预制预应力相邻箱梁桥UHPC剪力键的形状优化

Husam H. Hussein，S.M.ASCE1; Shad M. Sargand，M.ASCE2;和Eric P. Steinberg，P.E.，M.ASCE3

摘要：相邻箱梁桥是几种状态下短跨到中跨桥的流行选择，因为它们容易，快速建造，且具有成本效益。尽管纵梁剪力键填充了梁之间的水泥和横向张拉（TPT）连接，但确保桥梁的整体性能，但纵向剪力键的耐久性仍然与研究人员和工程师密切相关。超高性能混凝土（UHPC）已被用作桥梁构件之间连接的新型灌浆材料。然而，目前还没有关于相邻箱梁桥连接的UHPC剪力键配置设计的指导或规范。本研究的目的是使用直接剪切，弯曲和直接拉伸试验的实验结果和有限元（FE）建模来优化UHPC剪切键配置。这些模型通过作者以前发表的实验室实验结果进行校准和验证。这些模型连同不同的剪力键配置被用于研究通过先前建议的连接的载荷传递。根据最大载荷能力比较模拟的剪力键后，优化的剪力键形状（OPT型）被设计为在经济和强度效应之间获得期望的平衡。结果表明剪切关键配置对接头强度的贡献，并且表明OPT型剪切键显着增加了载荷转移，从而提高了可用性。因此，在桥梁中使用OPT型剪力键可减少所需的横向抗剪钢筋数量，从而改善桥梁的可施工性，并降低材料和施工成本。 DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0001220copy;2018年美国土木工程师学会。

作者关键词：超高性能混凝土（UHPC）;高强度混凝土（HSC）;界面性质;桥梁连接;有限元法; ABAQUS;形状优化。

介绍

相邻的箱梁桥是几种状态下短跨度到中跨跨度桥的流行选择，因为它们制作简单快捷，具有较低的剖面深度，设计简单并且具有成本效益（Russell 2009; Aktan 2005; Lall 1998; Miller; El-Remaily）。这种类型的桥梁通常是通过将箱梁并排放置并覆盖沥青或混凝土甲板覆盖层来建造的。纵向剪力键填充梁和横向后张（TPT）连接之间的灌浆，可在梁之间传递载荷。尽管该系统确保了桥梁的整体性能，但纵向剪力键的耐久性仍然与研究人员和工程师有关。根据Russell（2009）对状态DOT进行的一项调查，相邻箱梁桥中75％的遇险情况是沿着灌浆剪力键纵向开裂，箱梁和剪力键之间的界面松脱。除剪切键开裂外，超过65％的相邻箱梁桥梁在其中表现出反射裂缝

1Ph.D.候选人，俄亥俄大学土木工程系，雅典，Stocker中心，俄亥俄州45701（通讯作者）。 ORCID：https：//orcid.org

/ 0000-0002-4657-2499。电子邮箱：husam.hussein@outlook.com; hh236310 @ ohio.edu

2Russ教授，俄亥俄大学土木工程系Stocker

中心，雅典，俄亥俄州45701。电子邮件：sargand@ohio.edu

3俄亥俄大学土木工程系教授，斯托克中心，雅典，俄亥俄州45701。电子邮件：steinber@ohio.edu

注意。本手稿于2017年5月22日提交; 2017年10月23日批准; 2018年1月30日在线发布。讨论期至2018年6月30日;必须为单个文件提交单独的讨论。本文是桥梁工程杂志的一部分，copy;ASCE，ISSN 1084-0702。

混凝土甲板覆盖。这些裂缝使施加在表面上的腐蚀剂渗入并使梁的侧面饱和，从而加速梁的劣化并影响整体桥的行为。改善相邻箱梁桥的灌浆材料性能将提高剪力键强度和耐久性，并最终延长相邻箱梁桥的使用寿命。

在过去的几年里，联邦公路管理局（FHWA）采用超高性能混凝土（UHPC）作为桥梁构件之间连接的新型灌浆材料。 UHPC已经受到工程师和研究人员的关注，将被用于改善公路桥梁性能的各种应用中。与普通灌浆不同，UHPC具有卓越的性能，如增加强度，长期稳定性和卓越的耐用性。 UHPC通常由波特兰水泥，石英粉，细砂，加速混合物，高浓度水减水剂和其他添加剂组成（Graybeal 2006）。所有这些组分都与2％（按体积）钢纤维混合在一起。得到的材料可以表现出120-200MPa的抗压强度，6-10MPa的拉伸强度，40-70GPa的弹性模量，低的长期蠕变和收缩率，高的拉伸韧性和降低的渗透性，与传统混凝土（Graybeal 2006,2014）。此外，与普通灌浆材料（Hussein）相比，该材料对于不同类型的表面粗糙度表现出增加的粘合强度。已经使用UHPC作为灌浆材料建造了几座公路桥梁，并且可以在文献（Russell; Graybeal）中找到这些桥梁的摘要。

过去的研究调查了三个主要参数 - 灌浆材料，不同水平的TPT应力和剪力键配置，目的是提高相邻箱梁桥的抗剪性能。典型剪切键的性能已经通过粘结强度，极限强度容量，

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（Gulyas等，1995; Gulyas和Champa，1997; Issa等，2003; Porter等，2012）中测量的失效模式和失效模式。相比之下，一些研究通过典型的剪力键配置以及TPT连接，通过测试全尺寸桥梁或部分桥梁结构来研究相邻箱梁之间的荷载传递机制（El-Remaily et al。1996 ; Grace等2013; Hussein等2017a; Miller等1999; Yuan和Graybeal 2016）。然而，这些研究仅提供了关于剪力键的失效模式和施加载荷期间所经受的应变的有限信息。

已经进行了一些研究来研究UHPC在桥梁上部结构中的接头性能。格雷斯等人。 （2013）在相邻的混凝土甲板灯泡T梁中使用了UHPC接头，以增强桁架之间的荷载传递机制。作者没有提供他们的UHPC剪切键设计的任何细节，或者表明他们正在遵循任何规范。在安大略西北部，自2008年以来，已有42座相邻的箱梁桥采用UHPC剪力键和抗剪钢筋建造（Rahman和McQuaker2016）。 UHPC剪切键配置是一个深度为200 mm，宽度为160 mm的透明形状。然而，这种联合设计是基于过去几年的现场经验迭代，并没有遵循剪切键的设计规范。

最近，FHWA开发了一种新的UHPC剪力键设计，带有横向抗剪钢筋将相邻的箱梁连接在一起（Graybeal 2014）。 UHPC和横向抗剪钢筋的组合提供了一个更好的负载转移机制，而无需使用TPT连接。然而，研究人员没有提供关于剪切键配置的细节。 Yuan和Graybeal（2016）进行了一次全面的实验室测试，以研究UHPC接头的性能以及两个相邻箱式加筋机中的横向抗剪钢筋。超过100万个结构负载循环和10个热负载循环被分别应用于模拟交通和环境条件。结果显示，填充UHPC灌浆材料的连接抗拉强度超过了混凝土箱梁的抗拉强度。在侯赛因等人的另一项研究中。 （2017b），将FHWA开发的UHPC剪切键进行直接剪切，弯曲和直接拉伸试验，并对剪切钢筋进行直接剪切试验。直剪剪力作用下无剪切配筋的UHPC剪力键比任何灌浆材料和任何剪力键配置在没有或没有施加任何TPT力的情况下的先前研究结果表现出更高的承载能力。此外，在UHPC中嵌入127毫米的剪切加固条和在高强度混凝土（HSC）材料中嵌入457毫米的剪切增强条使最大剪切能力增加了81％。

因此，在剪力键连接处使用UHPC作为灌浆材料可以提高相邻箱梁桥上部结构的整体性能。然而，目前还没有关于相邻箱梁桥连接的UHPC剪力键配置设计的指导或规范。 FHWA没有提供关于UHPC剪切键设计配置的任何细节（Graybeal 2014）。大多数剪切键配置设计不遵循任何代码或特定的设计标准（Russell 2009,2011）。为了设计联合配置，通过UHPC剪切键来了解混凝土构件之间的荷载传递机制至关重要。

目标

这项研究的目的是使用实验结果和有限元（FE）建模的直接剪切，弯曲和直接张力

试验来优化预制预应力相邻箱梁桥的UHPC剪力键配置。这些模型经过以前的研究（Hussein et al。2017b）作者的实验室实验结果进行了校准和验证。这些模型以及不同的剪力键配置被用来通过先前建议的连接调查荷载传递。使用FEM的结果来优化新的剪切键形状，以下称为OPT型剪切键，以增强相邻混凝土构件之间的极限强度。

有限元模型

开发了三种不同的UHPC剪切键的三维有限元模型（FEM），以研究直剪，弯曲和直接拉伸模式下的荷载传递机制;这些模型使用Hussein等人之前研究的实验数据进行校准和验证。 （2017b）。使用相同的模型以及过去研究和设计标准中的不同剪力键配置来研究剪力键配置对荷载传递机制的影响。最后，对UHPC剪切键的形状进行了优化，以增强载荷传递机制并提高其极限强度能力。

实验计划

直接剪切试验，弯曲试验和直接拉伸试验均基于Hussein等人所使用和描述的负荷试验配置。 （2017b）。图1（a）显示了用于所有试件的剪切键形状;它由FHWA Turner Fairbank高速公路研究中心（TFHRC）设计（Graybeal 2014; Yuan和Graybeal 2016）。如图1（Hussein et）所示，通过将两个HSC部件与UHPC剪切键连接来构建测试样本。 UHPC浆（Ductal JS1000品牌UHPC，拉法基北美，芝加哥）的平均抗压强度为158.56 8 MPa。对于HSC材料，压缩[ASTM C39 / C39M（ASTM 2014）]，外观[ASTM C78 / C78M（ASTM

2010）]，并且在测试时劈裂拉伸[ASTM C496 / C496M（ASTM 2004）]强度分别为75,5.3和4.8MPa。所有剪切键表面均采用暴露骨料的粗糙表面。此外，AASHTO（2012）LRFD第5.14.1.3.2节以及Graybeal（2014）和Hussein等人对UHPC接头的接头推荐使用粗糙表面。 （2016）。

在直剪试验中，三个样品[图。 1（b）进行试验以获得UHPC接头的最大抗剪承载力，试件的深度为127 mm（Hussein），在顶部和底部混凝土部件周围安装了一个特殊的钢框架，以防止试件边缘或任何侧向破坏，如图1（b）所示，载荷和挠度记录直到试样失效，除了载荷 - 挠度数据外，还有两组应变片安装在UHPC剪切键和HSC表面45 （如图1（c和d）所示），按照ASTM C78 / C78M（ASTM），使用图1（e）所示的装置测量应力，通过剪力键测量加载过程中的应变流量。为了模拟相邻箱梁的厚度和强度，在试样的底面使用了两片碳纤维增强聚合物（CFRP），并且聚合物片在剪切键区对负载进行了集中，并且确保在剪切键或在UHPC和HSC组件之间的接口。记录载荷和偏差直至试样失效。图1（g和h）显示了直接拉伸测试的测试设置。为了施加纯粹的直接拉伸载荷，将直径为12.7mm的两根钢筋锚固到76mm的顶端和底端

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施加负载

HSC

UHPC

HSC

203

CFRP板

203

25

施加负载

HSC

660 UHPC

HSC

203

12.7

钢

50

32

57

178

HSC

260

应变计

50

38

12.7

UHPC

76 100 76

12 76

38

458

127

50

25

50

HSC

所有尺寸以mm为单位

85

385

称重传感器

（一个）

（b）中

（C）

（d）

（E）（F）（G）（H） (f) (g) (h)

图1.（a）剪切键的尺寸; （b）直接剪切试样; （c）应变仪位置; （d）直接剪切试验装置; （e）流行测试细节; （f）听觉测试设置; （g）直接拉力测试细节; （h）直接张力测试设置

660

混凝土试件的HSC部件，并连接到试验机的上部和下部十字头上。记录载荷和偏差直至发生故障。关于这些测试的更详细的信息可以在Hussein等人的文章中找到。 （2017b）。

有限元建模

在这项研究中，所有有限元分析都是使用商业软件包Abaqus完成的。代表直剪试验的第一个有限元模型使用实验测试数据进行校准和验证，以研究UHPC FHWA剪切关键性能。直剪试验的有限元法由五个部件组成：UHPC剪切键，两个HSC部件，两个钢框架，支撑和加载缸，如图1和图2所示。 2（a）边界条件施加在钢筒底部以限制其垂直和水平运动，并将负载施加到顶筒上，如图2（a）所示为了捕捉直接剪切试样与试件两侧的钢框架，钢框架在FE程序中建模，如图2（c）所示，摩擦系数为1.0和硬接触用于模拟切向和在钢框架和HSC构件之间的界面处的正常行为有限元分析结果如图2（e和f）所示，试验的有限元分为三个部分：两个HSC部分，UHPC剪切键和两个CFRP板。 ）由于Hussein等（2017b）报道CFRP和HSC组分之间的结合在破坏发生后保持完整，CFRP和HSC组分之间的界面是完全

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