钢-混凝土组合梁抗剪连接件设计研究

本文介绍了钢-混凝土组合梁抗剪连接件的形式,列出了各类抗剪连接件的承载力计算方法,阐述了抗剪连接件的弹性设计法和塑性设计法,对钢-混凝土组合梁抗剪连接件的设计具有一定的指导意义。     

考虑组合作用的钢-混凝土组合梁抗剪承载力

针对当前规范和各学者有关钢-混凝土组合梁抗剪承载力公式都未考虑钢梁翼缘抗剪贡献导致计算结果误差较大的现状,笔者采用合理的材料本构关系,通过ABAQUS有限元软件建立考虑栓钉受力特征的组合梁足尺有限元模型进行抗剪性能研究。在验证现有试验结果的基础上通过参数分析,确定了组合梁界限剪跨比,揭示了剪切荷载作用下组合梁栓钉内力重分布规律,以及钢梁与混凝土翼板组合作用规律与抗剪荷载分担比例。基于叠加原理提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗剪贡献的工字钢-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。对比结果显示该文提出的抗剪承载力计算公式的精度比GB 50017?2017建议公式以及其他学者建议公式的精度高。     

波形钢腹板组合箱梁带栓钉埋入式抗剪连接件承载力推出试验及有限元模拟分析研究

针对一座波形钢腹板组合箱梁部分斜拉桥的受力需求,设计了带栓钉埋入式抗剪连接件。为研究其抗剪承载力,设计并开展了推出试验并进行了试验全过程的有限元模拟,对试验过程中试件的破坏及受力机理进行分析;随后根据该类型连接件的承载机理及受力特点,建立了承载力的近似计算方法。结果发现:对于该带栓钉埋入式抗剪连接件,当栓钉焊接在连接件波形板的直板外侧时,其承载力高于在内侧焊接的情形;当开孔位置位于直板、上折板与下折板时,其承载力依次降低;连接件波形板的上折板荷载-位移曲线存在明显的强化阶段,而下折板几乎不存在强化阶段,直板处荷载-位移曲线特征介于二者之间;另外,该类连接件混凝土开裂及主裂缝均在荷载水平达到0.8倍极限承载力以后形成发展的。所建立的推出试验全过程有限元模拟方法能够准确模拟试验过程中试件的受力行为,并能够诠释栓钉焊接位置、开孔位置对抗剪承载力的影响以及试件破坏机理;基于推出试验与有限元模拟分析,分析可得该类连接件承载力主要由波形板包裹的混凝土与约束钢筋所形成的块连接件、开孔内混凝土剪力销以及栓钉提供,随之建立的抗剪承载力近似计算方法分析结果与试验结果相对误差不超过8.93%,与有限元模拟结果相对误差不超过5.47%,具有良好的适用性。     

新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究

为研究新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁的受弯性能,以预应力、抗剪连接件数量和混凝土翼缘板有效宽度为参数,进行4根试件的受弯试验,结果表明:波纹钢能较好地与混凝土协同工作,有效加强钢-混界面,避免纵向滑移破坏的发生,但是波纹钢轴向刚度较小,几乎没有抗弯贡献;预应力和混凝土翼缘板对组合梁的抗弯贡献较大;抗剪连接件数量不足时组合梁发生纵向水平剪切破坏。在试验基础上进行有限元模型模拟计算,发现新型组合梁能充分发挥各组成部分间的组合作用,提高试件的抗弯承载力与延性;相比于直钢板组合梁,波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力;随着混凝土强度提高,承载力略有提升;下翼缘钢板厚度增加,承载力显著提高,对刚度影响不大;刚度、承载力随预应力度提高而提高,但是延性变差。最后,建立了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯承载力计算公式。     

腹板开洞钢-混凝土组合梁抗剪承载力试验研究

为研究腹板开洞组合梁在静载作用下的竖向抗剪性能,共进行了5根腹板开洞组合梁和1根对比组合梁在集中荷载作用下的实验。试件均为完全剪力连接,主要变化参数为混凝土板厚和配筋率。加载方式为单调静力加载,实验测量内容为竖向荷载、挠度、滑移、截面应变等。试验结果表明:腹板开洞显著地降低了组合梁的刚度和承载力,洞口区域截面纵向应变不再满足平截面假定。增加混凝土板厚能有效地提高组合梁的承载力,增加混凝土板的配筋率能有效地提高组合梁的变形能力。洞口上方混凝土翼板承担了大部分剪力,混凝土翼板对腹板开洞组合梁的竖向抗剪承载力有较大的贡献。研究为腹板开洞组合梁的应用提供了实验依据。     

高延性混凝土无腹筋梁受剪性能试验研究

提出采用高延性混凝土改善梁的抗剪性能和变形能力,设计了8个高延性混凝土梁和3个作为对比试件的混凝土梁,并通过静力试验研究不同剪跨比和配筋率高延性混凝土无腹筋梁的破坏形态和破坏机理。高延性混凝土无腹筋梁的剪切破坏形态有挤压破坏、剪压破坏、弯剪破坏和剪拉破坏。试验结果表明:高延性混凝土梁的剪切破坏均表现出一定的延性,与普通混凝土梁的脆性剪切破坏具有明显不同;高延性混凝土梁的剪切裂缝开展缓慢,说明高延性混凝土良好的拉伸应变硬化和多裂缝开展特性能够有效控制剪切裂缝的发展,防止混凝土压碎剥落,显著提高梁的抗剪性能和耐损伤能力;相比普通混凝土无腹筋梁,高延性混凝土无腹筋梁的受剪承载力和变形能力均有明显提高,表明采用高延性混凝土可以显著改善无腹筋梁的脆性剪切破坏模式;剪跨比和纵筋配筋率对高延性混凝土梁的剪切破坏形态和承载力影响较大,其受剪承载力随剪跨比的增大而降低,随配筋率的增大而有所提高。     

钢-混凝土组合梁抗剪研究中的塑性分析方法

为了研究钢－混凝土组合梁正弯矩区的组合抗剪性能，本文对16根密实截面钢－混凝土组合梁的组合抗剪性能进行了试验研究。在试验研究中，为了分离组合梁各抗剪部分承担的剪力，需要计算钢梁腹板所承担的剪力。本文介绍一个钢梁腹板在塑性流动阶段的剪应力计算方法，并且该方法还能判断钢材是否进入强化阶段。为了验证这一方法的正确性，作者还进行了2个纯钢梁试件的抗剪试验，试验结果与计算值吻合良好。     

小剪跨比钢板-混凝土组合板抗剪性能的试验研究

通过2块小剪跨比钢板-混凝土组合板试件在集中力作用下抗剪性能试验,对组合板抗剪性能进行了初步分析。试验中主要变化了钢板厚度,得到组合板的极限承载力、变形、受剪破坏形态以及裂缝的发展情况。试验结果表明:小剪跨比钢板-混凝土组合板试件中混凝土最终破坏以斜压破坏为主;通过栓钉的连接,钢板和混凝土协同工作性能良好;截面应变分布基本符合平截面假定。钢板通过栓钉与混凝土的组合效应,显著提高了混凝土的抗剪能力,同时也改善了构件整体延性,该试验的组合板中钢板承担的剪力占总剪力的50%左右。     

PBL剪力连接件抗剪承载力试验研究EI北大核心CSCD

为建立组合桥梁中开孔钢板剪力连接件(PBL)剪力连接件的抗剪承载力计算公式,开展8个PBL连接件的单调加载推出试验。着重研究静载下不同承压方式、混凝土强度、开孔数量和贯穿钢筋直径对连接件抗剪承载力的影响。基于变形协调条件分析端部混凝土、孔内混凝土榫和贯穿钢筋对单孔连接件极限承载力的贡献;多孔连接件的抗剪承载力则在考虑应力重分布的基础上将单孔连接件承载力进行叠加。试验结果表明:提出的PBL连接件抗剪承载力计算模型物理意义明确,计算结果精度较高,可用于单排PBL剪力连接件的承载力计算。     

PBL剪力连接件抗剪承载力试验研究

为建立组合桥梁中开孔钢板剪力连接件（PBL）剪力连接件的抗剪承载力计算公式,开展8个PBL连接件的单调加载推出试验。着重研究静载下不同承压方式、混凝土强度、开孔数量和贯穿钢筋直径对连接件抗剪承载力的影响。基于变形协调条件分析端部混凝土、孔内混凝土榫和贯穿钢筋对单孔连接件极限承载力的贡献;多孔连接件的抗剪承载力则在考虑应力重分布的基础上将单孔连接件承载力进行叠加。试验结果表明:提出的PBL连接件抗剪承载力计算模型物理意义明确,计算结果精度较高,可用于单排PBL剪力连接件的承载力计算。     

钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能试验研究与数值模拟

为了研究钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能,设计了2个两跨连续组合梁试件,对其进行静力加载试验,并与有限元模拟结果进行对比。研究结果表明:双面组合作用梁下部混凝土板可分担钢梁压力,其组合作用有利于钢梁下翼缘的稳定性,但对于腹板的稳定性不起作用。组合梁在按照完全抗剪连接进行设计时,可不考虑界面滑移的影响;与普通组合作用梁相比,双面组合作用梁抗弯刚度更大,其负弯矩区长度可延长约28.3%。相同荷载作用下,双面组合作用梁负弯矩值较低,可延缓上部混凝土板的开裂,有效控制混凝土板裂缝宽度和裂缝区范围。下部混凝土板长度按照完全抗剪连接设计的最小长度取值即可,不必过长。ABAQUS有限元模型分析结果与试验结果吻合良好,可较好地模拟组合梁受力性能。提高双面组合作用连续梁下部混凝土板的强度,可有效提高组合梁的承载力和刚度,受力更合理。     

钢管混凝土柱-双面组合作用梁框架节点抗震性能试验研究

为了研究钢-混凝土双面组合作用梁框架节点的抗震性能,设计了3个钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点和1个普通钢-混凝土单面组合作用梁十字形框架节点,并对其进行低周往复加载试验,对比分析其破坏模式、极限承载力、初始刚度、耗能能力、延性、刚度退化等抗震性能指标;通过改变下部混凝土板厚度和传力方式,研究下部混凝土板不同厚度和不同传力方式对双面组合作用梁力学性能的影响。结果表明:与普通钢-混凝土单面组合作用梁框架节点相比,钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点具有更高的承载力和刚度,适用于荷载较大的结构,但在延性、刚度退化和耗能能力等方面无明显优势;下部混凝土板采用集中传力和均匀传力的方式对双面组合作用梁抗震性能的影响无明显区别;下部混凝土板采用预制法制作和螺栓连接更加方便、可靠。     

集中荷载作用下宽翼缘双箱组合梁剪滞效应分析

宽翼缘钢-混凝土组合梁结构中剪滞效应的存在将导致混凝土翼板、钢梁底板及腹板发生纵向翘曲变形,对组合梁截面应力和变形产生重要影响。为了深入分析其作用机理,该文基于最小势能原理,忽略界面滑移效应,在假定混凝土翼板、钢梁底板纵向变形沿板宽度方向呈近似抛物线分布的前提下,推导了宽翼缘双箱钢-混凝土组合梁结构考虑剪滞效应的控制微分方程。并求得在两端简支约束条件和集中荷载作用下的应力和变形解析表达式。通过数值算例,结合组合梁试验、有限元模拟三者相互比较分析,表明该文提出的方法为分析组合梁结构关于剪滞效应问题提供了理论基础,对工程应用具有一定的指导作用和参考价值。     

配钢率对型钢混凝土异形柱抗震性能的影响分析

设计了16个型钢混凝土异形柱试件，包括L形柱、沿腹板加载的T形柱、沿翼缘加载的T形柱和十形柱各4个，采用试验研究和有限元模拟相结合的方法分析配钢率对试件抗震性能的影响，得到了试件的破坏形态及滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性、刚度、耗能能力等性能指标。结果表明:剪跨比为2.5的试件在低周反复荷载作用下发生弯曲破坏，配钢率对试件破坏形态的影响较小，但配钢率增大能够抑制混凝土裂缝的开展，延缓试件的破坏；试件的滞回曲线饱满、对称，延性好，耗能能力强，刚度退化先快后慢；随着配钢率增大，试件的滞回环面积越来越大，承载力显著提高，延性明显改善，刚度退化变缓，但耗能能力变化较小。     

波形钢板剪力墙及组合墙抗剪承载力研究

为研究波形钢板剪力墙及其组合墙在水平荷载作用下的破坏形态、受力性能以及抗剪承载力计算方法,设计了4个波形钢板剪力墙及其组合墙试件,进行了低周往复加载试验,并采用ABAQUS有限元软件对24个波形钢板剪力墙及其组合墙模型进行了模拟分析。研究结果表明:波形钢板剪力墙具有较好的变形能力,波形钢板能有效抑制混凝土裂缝的发展,并与混凝土具有很好的界面粘结力,水平波形钢板剪力墙较易在约束边缘构件底部形成塑性铰;波形钢板剪力墙及其组合墙具有较好的承载能力、延性和耗能能力,且承载力下降缓慢; ABAQUS有限元软件能较好地模拟试验,模拟结果与试验结果吻合较好,有限元计算结果表明:承载力随波形钢板的厚度和波角的增加有少量增加,此外,波形钢板-混凝土组合剪力墙承载力随剪跨比的增加而降低,竖向波形钢板剪力墙的抗侧承载力性能与水平波形钢板剪力墙的基本相同;该文提出的波形钢板剪力墙及其组合墙抗剪承载力计算公式,计算值与试验值吻合良好,可为设计和工程实际参考; H型钢柱对波形钢板-混凝土组合剪力墙的抗剪承载力贡献最小,竖向波形钢板对组合墙剪力分担率大于水平波形钢板的,竖向波形钢板更有利于提升组合墙的承载性能。     

不同加载模式下方钢管混凝土力学性能试验研究与理论分析

对钢管和混凝土同时受力和核心混凝土受力的构件进行了试验研究,考虑了钢管和混凝土之间的粘结力对构件力学性能的影响。同时采用有限元法对钢管和混凝土同时受力、核心混凝土受力和钢管存在初应力的构件进行了理论分析。理论分析结果和该文的试验结果进行了对比,验证了理论分析的正确性。在此基础上对比分析了3种加载模式下构件受力性能的异同,分析了钢材屈服强度、混凝土强度、含钢率等参数对构件力学性能的影响。研究表明:当含钢率较低时,钢管与核心混凝土同时受力构件的刚度和承载力要明显高于核心混凝土受力时构件的刚度和承载力;在3种不同加载模式下,试件的承载力都要高于钢材和混凝土两者承载力的简单叠加;核心混凝土受力时构件的延性要优于同时受力时构件的延性;钢材屈服强度对核心混凝土受力构件的承载力影响很小,提高钢材屈服强度能提高构件的延性。     

考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁解析解

通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。     

PBL剪力连接件粘结滑移性能的静载推出试验研究

PBL 剪力连接件是组合梁桥中波纹钢腹板和混凝土上下翼缘板连接的关键构造,研究PBL 剪力连接件的粘结滑移性能是连接件设计的关键环节。该文简要介绍了PBL剪力连接件的发展和研究现状,结合波形钢腹板PC 组合箱梁桥工程背景,进行了4 个PBL 连接件的静载推出试验,分析了腹板厚度和孔径大小对连接件粘结滑移性能、极限承载能力和破坏机制的影响。实验结果表明,各个试件有相似的滑移趋势并表现出一定的延性,随着腹板厚度和连接件孔径的增大,极限承载能力增强。同时,通过对荷载和水平位移关系的分析,得到连接件的受力机理为:在受力初期,混凝土受到剪力件的力传递发生变形向外膨胀;随着荷载的增大,剪力件发生明显滑移,混凝土发生向外侧的位移。剪力连接件腹板、翼缘和钢腹板上的应变发展趋势符合加载受力的传递机理。最后,对比和分析了连接件极限承载力的理论结果和试验结果,阐述了影响极限承载力的主要因素,并且在考虑安全实用意义的基础上,提出了一个新的估算公式,可以较好地估算本次试验结果。