《Results in Engineering》：Static Performance of a Novel Precast UHPC Corrugated Bridge Arch Under Asymmetric Loading: Experimental and Numerical Study
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**摘要翻译**
为满足在生态敏感的野生动物保护区内建设可持续、简洁且能与自然环境和谐相融的桥梁需求，本研究提出了一种新型的预制波纹超高性能混凝土（CUC）拱桥。该结构结合了波纹截面和UHPC材料的优势，实现了强大的跨越能力、适应性强的地基、高耐腐蚀性、低
**摘要翻译**
为满足在生态敏感的野生动物保护区内建设可持续、简洁且能与自然环境和谐相融的桥梁需求，本研究提出了一种新型的预制波纹超高性能混凝土（CUC）拱桥。该结构结合了波纹截面和UHPC材料的优势，实现了强大的跨越能力、适应性强的地基、高耐腐蚀性、低维护需求以及最小的生态扰动。研究人员开发了一种创新的模具以简化CUC拱的施工。利用该模具制作了一个CUC拱，并对其进行了四分之一跨集中荷载试验，以评估其结构性能，并与尺寸相同的传统钢筋混凝土（CRC）拱进行了对比。评估的关键性能指标包括破坏模式、承载能力和力学性能。结果表明，在非对称荷载下，CUC拱表现为延性的四铰破坏模式，其承载能力和刚度显著提高，且材料用量少于CRC拱。研究人员还进行了有限元分析，探讨了波长、波高、板厚和纵向钢筋直径等关键设计参数对极限承载能力的影响。本研究为优化CUC拱设计并促进其在工程实践中的广泛应用提供了有价值的见解。
**论文解读文章**
桥梁是交通基础设施的关键组成部分，加速桥梁施工（ABC）技术因其在缩短工期、减少环境影响和提升施工质量方面的优势而在全球范围内得到广泛应用。在生态脆弱的野生动物保护区等区域，将施工活动的环境影响降至最低至关重要。在中国的大型野生动物保护区，独特的生态系统和生物多样性对高效且环保的施工方法提出了更高需求。在ABC应用范畴内，拱桥因其优美的曲线能与自然环境和谐相融，常被用于建造中小跨径的桥梁和涵洞。其中，波纹钢板（CSP）拱桥因其施工迅速、对生态扰动小、能适应多样地基条件和温度变化等优点，在高海拔保护区得到常用。然而，这类拱桥在车辆交替荷载下易发生螺栓疲劳破坏和钢材腐蚀，增加了自然保护区内的维护需求。此外，CSP拱桥的刚度和稳定性低于传统钢筋混凝土（CRC）拱桥，通常将其跨径能力限制在5-10米。为解决这些问题，研究人员提出了多种结构改进方案，如添加水平镀锌扁钢条、在双层波纹板间填充混凝土形成三明治结构、通过剪力键将波纹钢与喷射混凝土整合、添加钢筋混凝土或钢-混凝土复合保护层、安装混凝土加劲肋以及在波纹钢表面应用工程水泥基复合材料涂层等。尽管这些方案提升了CSP拱桥性能，但在高荷载下的界面粘结问题和钢材腐蚀问题依然存在。对于高海拔地区的公路桥梁，需要一种能集成高跨越和承载能力、适应温度变化与变形、施工便捷、与自然环境和谐、生态影响小且维护少的结构解决方案。为此，研究人员对桥梁研究的最新进展进行了回顾。多种纤维增强水泥基材料，如应变硬化水泥基复合材料（SHCC）和工程水泥基复合材料（ECC），已被开发以增强延性。虽然这些材料表现出优异的拉伸应变能力，但超高性能混凝土（UHPC）则以其超高的抗压强度和应变硬化行为的组合而著称。近期研究尤其强调了UHPC在拱桥建设、修复和加固中的应用，证实了其在拱桥中优于传统材料的性能。为应对上述需求，本研究首次提出了一种结合波纹拱截面形状与UHPC先进材料特性的预制CUC拱，并系统验证了其在非对称荷载下的性能。该研究通过实验证实了CUC拱相较于CRC拱在承载能力上的显著提升，并揭示了该拱结构在非对称荷载下的破坏机制。同时，通过有限元模拟研究了采用普通混凝土的波纹（CNC）拱在相同荷载下的响应，进一步证实了应用UHPC材料的同时采用波纹截面的重要性。本研究不仅揭示了结构的破坏现象，也为这类结构的现浇或预制形式提供了见解和设计指导，并为该项目的第二阶段预制装配施工奠定了基础。论文发表于《Results in Engineering》。
研究人员为开展本研究，主要采用了以下几个关键的技术方法：首先，针对复杂的薄壁波纹截面，设计并应用了一种基于“拆卸-重组”理念的创新PVC模具系统，用于制作CUC拱试件。其次，对CUC拱和CRC拱原型按1:8比例进行了缩尺模型设计，并严格遵循等效配筋率原则以确保力学相似性，制备了自密实UHPC和C40混凝土材料。第三，开展了非对称（四分之一跨集中）荷载下的结构静力性能试验，通过布置应变片、位移计和荷载传感器，系统测量了试件的裂缝发展、荷载-位移响应、典型截面挠度和钢筋及混凝土应变。最后，利用有限元软件ABAQUS建立了两种拱的精细化数值模型，采用了混凝土塑性损伤（CDP）模型模拟材料非线性，验证模型后进一步开展了波纹截面关键几何参数（波长、波高、板厚）及纵向钢筋直径的参数化分析。研究涉及的材料性能测试样本均与拱试件在相同条件下养护。
研究结果如下：
**破坏模式与裂缝发展**：试验和有限元分析均显示，CUC拱和CRC拱在非对称集中荷载下均表现出相似的四铰破坏模式，塑性铰依次出现在加载点、加载点对称位置以及两个拱脚。CUC拱得益于UHPC中钢纤维的桥接作用，在无箍筋的情况下仍保持了较高的结构完整性，其裂缝出现荷载（309 kN）是CRC拱（34 kN）的约9.09倍，且破坏时的最大裂缝宽度（2.4 mm）小于CRC拱（3.0 mm），表明其抗裂性能显著优于CRC拱。
**承载能力与刚度**：CUC拱表现出显著的承载能力优势。其极限承载力达到539.23 kN，是CRC拱（160 kN）的216%；而其在极限荷载下的位移（12.34 mm）比CRC拱（16.17 mm）小24%。在相同荷载水平下（如100 kN），CUC拱的变形远小于CRC拱，证明其具有更高的刚度和更好的变形控制能力。尽管CUC拱的材料成本较高，但其单位成本的承载效率（1.24 kN/RMB）是CRC拱（0.65 kN/RMB）的1.9倍。
**截面与材料效率对比**：CUC拱的截面面积和自重仅为CRC拱的69%和74%，但承载能力大幅提升。进一步的有限元模拟揭示，若采用普通混凝土制作波纹拱（CNC拱），虽能减少材料并提高承载力至CRC拱的2.36倍，但因缺乏箍筋约束，其延性严重不足，荷载达到峰值后急剧下降。而CUC拱中的UHPC材料，凭借其超高强度和钢纤维的增韧作用，在无需箍筋的情况下有效延迟了裂缝产生与扩展，确保了结构所需的延性。这证明了在复杂薄壁截面混凝土结构中，使用UHPC替代普通混凝土是保证性能的有效策略。
**关键参数影响**：有限元参数分析表明，波高对拱截面惯性矩的影响最为显著，是提升极限承载能力最具性价比的参数。减小波长也能提升承载能力，但需兼顾施工可行性（建议不低于150 mm）。增加板厚能明显提升承载力，但材料用量也大幅增加，性价比降低。纵向钢筋直径的变化对承载力的影响较小，表明其在CUC拱中主要起构造作用而非主要承重构件。
讨论部分总结如下：本研究成功提出并验证了一种适用于生态敏感区域的新型预制CUC拱桥结构。通过试验与数值模拟相结合，明确了该结构在非对称荷载下的四铰破坏机制，量化了其相对于传统CRC拱在承载力、刚度、材料效率和抗裂性能上的巨大优势。研究证实，将UHPC的材料性能与波纹截面的几何优势相结合，是解决传统CSP拱桥腐蚀与跨径限制问题的有效途径，尤其对于难以布置箍筋的复杂薄壁混凝土结构，UHPC是确保其延性的关键材料。参数化分析为CUC拱的优化设计提供了直接指导。本研究作为该项目的第一阶段，成果为后续开展预制分段装配施工技术研究奠定了理论基础，也为工程中现浇或预制形式的CUC拱桥设计提供了科学依据和参考。未来可进一步探索将UHPC波纹板与上下钢板结合形成三明治结构的方案，以进一步提升其跨越能力和延性。
