极地低温下栓钉连接件受剪性能试验研究及有限元分析

为研究栓钉连接件在极地低温下的受剪性能,利用复叠式低温冷库、自制保温装置和电液伺服压力试验机对12个栓钉连接试件进行了推出试验,同时采用ABAQUS软件对其进行有限元分析,研究了温度、栓钉直径对低温下栓钉连接件受剪性能的影响。通过试验和有限元分析得到了试件破坏模式、荷载-滑移曲线、栓钉受剪承载力及极限滑移量,结果表明:试件在低温下出现栓钉剪断和栓钉剪断-混凝土压坏混合破坏两种破坏形式;在20～-80℃范围内,随着温度的降低,栓钉受剪承载力增大而极限滑移量减小,在-60～-80℃范围内,温度变化对栓钉连接件受剪性能的影响较小;在极地低温下,随着栓钉直径增大,栓钉连接件的受剪承载力和极限滑移量增加。采用ABAQUS软件考虑低温本构的有限元分析结果与试验结果吻合程度较高,通过试验结果拟合出的荷载-滑移曲线效果良好。     

极地低温下栓钉连接件受剪性能试验研究及有限元分析

为研究栓钉连接件在极地低温下的受剪性能,利用复叠式低温冷库、自制保温装置和电液伺服压力试验机对12个栓钉连接试件进行了推出试验,同时采用ABAQUS软件对其进行有限元分析,研究了温度、栓钉直径对低温下栓钉连接件受剪性能的影响。通过试验和有限元分析得到了试件破坏模式、荷载-滑移曲线、栓钉受剪承载力及极限滑移量,结果表明:试件在低温下出现栓钉剪断和栓钉剪断-混凝土压坏混合破坏两种破坏形式;在20～-80℃范围内,随着温度的降低,栓钉受剪承载力增大而极限滑移量减小,在-60～-80℃范围内,温度变化对栓钉连接件受剪性能的影响较小;在极地低温下,随着栓钉直径增大,栓钉连接件的受剪承载力和极限滑移量增加。采用ABAQUS软件考虑低温本构的有限元分析结果与试验结果吻合程度较高,通过试验结果拟合出的荷载-滑移曲线效果良好。     

装配式钢-薄层超高性能混凝土组合梁大直径群钉连接件抗剪性能数值分析

为研究大直径群钉连接件在装配式钢-薄层超高性能混凝土组合梁桥中的抗剪性能,通过有限元软件ABAQUS建立了19个推出试件模型。着重分析了浇筑方式、栓钉间距、键群间距和键群数量对试件抗剪承载力、抗剪刚度和荷载-滑移曲线的影响规律。研究结果表明：试件破坏模式主要表现为栓钉根部的剪断以及混凝土的局部压碎;使用预制超高性能混凝土板推出试件的抗剪承载力比现浇试件降低10%以内;栓钉间距小于2.5倍栓钉直径时,试件抗剪承载力明显下降;随着键群间距和数量的增加,键群中单个栓钉的抗剪承载力以及抗剪刚度减小。针对装配式钢-薄层超高性能混凝土大直径群钉连接件提出了预测其荷载-滑移关系的理论模型,并将抗剪承载力试验结果与规范计算结果进行了比较,得到了适用于装配式钢-薄层超高性能混凝土组合梁桥大直径群钉连接件的计算方法。     

低温下栓钉连接件的抗剪性能试验研究

为了研究低温下栓钉连接件的抗剪承载力,通过15个栓钉连接件在低温下的推出试验,对栓钉连接件在低温下的破坏形态、荷载-位移曲线、抗剪承载力和抗剪刚度进行了研究。结果表明:低温下栓钉连接件的破坏形式会由混凝土破坏转变为栓钉剪断破坏;随着温度降低,栓钉的抗剪承载力近似呈线性提高,但塑性及延性变差;栓钉的抗剪刚度随温度降低而提高,且直径越大,提升幅度越小。     

Experimental study on mechanical behavior of shear studs in assembled monolithic steel-concrete composite beam

为研究装配整体式钢-混凝土组合梁中栓钉抗剪连接件的受力性能,设计了10个栓钉抗剪连接件,对其进行推出试验,得到了现浇混凝土板和预制混凝土板中栓钉抗剪连接件在单调和重复荷载作用下的界面剪力-滑移曲线以及破坏形态。结果表明：预制混凝土板中栓钉受剪承载力比现浇混凝土中栓钉受剪承载力略低,均为栓杆剪断和栓钉根部焊缝破坏;重复荷载作用下峰值界面剪力对应的界面滑移明显大于单调荷载作用下峰值界面剪力对应的界面滑移;重复荷载作用下的峰值界面剪力与单调荷载下的峰值界面剪力相当,其界面剪力-滑移曲线基本一致。     

装配整体式钢-混凝土组合梁栓钉抗剪连接件受力性能试验研究

为研究装配整体式钢-混凝土组合梁中栓钉抗剪连接件的受力性能,设计了10个栓钉抗剪连接件,对其进行推出试验,得到了现浇混凝土板和预制混凝土板中栓钉抗剪连接件在单调和重复荷载作用下的界面剪力-滑移曲线以及破坏形态。结果表明:预制混凝土板中栓钉受剪承载力比现浇混凝土中栓钉受剪承载力略低,均为栓杆剪断和栓钉根部焊缝破坏;重复荷载作用下峰值界面剪力对应的界面滑移明显大于单调荷载作用下峰值界面剪力对应的界面滑移;重复荷载作用下的峰值界面剪力与单调荷载下的峰值界面剪力相当,其界面剪力-滑移曲线基本一致。     

单调荷载下栓钉连接件受剪性能试验研究

栓钉是钢-混凝土组合梁中常用的柔性受剪连接件。通过18个栓钉受剪试件在单调荷载下的推出试验,较系统地研究了混凝土强度等级、栓钉直径以及钢梁类型等参数对栓钉的破坏形态、破坏机理、荷载-滑移规律和极限受剪承载力的影响。研究表明:栓钉的受剪承载力随着混凝土强度等级的提高以及栓钉直径的增大而增加;轧制工字钢试件中栓钉的受剪承载力比焊接工字钢试件中的高10%~30%。在试验的基础上提出了栓钉受剪承载力的计算方法。     

栓钉剪力连接件滑移性能试验研究及受剪承载力计算

根据3组栓钉剪力连接件推出试验,研究栓钉直径和栓钉屈服强度对试件受剪承载力的影响。应用ABAQUS有限元分析软件对栓钉剪力连接件进行精细三维实体有限元分析,栓钉、钢梁和混凝土均采用C3D8R单元,计算结果与试验结果符合较好。基于有限元法进行参数分析,研究栓钉直径、数量、长径比、屈服强度、混凝土强度和横向配筋率等对栓钉剪力连接件荷载-滑移性能的影响,有限元计算结果表明,栓钉受剪承载力随着栓钉直径、屈服强度和混凝土强度的增大而提高。提出了考虑栓钉直径、屈服强度和混凝土强度影响的单个栓钉受剪承载力计算式和荷载-滑移关系计算方法,计算结果与文中试验结果和收集到的81组栓钉剪力连接件有效试验结果进行对比,吻合较好。建议的受剪承载力计算式与现行规范建议公式进行比较,建议的计算式具有较高的精度。荷载-滑移曲线实用计算方法与Ollgaard提出的计算方法比较表明建议计算方法具有较广泛的适用性。     

Experimental study on shear behavior of bolt connectors in steel-concrete composite beams

为研究螺栓抗剪连接件在钢-混凝土组合梁中的受剪性能,对24个采用螺栓连接件的钢-混凝土组合试件进行了推出试验,分析了螺栓直径、螺栓强度、螺栓埋置长细比和混凝土强度等参数对螺栓连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和受剪承载力的影响。研究结果表明：螺栓抗剪连接件的破坏模式主要为螺栓周围混凝土受压破坏和螺栓栓杆的剪断破坏;当发生混凝土受压破坏时,增大混凝土强度、螺栓直径、螺栓埋置长细比可以提高螺栓连接件的受剪承载力;当发生螺栓的栓杆剪断破坏时,提高螺栓强度可以提高螺栓连接件的受剪承载力。在试验研究的基础上,给出了不同破坏模式下钢-混凝土组合梁螺栓连接件的受剪承载力的计算方法,建议公式的计算结果与试验结果吻合较好。     

钢-混凝土组合梁螺栓连接件受剪性能试验研究

为研究螺栓抗剪连接件在钢-混凝土组合梁中的受剪性能,对24个采用螺栓连接件的钢-混凝土组合试件进行了推出试验,分析了螺栓直径、螺栓强度、螺栓埋置长细比和混凝土强度等参数对螺栓连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和受剪承载力的影响。研究结果表明:螺栓抗剪连接件的破坏模式主要为螺栓周围混凝土受压破坏和螺栓栓杆的剪断破坏;当发生混凝土受压破坏时,增大混凝土强度、螺栓直径、螺栓埋置长细比可以提高螺栓连接件的受剪承载力;当发生螺栓的栓杆剪断破坏时,提高螺栓强度可以提高螺栓连接件的受剪承载力。在试验研究的基础上,给出了不同破坏模式下钢-混凝土组合梁螺栓连接件的受剪承载力的计算方法,建议公式的计算结果与试验结果吻合较好。     

装配式钢-混凝土组合结构抗剪性能试验研究

为研究一种新型的预制混凝土板与型钢组合的装配式钢-混凝土组合结构的抗剪性能,开展了4组12个试件(3个整体式现浇钢-混凝土组合结构试件,9个装配式钢-混凝土组合结构试件)的推出试验,分析了该组合结构的破坏形态、荷载-滑移曲线及极限受剪承载力.结果 表明,整体式现浇钢-混凝土组合结构试件的破坏形态为栓钉剪断;而装配式钢-混凝土组合结构试件表现为局部的栓钉剪断和混凝土剪切破坏,装配式现浇钢-混凝土组合结构试件极限滑移较整体式现浇钢-混凝土组合结构试件增加1倍,延性得到明显改善;装配式钢-混凝土组合结构试件极限受剪承载力约为整体式现浇钢-混凝土组合结构试件的80％,并满足规范要求;新旧混凝土结合面进行粗糙处理后,装配式钢-混凝土组合结构试件极限受剪承载力提高5％,抗剪钢筋直径由14am增加为20mm时,装配式钢-混组合结构试件极限受剪承载力提高10％.     

高温下钢筋桁架楼承板中栓钉抗剪性能研究

对15个试件进行常温和高温下推出试验,研究钢筋桁架楼承板中栓钉的抗剪性能,得到混凝土楼板和栓钉不同位置处的温度分布以及栓钉受剪承载力随温度的退化规律。试验结果表明,钢筋桁架楼承板中栓钉在常温和高温下的破坏均为栓钉剪断破坏,栓钉根部混凝土局部压碎,但是与平板混凝土板中栓钉的破坏位置不同,所研究的栓钉剪断破坏的位置在钢梁上翼缘处,而不是在栓钉根部焊缝处,这也在很大程度上导致了钢筋桁架楼承板中栓钉受剪承载力比平板混凝土板中栓钉低。钢筋桁架楼承板中栓钉的受剪承载力和刚度均随温度的升高而降低。通过对试验数据的分析,提出了钢筋桁架楼承板中栓钉高温下受剪承载力和荷载-滑移曲线的计算方法。     

低温环境下栓钉连接件抗拉拔性能研究

为促进组合结构在极地及高寒地区的安全广泛应用,解决低温环境下组合结构中栓钉连接件抗拉拔性能研究不足问题,采用自平衡加载装置,对4组栓钉试件进行了低温拉拔试验,得到了不同温度（20、-30 ℃和-60 ℃）和栓钉有效埋深（57 mm和92 mm）下栓钉拉拔试件的破坏模式、荷载-位移曲线、抗拉拔承载力等。考虑大尺寸构件低温试验难度大、成本高等问题,建立栓钉拉拔试件有限元模型,在20 ℃~-60 ℃温度范围内,模型的荷载-位移曲线、抗拉拔承载力和破坏模式与试验结果吻合良好,验证了模型的可靠性。基于此模型,进行参数分析,研究低温（20、-30 ℃和-60 ℃)和栓钉有效埋深(48、64、80 mm和96 mm）对栓钉连接件抗拉拔性能的影响。研究结果表明：在20~-60 ℃温度范围内,共出现三种典型破坏模式,即混凝土锥体破坏、混凝土劈裂破坏和栓钉拉断破坏;试件的抗拉拔承载力、极限位移、前期刚度等均随着温度的降低、栓钉有效埋深的增大而增大,有效埋深的增大对抗拉拔性能的提高作用更加显著;当温度T≤-30 ℃时,栓钉有效埋深hef为92 mm的拉拔试件均发生栓钉拉断破坏,其抗拉拔性能主要由栓钉本身低温材料性能决定。通过数值模拟和参数分析可知,20~-60 ℃ 温度范围内,混凝土强度等级为C60的拉拔试件发生由混凝土锥体破坏向栓钉拉断破坏转变的栓钉有效埋深与栓钉直径比hef/d临界值在5~6范围内。     

H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件纵向受剪性能试验研究

通过13个在单调荷载作用下H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件的推出试验,对其破坏形态、荷载-滑移特性和纵向剪力传递性能进行了研究,分析了栓钉数量、栓钉直径、栓钉布置方式、型钢翼缘宽度、腹部混凝土箍筋布置方式及加载方式等对受剪承载力的影响。试验结果表明：H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件的主要破坏形态为外包混凝土劈裂破坏和栓钉剪断破坏;典型的荷载-滑移曲线可分为3个特征阶段,分别为无滑移阶段、荷载上升段及荷载下降段;腹部栓钉有效地提高了部分外包混凝土组合构件的纵向受剪承载力,且受剪承载力随栓钉直径的增大和栓钉数量的增加而增大;腹部栓钉纵向布置优于横向布置,栓钉纵向偏心布置对受剪承载力影响较小;宽翼缘型钢能更好地约束腹部混凝土,提高其受剪承载力;腹部箍筋不同布置方式对极限荷载的影响较小;通过分析构件的受力机理和纵向剪力传递模式,提出了H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件纵向受剪承载力算式,计算结果与试验结果吻合较好。     

高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪力传递性能研究

通过20个高温下带栓钉连接件型钢混凝土短柱推出试验及2个常温下的对比试验,研究其破坏形态、荷载-滑移特性、界面剪切承载力等。试验结果表明：高温下带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的破坏形态与常温下大致相同,破坏以栓钉外侧混凝土劈裂为主;与常温下试件的荷载-滑移曲线相比,高温下推出试件荷载-滑移曲线的上升段相对平缓,在较小的荷载作用下即产生相对滑移,滑移刚度相对减小;当升温最高温度的持续时间相同时,试件的界面剪切承载力随最高温度的提高而降低,其中从常温到最高温度达到400℃以前,试件的界面剪切承载力随最高温度提高下降很快,而最高温度超过400℃以后,界面剪切承载力随最高温度提高下降的趋势减缓;当升温最高温度一定时,随着最高温度持续时间的增加,试件的界面剪切承载力降低。引入高温下界面剪切承载力影响系数,提出高温下带栓钉连接件型钢混凝土界面剪切承载力计算式,计算结果与试验结果相比总体偏于安全。     

高温后反复荷载下带栓钉连接件型钢混凝土界面力传递性能研究

通过对6个高温后带栓钉连接件型钢混凝土短柱反复加载试验和6个高温后试件的单调加载对比试验,研究高温后反复荷载下带栓钉连接件型钢混凝土短柱的破坏形态、荷载-滑移特性、界面剪切承载力等。研究结果表明:带栓钉连接件型钢混凝土试件在反复荷载下的破坏形态与单调荷载下大致相同,破坏以栓钉外侧混凝土劈裂为主。试件的滑移刚度和界面剪切承载力随着升温时曾经经历最高温度的增加及最高温度持续时间的增长而下降。翼缘布置栓钉试件的滑移刚度和界面剪切承载力高于相同条件下腹板布置栓钉试件的滑移刚度和剪切承载力。与单调加载相比,反复荷载下试件界面剪切承载力下降。     

带栓钉连接件型钢混凝土剪力传递性能研究

通过15个带栓钉连接件的型钢混凝土短柱在单调荷载下的推出试验及1个自然黏结试件的对比试验,研究带栓钉连接件型钢混凝土短柱的破坏形态、裂缝模式、荷载-滑移特性、型钢应变分布、剪力传递承载力等。试验结果表明:带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的破坏以混凝土劈裂为主,劈裂裂缝出现的方位与栓钉的布置位置有关。典型试件的荷载-滑移曲线大致可分为5个阶段,分别为无滑移段、滑移段、破坏段、荷载下降段及残余段。由于栓钉剪切变形的影响,栓钉根部混凝土受局部承压作用,混凝土与型钢表面原有的自然黏结将受到损坏,近栓钉位置的型钢应变产生突变,应变分布表现出与自然黏结试件不一样的特征。在其他条件基本相同的情况下,型钢腹板布置栓钉的试件,其极限荷载和残余荷载比型钢翼缘布置栓钉的试件高,与极限荷载相对应的端部滑移比型钢翼缘布置栓钉的试件大。根据试件的受力机理和力的扩散原则,提出了带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的承载力计算公式及防止栓钉外侧混凝土劈裂破坏的构造措施,公式计算结果与试验结果总体相符且偏于安全。     

PBL连接件在长期荷载作用下的试验研究

为了研究PBL连接件在长期荷载作用下的受力性能,对6个PBL连接件试件进行了6个月的长期加载试验及极限承载力破坏试验,考虑的影响参数为钢板开孔直径、厚度和孔洞个数。试验考察了试件变形发展过程及破坏形态,得到了试件荷载-滑移曲线以及荷载-横向贯通钢筋应变曲线,并建立了钢梁与混凝土板相对滑移、横向贯通钢筋和孔洞周边应力与加载时间关系曲线;最后,在试验的基础上,对比总结了长期荷载和短期荷载作用对PBL连接件力学性能的影响。研究结果表明:增加开孔钢板直径、厚度和孔洞个数可以有效提高PBL连接件抗剪刚度,减小其相对滑移;与短期荷载作用下的试验结果相比,长期荷载作用下PBL连接件试件的抗剪刚度下降了16%~30%,但其破坏形态、荷载-横向贯通钢筋应变曲线、荷载-滑移曲线变化特点基本相同,且其极限抗剪承载力无显著差异。     

钢-混凝土组合梁栓钉剪力连接件抗剪承载力研究

为了探究钢-混凝土组合梁栓钉剪力连接件构造参数对其抗剪承载力的影响,采用ABAQUS有限元软件建立了数值分析模型,获得了荷载-滑移曲线,并与经验公式计算比较,二者吻合较好;通过改变结构的混凝土强度等级、栓钉直径、栓钉屈服强度和栓钉长度等构造参数,分析了栓钉抗剪承载力的变化规律。结果表明:栓钉剪力连接件的抗剪承载力随着混凝土强度等级、栓钉直径、栓钉屈服强度的增大而提高。     

基于梁式试验与推出试验的栓钉连接件荷载-滑移关系对比研究

为比较基于梁式试验与推出试验得到的栓钉连接件荷载-滑移关系,在定性理论分析的基础上,建立两种试验的精细化有限元模型并进行了试验验证,运用有限元模型分析两种试验中栓钉连接件的受力状态,比较栓钉连接件的抗剪承载力和剪切刚度。结果表明,在弹性阶段,梁式试验中栓钉连接件处于双向受压状态,栓钉连接件所受掀起力较小,剪切刚度比推出试验高;在极限状态下,梁式试验中栓钉连接件所受掀起力大,栓钉连接件的抗剪承载力较推出试验低。建议当采用推出试验获得栓钉连接件的荷载-滑移关系时,应考虑将栓钉连接件的抗剪承载力进行适当折减,而剪切刚度不予折减。