺量较高,而大量普通硅酸盐水泥的生产和使用将导致大量CO2的排放。近年来,绿色环保的建筑材料越来越受到广泛的关注。为了实现“绿色”UHPC,学者们已经开展了不少的研究。研究表明,用矿物掺合料,例如建筑废弃物、矿粉、玻璃粉、尾矿、废弃石粉等部分取代UHPC中的水泥可以降低能耗和废气排放。Dingqiang Fan等 [79] 将钢渣粉(SSP)掺入UHPC中。结果表明,添加SSP提高了UHPC的和易性。SSP含量的增加对UHPC的早期抗压强度不利,但不影响其后期强度。UHPC的抗氯离子渗透性能随着SSP的掺入而降低,但仍优于普通混凝土。Ye Shi等 [80] 在极低水泥掺量(不超过370kg/m3)的条件下,通过添加多尺度颗粒的纳米材料和化学活化剂,制备出了力学性能良好的绿色UHPC(GUHPC),如图2.3所示。Tanvir Ahmed等 [81] 将磨细粒化高炉矿渣(GGBS)部分替代水泥后发现,UHPC的28天抗压强度比不掺入GGBS的UHPC降低了16.1%,但仍然可以达到超高强度(>150MPa)。然而,Jin Ynag等 [82] 在UHPC中掺入超细GGBS后,UHPC的抗压强度得到了提高。J.N. Wang等 [83] 基于全循环利用的理念,提出了一种利用金尾矿设计低碳UHPC的方法,如图2.4所示。试验结果表明,全规模循环利用的思想可以保证UHPC具有较高的长期抗压强度、较低的氯离子快速迁移扩散(DRCM, diffusion of rapid chloride migration)和较低的浸出毒性。Zhi-hai He等 [84] 利用再生砖粉(RBP)部分替代硅灰(SF),减少了UHPC的自收缩,改善了其固体填充状态,提高了其体积稳定性。Shenchun Xu等 [85] 使用碱性活性铝硅酸盐材料开发了地聚合物基UHPC(G-UHPC),并通过流动性、压缩和弯曲试验,研究了水玻璃模数、粉煤灰、粒状高炉矿渣、Si/Al比、Ca/(Si+Al)比和钢纤维对G-UHPC流动性和力学性能的影响。Yirui Li等 [86] 采用废弃玄武岩粉(BP)替代水泥制备了UHPC。含废BP的UHPC具有更高的抗压强度和更低的环境影响。杨震樱等 [87] 研究了玻璃粉(GP)作为一种矿物掺合料对UHPC力学性能和微观结构的影响。研究结果表明:GP的掺入改善了UHPC的流动性,降低了UHPC的早期力学性能,但显著增强了后期力学性能。GP对UHPC具有良好的微集料填充效应和火山灰效应。

   

图2.3 UHPC和GUHPC水化前后的微观结构物理模型 [80]

Fig.2.3 Physical model of microstructure of UHPC and guhpc before and after hydration [80]

   

图2.4 传统法与全循环法设计含金尾矿UHPC的比较 [83]

Fig.2.4 Comparison of traditional method and full cycle method in designing UHPC of gold bearing tailings [83]


2.3.2 UHPC结构应用研究

当UHPC应用于桥梁结构中时可减小构件尺寸,降低桥梁自重,节约施工时间,提高桥梁结构的耐久性,减少后期维护成本。在桥梁结构中,UHPC主要应用于主梁结构、桥面结构、桥梁接缝。

(1)主梁结构

将UHPC代替传统混凝土作为桥梁主梁材料,可以降低桥梁自重,改善梁体开裂等性能。UHPC作为主梁材料时,主要分为两类,即全UHPC梁和UHPC-普通混凝土组合梁。张锐等 [88] 进行了四点加载试验来研究UHPC永久模板钢筋混凝土(RC)无腹筋组合梁的抗剪性能,并基于修正桁架模型理论,分析了UHPC永久模板RC无腹筋梁的抗剪承载力及其抗剪承载力构成,提出了抗剪承载力计算公式。雒敏等 [89] 研究了UHPC增强普通混凝土(NC)复合梁的抗弯承载力,并基于细观力学理论,在考虑了UHPC增强厚度、纤维率、纤维长度和抗压强度的影响下,提出了复合梁抗弯承载力计算式。李传习等 [90] 研究了钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率对配筋UHPC构件的抗扭性能影响,并得到了构件开裂扭矩系数值和极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。Adil M. Jabbar等 [91] 研究了玄武岩纤维对UHPC-T梁抗剪性能的影响。结果表明,掺入玄武岩纤维可以有效延缓试件的斜向开裂,当玄武岩纤维掺量为0.5%和1.0%时,其抗剪承载力的提高幅度大于掺量1.5%时,且高于同体积掺量的钢纤维试件。Jie Wei等 [92] 研究了混杂纤维对UHPC梁抗冲击性能的影响。结果表明,混杂纤维增强UHPC梁的抗冲击性能优于单纤维增强UHPC梁,中长混杂纤维的最大位移和残余位移比长纤维增强的最大位移和残余位移分别降低了16.08%和23.95%。Wei Feng等 [93] 基于修正的压缩场理论,建立了预应力UHPC梁在弯—剪联合作用下的抗剪承载力分析模型,并采用3根不同剪跨比的UHPC-T预应力梁进行剪切试验,验证了模型的正确性,同时拟合得到了UHPC梁抗剪承载力的简化预测公式。Philipp Preinstorfer等 [94] 研究了碳纤维筋和碳纤维布增强UHPC-T梁的抗剪性能。结果表明,碳纤维筋(布)可以有效提高UHPC-T梁结构的抗剪承载力。Eduardo J. Mezquida-Alcaraz等 [95] 探讨了拉伸刚化和收缩对配筋UHPC梁受弯性能的影响。

(2)桥面板

由于UHPC具有良好的抗渗性与抗腐蚀性,其亦被应用于桥面板构造。王皓磊等 [96] 通过静载试验,对钢-UHPC连续组合梁的挠度、应力分布、裂缝发生发展模式及承载能力进行了分析,并研究了其弯矩重分布性能,同时基于塑性理论提出了负弯矩区截面抗弯承载力计算方法。朱劲松等 [97] 研究钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能,考虑了华夫板的板肋高度比、纵筋配筋率以及采用抗拔不抗剪栓钉连接件对钢-UHPC华夫板组合梁的破坏模式、裂缝发展规律及承载能力的影响,并基于简化塑性理论,考虑将UHPC受拉区的拉应力分布等效为均匀应力分布,提出了负弯矩区钢-UHPC华夫板组合梁的极限抗弯承载力计算方法。王洋等 [98] 提出一种新型钢板条-UHPC组合桥面结构,进行了静力试验和疲劳试验,讨论了构件的破坏模式及裂缝的发展与分布,研究了构件在不同荷载幅作用下的刚度衰减、裂缝扩展、剩余强度,并提出了适用于该类构件的S-N曲线,如图2.5所示。Jing-Lin Xiao等 [99] 研究了剪力连接件的数量和类型对钢-UHPC组合板的力学特性影响,提出了一种综合考虑UHPC抗拉作用和截面中性轴位置的组合板抗弯承载力预测方法。Zhenyu Cheng等 [100] 对波纹钢桥-UHPC组合桥面进行了不同剪切跨度下的试验,研究了其抗弯性能,建立了桥面板承载能力的预测模型。Yong Liu等 [101] 提出了一种新型的钢-UHPC轻型组合桥面板,如图2.6所示。该桥面板可使传统正交异性钢桥面的疲劳应力降低80%以上。

   

图2.5 钢板条-UHPC组合桥面构件疲劳试验S-N曲线 [98]

Fig.2.5 S-N curve of fatigue test of steel strip UHPC composite bridge deck members [98]

   

图2.6 钢-UHPC轻型组合桥面板 [101]

Fig.2.6 Steel-UHPC light composite deck [101]

(3)接缝

装配式桥梁具有施工周期短、成本低等特点,但预制构件间的连接位置往往是其薄弱处。采用UHPC作为构件间的连接材料是一个很好的选择。王景全等 [102] 采用直剪试验,研究了UHPC键齿接缝受剪性能,比较了大键齿接缝与三键齿接缝受剪性能差异,分析了适当配筋对大键齿接缝受剪性能的影响,并对美国AASHTO中接缝抗剪强度计算方法进行修正,给出了适用于UHPC键齿干接缝的抗剪强度计算公式。冯峥等 [103] 研究了不同钢纤维特性以及配筋情况下UHPC湿接缝界面破坏特性、拉伸强度以及拉伸强度比等,构建了不同纤维参数下UHPC湿接缝界面拉伸应力-相对位移简化模型。霍文斌等 [104] 研究了配筋超高性能混凝土-普通混凝土(UHPC- NC)湿接缝界面的抗裂能力、抗弯性能和破坏模式,通过轴拉试验探讨了NC表面处理方式、NC湿润度、UHPC养护龄期和养护方法等对UHPC-NC界面抗裂性能的影响。Sun Qixin等 [105] 采用了三种UHPC作为桥梁的接缝材料,研究了不均匀沉降作用下的不同接缝类型和接缝材料的结构性能、承载能力和裂缝控制能力。Mohamed Abokifa等 [106][107] 将两种不同的UHPC应用于DBT梁(deck bulb tee girder)的接缝并进行了局部承压试验,结果表明两种UHPC接缝均能满足AASHTO LRFD规范要求。

近年来,国内外学者对UHPC的材料特性与结构性能的研究越来越多,UHPC在桥梁工程中的应用也不断增多。然而,UHPC的广泛应用仍存诸多障碍,如高昂的造价、基于施工现场的养护制度、复杂环境和荷载耦合下的结构服役性能等。UHPC的应用仍需投入较大的研发力量,以推动UHPC材料与结构向高质量、规模化应用方向发展。

3.桥梁高性能FRP筋材相关研究

纤维增强复合材料( fiber reinforced polymer, 简称FRP)筋作为一种新型高性能的复合材料,凭借其重量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳、可设计等优点受到土木工程界的广泛关注。

FRP筋粘结性能研究:张黎飞等 [108] 采用声发射(Acoustic Emission,简称AE)技术监测FRP筋与混凝土的黏结-滑移劣化过程,探究FRP筋和混凝土的黏结破坏机理。结果表明:AE 技术可以对FRP筋混凝土损伤过程进行量化,监测出损伤过程的不同阶段,准确揭示FRP筋材和混凝土界面黏结失效模式和破坏程度。周培龙等 [109] 进行了低温环境下FRP筋混凝土试件的拉拔试验,测得了FRP筋混凝土的粘结应力-滑移曲线在低温下的变化规律,并分析出在低温环境下FRP筋混凝土的粘结性能随温度的降低有明显增强的趋势,但增加FRP筋的直径和粘结长度,FRP筋与混凝土的粘结性能会随之减弱。刘艳等 [110] 开展了BFRP筋与纤维陶粒混凝土的黏结性能试验研究,通过中心拉拔试验,分析了不同混凝土强度、BFRP筋直径、锚固长度、温度及陶粒类别对于黏结性能的影响,提出了BFRP筋与纤维陶粒混凝土黏结强度计算公式。

FRP筋混凝土梁抗弯性能研究:王勃等 [111] 对4根GFRP筋海砂混凝土梁进行抗弯试验,分析了混凝土强度和GFRP筋配筋率对GFRP筋海砂混凝土梁的裂缝发展、开裂荷载和极限荷载的影响规律。王琨等 [112] 通过建立GFRP筋和钢筋混合配筋活性粉末混凝土梁的有限元数值模型,对GFRP筋和钢筋混合配筋活性粉末混凝土梁的抗弯性能进行了非线性分析,推导出GFRP筋和钢筋混合配筋活性粉末混凝土梁开裂弯矩和正截面抗弯承载力的计算式。杨洋等 [113] 对钢和纤维复合筋混杂增强混凝土(hybrid reinforced concrete,简称Hybrid-RC)梁的现有抗弯承载力计算公式进行了分析和改进,并在此基础上提出了一种新的针对Hybrid-RC梁抗弯承载能力的设计思路。王勃等 [114] 通过试验研究了强度等效配筋率和弹性模量等效配筋率对FRP筋-钢筋混合配筋梁的开裂荷载和抗弯承载力的影响,研究表明FRP-钢筋混合配筋梁的开裂荷载与强度等效配筋率、弹性模量等效配筋率均无关;FRP筋-钢筋混合配筋梁的极限承载力在强度等效配筋率保持不变,增大弹性模量等效配筋率情况下有显著提高,但在弹性模量等效配筋率保持不变,强度等效配筋率增大情况下,FRP筋-钢筋混合配筋梁的极限抗弯承载力变化不大。

FRP筋混凝土梁抗剪性能研究:吕家美等 [115] 通过GFRP筋海水海砂自密实混凝土梁抗剪性能试验,研究分析了剪跨比、混凝土基体类型对GFRP筋海水海砂自密实混凝土梁抗剪性能及承载力的影响规律。

FRP筋混凝土柱力学性能研究:袁方等 [116] 对FRP筋-钢筋增强ECC-混凝土构件进行了低周往复荷载试验,分析了基体材料、筋材种类、轴压比对构件破坏模态、裂缝模式、承载力、残余变形、延性和耗能能力的影响。研究表明使用ECC替代塑性铰区域混凝土能够有效避免FRP筋的受压屈曲,进而显著提升组合柱的抗震性能。陈爽等 [117] 基于试验数据和文献分析,提出了适用于CFRP筋珊瑚混凝土柱的理论计算公式,并建议CFRP筋名义屈服强度取值为0.34fy(fy为CFRP筋材的极限抗压强度)。

回顾2021年的FRP筋研究成果,可以看到目前学者对FRP筋开展了多方面的试验研究,特别是在GFRP筋海砂混凝土和FRP筋-钢筋混合配筋梁方面的研究,进一步完善了FRP筋的理论基础,丰富了FRP筋的应用实践。此外,建议对特殊环境或因素下的不同种类、不同表面形式的FRP 筋的粘结性能开展进一步的研究;对不同种类 FRP 筋混凝土构件或混合配筋构件在不同结构形式下受力性能、抗疲劳性能、抗震可靠性、设计方法等开展深层次研究。

4.结语与建议

根据笔者查阅的2021年混凝土桥及其高性能材料的相关研究,结合近年来相关领域的研究热点,现将上述研究进展总结、展望如下:

(1)在混凝土桥研究方面:综合以上混凝土桥的力学性能研究进展可以发现,通过试验方法对混凝土桥梁的受力行为进行研究已经日趋成熟,而如何采用有限元和离散元模拟方法实现对混凝土桥整体、局部力学性能与动力性能的高精度、低时间成本仿真分析是需要未来更好地解决的问题。同时建议在常规运营管理研究的基础上进一步探究多因素耦合作用下桥梁的运营维护方案。在混凝土桥剩余使用寿命预测与性能评估的研究方面,建议继续进行多因素耦合(如:钢筋锈蚀、水流冲刷、混凝土时变效应等)作用下混凝土桥剩余使用寿命的预测研究,并探寻更多有效预测方法以丰富各种情况下的寿命预测手段,满足实际需要。

(2)桥用高性能混凝土材料方面:就纤维混凝土的研究而言,目前大量关于纤维混凝土的研究文献多注重纤维混凝土如何影响工作性能,并未提出更好的解决方案,而这一问题最终将会影响其工程应用,因此值得继续关注;异形钢纤维依然是单掺纤维的主流研究对象,但混杂纤维的研究已经开始逐渐代替单掺形式成为纤维混凝土的主要研究点,并且不断向多尺度纤维增强与增韧方向发展;过去一年中关于纤维混凝土耐久性能的研究相对较少,且差异性较大,主要差异在于:纤维的引入会导致更多的缺陷,降低了混凝土耐久性与纤维的引入起到桥接和优化孔隙结构,提升混凝土耐久性之间的争议,因此,关于纤维混凝土耐久性研究还有很大的空间;目前关于纤维混凝土梁柱构件的应用均有研究,但还存在以下问题,如:研究量不足、研究中关于构件的尺寸效应的影响未得到充分体现、纤维配筋构件的设计计算公式有待进一步完善;纤维混凝土在桥梁结构中局部区域的应用和结构加固研究还有待于进一步关注和开展。

就GPC相关研究而言,GPC混凝土的抗压强度,抗弯强度均较OPC更为优越,但是GPC的弹性模量仅有OPC的一半左右,其脆性特征有待改进;通过粉煤灰的化学成分或者GPC的各组分比例关系,可以回归建立简便公式,以获得具有较好抗压强度的GPC配比;GPC的抗氯离子渗透和抗硫酸盐侵蚀性能较好;添加纳米TiO2或者适量的废弃花岗岩碎石可以进一步提高GPC的耐久性能;在常规环境下的GPC力学性能优化和GPC的标准化的配制方法的研究尚不充分,这严重限制了GPC的推广应用,因此弄清GPC的强度发展机理,提出科学的养护制度,建立健全完善的GPC制备方法迫在眉睫。

就UHPC的研究而言,国内外学者对UHPC的材料特性与结构性能的研究越来越多,UHPC在桥梁工程中的应用也不断增多。然而,UHPC的广泛应用仍存在诸多障碍,如高昂的造价、基于施工现场的养护制度、复杂环境和荷载耦合下的结构服役性能等;UHPC的应用仍需投入较大的研发力量,以推动UHPC材料与结构向高质量、规模化应用方向发展。

(3)在高性能筋材研究方面:目前学者对FRP筋开展了多方面的试验研究,进一步完善了FRP筋的理论基础,丰富了FRP筋的应用实践。建议对特殊环境或因素下的不同种类、不同表面形式的FRP 筋的粘结性能开展进一步的研究;对不同种类 FRP 筋混凝土构件或混合配筋构件在不同结构形式下受力性能、抗疲劳性能、抗震可靠性、设计方法等开展深层次研究。

综合而言,未来混凝土材料将沿着高性能(尤其是韧性)和绿色节能的方向发展。同时,具有裂缝自修复等特殊功能混凝土也会得到快速发展,因此建议土木工程,尤其是工程材料领域的学者应重点关注这些方向的发展,并结合工程应用展开研究,适时地将一些新材料技术引入工程建设领域。

团队人员介绍
   

赵人达 ,男,博士,教授,博士生导师。研究方向为桥梁结构行为、现代预应力混凝土结构理论、高使用性混凝土材料性能及结构应用、既有结构的可靠性与耐久性、结构非线性行为。完成科研项目60余项,发表论文300余篇;获省部级二等以上科技进步奖5项;国家级和省部级教学成果奖5项;参编教材5本。四川省学术技术带头人,铁道部有突出贡献的中青年专家,四川省教书育人名师。联系邮箱:rendazhao@swjtu.edu.cn。


   

占玉林 ,男,博士,教授,博士生导师,土木工程学院副院长。主要研究兴趣为混凝土及钢-混凝土组合结构桥梁、高性能复合材料等方面。四川省学术与技术带头人后备人选,西南交通大学“雏鹰学者”和“唐立新优秀教学教师奖”获得者。中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会理事、四川省科技青年联合会理事、四川省建筑业协会混凝土分会科学技术专业委员会副主任、美国ASCE会员。主持和主研包括国家自然科学基金在内的项目60余项,发表学术论文80余篇,获专利10余项,专著1部。曾获四川省教学改革成果奖、中国交通运输协会、住房和城乡建设部华夏建设科学技术奖等奖项。电子邮箱:yulinzhan@swjtu.edu.cn

   

徐腾飞 ,男,博士,副教授,博士生导师。美国混凝土学会(ACI)会员,美国土木工程学会(ASCE)会员。长期致力于高性能与可持续混凝土结构研究。主持国家自然科学基金2项(青年基金1项,面上课题1项),教育部博士点基金1项,四川省科研计划项目1项,中央高校创新计划与百人计划各1项,以及横向课题若干。发表期刊论文50余篇,其中包括以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文20余篇。个人主页:http://userweb.swjtu.edu.cn/Userweb/soar1120/index.htm。联系邮箱:tengfeixu@swjtu.edu.cn 。


   

李福海 ,男,博士,高级工程师,硕士生导师。主要研究方向为水泥基材料与混凝土科学;混凝土结构及材料耐久性;水泥基材料及其微观结构;地聚物混凝土、超韧性混凝土。目前发表学术论文60余篇,其中SCI/EI收录30余篇,授权国家专利12项,其中发明专利4项。先后主持主研的科研项目共12项,其中主研国家自然基金项目4项,主研铁道部项目3项,四川省科技攻关项目1项,贵州省重大科技专项计划项目1项,成都市科委课题1项。联系邮箱:lifuhai2007@swjtu.edu.cn。

   

文希 ,男,博士研究生。研究领域为结构抗震性能评估、结构性能化设计及优化方法。联系邮箱:cdbox1998@163.com

   

杨世玉 ,男,博士研究生。目前主要从事桥梁结构中地聚物混凝土的力学性能和时变变形规律研究,发表EI一篇。联系邮箱:shyyang@swjtu.edu.cn。

   

赵成功 ,男,博士研究生。研究领域为高性能纤维混凝土及其桥梁结构应用、桥梁检测与加固。主持并结题省部级等纵向科研项目2项,参与3项;发表学术论文18篇;授权发明专利13项,实用新型专利24项,软件著作2项;曾参与多座桥梁的设计、加固工作及多条线路桥梁的检测工作;担任《中国公路学报》等杂志的审稿人。联系邮箱:406689847@qq.com。

   

张建新 ,男,博士研究生。研究方向为高性能混凝土材料性能及结构应用。联系邮箱:309082508@qq.com。


   

王志远 ,男,硕士研究生。研究领域为混凝土桥梁抗震与损伤评估研究,重点为混凝土桥梁地震易损性分析。邮箱:1748696196@qq.com。


   

吴鑫睿 ,男,硕士研究生。研究领域为混凝土桥梁抗震研究及高性能混凝土材料,重点为混凝土桥梁地震易损性研究。邮箱:xinruiwu@my.swjtu.edu.cn。


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  • 森海北屿
    森海北屿 沙发

    具体案例拍照学习下

    2022-03-22 15:58:22

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  • 昕y终章
    昕y终章 板凳

    谢谢分享案例

    2022-03-22 15:30:22

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