鋼—UHPC組合防撞新裝置研究

何京

摘 要：超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete，UHPC）是一種近年興起的，具有超高強度、超高延性和韌性、高耐久性和體積穩定性良好的水泥基復合材料。由于UHPC具有優異的力學特性（如抗壓強度約150 MPa，抗拉強度近 30 MPa和良好的延性等），在結構抗沖擊領域備受學者們的青睞。且UHPC板具有相當好的抗沖擊性能，相對于普通混凝土板爆炸損傷及殘余位移都顯著地減小。盡管鮮有研究將UHPC運用于防撞領域，但目前UHPC在抗爆中表現出來的優異性能說明了將其用于防撞結構中具有巨大的潛力和前景，尤其是將其作為防船撞結構面板能夠充分體現UHPC的抗沖擊性能，同時也能顯著提高面板的局部剛度。

關鍵詞：鋼-UHPC 輕型組合橋面結構；有限元分析；落錘沖擊機

中圖分類號：U443 文獻標志碼：A

0 引言

橋梁防船撞裝置研究現狀及動態分析：1980年美國陽光大橋發生第一次船撞事件，由此展開了對橋梁防撞措施的研究。目前應用較廣泛的措施有：鋼套箱、樁承防撞結構、重力式防撞墩以及人工島。考慮適用性及經濟性，在我國近年建設的橋梁工程（如蘇通大橋、金塘大橋）中也主要采用了鋼套箱形式的防撞措施。其中，在湛江海灣大橋建設過程中，學者們研制了一種由外浮箱、鋼絲繩防撞圈和內浮箱組成的防撞結構，船撞下防撞圈吸收一部分能量，同時將船頭往外推移，改變撞擊角度，減小船撞力，是一項很具創意的防撞措施。但是由于采用薄鋼板作為面板，抗沖擊性能有限，結構整體耗能效率低，且與易燃船舶碰撞時，鋼-鋼接觸可能造成火災或爆炸。現有改進的防撞措施雖能夠克服上述的部分不足，但他們尚不能彌補上述所有的不足，尤其是面板薄弱問題。在此背景下，研究一種新的性能優越的防撞裝置來替代傳統的防撞鋼套箱顯得非常必要。

1 橋梁防船撞概念設計的必要性

（1）國外內橋梁船撞事故頻發。

（2）我國船—橋矛盾將日益突出。

（3）通航水域中橋墩（而不僅是航道邊的橋墩）都應該進行合理的船撞設計。

（4）應采用主/被動防撞措施。

（5）船舶趨大型化、快速化和高密度化。

2008年長江干線貨運量突破12億t，是1978年的29倍，是美國密西西比河的2倍、歐洲萊茵河的3倍，是全球內河貨運量最大的河流。

2 鋼-UHPC 輕型組合結構的設計

2.1 鋼-UHPC 輕型組合橋面結構引入

某大橋為連續三跨鋼—混凝土混合梁，橋跨布置為 60 m

+128 m+60 m。該橋鋼—混結合段是將跨中鋼—UHPC 輕型 組合橋面中的 UHPC 層連續拓展，超過鋼—混結合段，并伸入混凝土箱梁中的部分的新型結合段形式，如圖1所示。

結合段內，控制結合段應力，通過布置大量預應力束，避免混凝土開裂。在混凝土梁內錨固預應力束一端， 承壓板上及鋼梁橫隔板上錨固另一端在后。

2.2 鋼—UHPC組合防撞新裝置有限元模型

根據有限元理論完成建模及數據分析：采用SolidWorks完成波紋鋼管、UHPC面板的初步建模，并加工出波紋鋼管構件和UHPC面板構件，最后依據有限元理論進行分析，明確了影響防撞結構性能的主要因素。

2.3 有限元結果

提出了鋼-UHPC 輕型組合梁無橫向表面受拉接縫方案及單向受彎鋼-UHPC輕型組合梁接縫方案。

2.4 鋼—UHPC組合防撞裝置落錘實驗

2.4.1 實驗目的和內容

建立基于落錘試驗機系統開展船-防撞結構-橋梁碰撞試驗的方法，為今后開展同類試驗提供參考；制作鋼-UHPC 輕型組合梁無橫向表面受拉接縫方案及單向受彎鋼-UHPC輕型組合梁接縫方案。

2.4.2 實驗概況

落錘沖擊機如圖2所示。它有一個高3.5 m框架安裝在鋼筋混凝土上。尺寸為1.5 m×1.5 m和高0.9 m。框架是用37 mm螺栓剛性固定在底座頂部。重量為3.38 kN的錘子安裝在起重機上后，會在立柱上上下滑動。錘子的內部裝有氣動剎車裝置，它可以“抓住”垂直的柱子。如果采用這種方法，葫蘆可以從錘子上拆下來。當松開制動器時，錘子自由地落在2個支撐砧上的梁試件上，如圖2所示。

在圖2中，引人注目的錘（稱為“公羊”），錘子可以上升到離樣品2.4 m的高度。通過在不同高度下擊錘，施加的應力速率可能是不同的。

3 結論

通過建立混合連續梁橋的多尺度有限元模型，鋼-混凝土接縫在各施工階段的應力進行分析，得到以下結論：

（1）鋼-混凝土接縫通常裝有焊接的剪力螺栓。由于焊接的存在，結構中會產生應力集中。鋼的韌性和延展性降低以及結構的疲勞耐久性也會降低。

（2）通過推拉試驗，對無機械剪切接頭的超高性能混凝土（UHPC）與鋼的抗剪結合強度進行了評價。鋼和混凝土之間的連接是由2組分環氧樹脂獲得的。用光滑的膠黏劑層與環氧樹脂層的試樣進行比較，在該研究中，我們比較了用河礫、碎石和鋼砂制備的試樣，并使用了2種不同的環氧樹脂。在試驗過程中，記錄了鋼與混凝土的極限剪力和滑移。所有的試驗樣品都顯示混凝土黏結或混凝土失效。

（3）此外，試驗結果表明，使用更流體的環氧樹脂可以改善黏結層中砂礫的錨固性能，從而產生更高的剪切黏結應力。用河流砂礫或碎石磨碎的試樣間無顯著差異。在水平方向上用帶齒葉片的膠層稍微改善了黏結性能。最后，沒有砂礫的光滑環氧樹脂層的試驗構件的試驗結果為斷裂力學方法提供了試驗數據。

參考文獻

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