PBL剪力连接件群传力机理研究(Ⅰ)——理论模型

在混合桥塔、混合梁以及混合拱等新型组合结构中,需通过剪力连接件群在有限长度的钢-混凝土连接段内实现较大的荷载传递。该类结构对于设计理念、分析理论与计算方法提出新挑战,同时也对剪力连接件本身提出更高要求。根据PBL剪力连接件的受力特性,基于钢构件与混凝土构件的层间相对滑移和各层剪力连接件所承担荷载之间的关系,建立PBL剪力连接件群的荷载-滑移变形协调理论模型。以该理论模型为基础,提出PBL剪力连接件群的荷载-滑移变形协调计算方法。理论及试验研究表明,所建立的理论模型能够反映PBL剪力连接件群的力学行为本质;所提出的计算方法具有物理意义明确、求解简便、计算效率高、便于应用等特点。该理论和方法为PBL剪力连接件群传力机理及其极限承载力研究奠定了理论及方法基础。     

斜拉桥桥塔钢-混结合段的力学行为和传力机理研究

为研究斜拉桥桥塔钢-混结合段的力学行为与传力机理,设计某组合斜拉桥的桥塔钢-混结合段的1∶3缩尺试验模型,对其进行正常使用极限状态与承载能力极限状态的加载试验;测试试验模型的控制断面和主要构件的应力、变形情况;结合非线性有限元分析,研究钢-混结合段的传力机理。试验得到如下结论:钢-混结合段构件的应力分布均匀顺畅,应力水平较低;钢结构与混凝土之间相对滑移量较小,二者能协同受力;采用非线性弹簧单元能近似模拟钢-混结合段中PBL剪力键的受力行为,数值分析结果具有良好的工程精度;PBL剪力键分担60%以上的荷载,在钢-混结合段设计中,可以将其作为主要传力构件。     

钢-混凝土组合结构界面受力行为初探

钢-混凝土组合结构构件具有承载力高、塑性韧性好、防腐、耐火及防火性能好等诸多优点得到广泛应用。文章对钢-混凝土组合结构采用栓钉剪力连接件和开孔钢板PBL剪力连接件展开试验研究,对混凝土滑移量和应变进行监测分析。试验结果表明:采用栓钉剪力连接件的钢-混凝土组合结构极限承载力明显低于开孔钢板PBL剪力连接件下的钢-混凝土组合结构,前者破坏形态呈脆性破坏,后者延性效果优于前者,且界面受力行为体现在混凝土板裂缝形态上,充分发挥了界面粘结应力强度以及混凝土的抗压性能。     

PBL剪力连接件力学性能研究进展

介绍了PBL剪力连接件(PBL shear connectors)的各种常见形式及其国内外的主要应用实例;从连接件的试验方法、破坏形态、极限承载力的影响因素和计算公式以及疲劳性能几个方面系统阐述了近年来国内外PBL剪力连接件的试验研究进展,其中重点阐述了连接件的极限承载力研究现状;并介绍了国内研究的一些新型PBL剪力连接件;最后,对今后PBL剪力连接件的进一步研究工作提出了建议。     

PBL剪力连接件极限承载能力计算研究综述

本文简要介绍了PBL剪力连接件的国内外研究现状,并列出了剪力连接件的形式分类,以及两种试验研究方法,列举出影响PBL剪力连接件极限承载力的不同因素,并针对国内外PBL剪力连接件的承载力经验公式进行对比分析,为以后进一步研究奠定基础。     

钢-混凝土组合结构中PBL剪力连接件极限承载力比较

近年来,钢-混凝土组合结构应用的越来越广泛,其中剪力连接件是其最关键的部位,而PBL剪力连接件是近年来应用较多的新型剪力连接件。文章分析了国内外不同学者给出的PBL剪力连接件的极限承载力的计算公式的差别,并对以后PBL剪力连接件的进一步研究工作提出了建议。     

钢-混凝土组合梁栓钉连接件的性能研究综述

以国内外相关理论、试验研究及设计资料的收集为基础,探讨栓钉剪力连接件的破坏机理,受力特性和影响栓钉承载力主要因素,对栓钉剪力连接件在高强混凝土组合梁中的性能进行了分析.最后,对钢混凝土组合梁中栓钉剪力连接件的设计提出了建议.     

钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构混合剪力连接件受力特性研究

鉴于混合剪力连接件受力特性的复杂性,以厦漳跨海大桥北汊主桥为工程背景,在模型试验研究的基础上,采用壳-梁-实体精细化有限元数值方法对钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构混合剪力连接件受力状态、传力机理及其影响因素进行研究。结果表明:焊钉群竖向剪力横桥向上整体呈现边缘大、中间小的分布趋势;竖向上牛腿顶板以上钉群竖向剪力自上向下逐渐增加,顶板以下区域呈马鞍形分布。焊钉群较大轴向拉力出现在牛腿顶板对应位置,较大轴向压力出现在牛腿腹板高度对应位置。PBL剪力键群承担的竖向力和水平力均表现出中间大、边缘小的分布规律。混凝土塔壁承压、竖向力的变化以及面外弯矩的作用,对索力竖向分力在混合剪力连接件间分配的影响依次增大。     

复合连接件钢-混结合段空间力学性能分析

为研究复合连接件钢-混结合段的力学性能,以某混合连续箱梁桥为背景,采用ABAQUS建立三维实体-板壳数值模型,对栓钉、PBL及其复合形式连接件的传力行为进行对比分析,最终给出PBL与栓钉复合连接件的剪力传递比例。研究表明:各连接件均可以在设计荷载作用下安全地发挥其剪力传递的性能;在复合连接件中,PBL连接件承担的剪力更多,达到79. 68%,而栓钉连接件仅为20. 32%,两者的剪力传递分配比例约为4∶1。     

CFRP加固PBL剪力连接件的抗拉拔性能试验

试验共制作了8个试件,其中包含4个CFRP加固后的PBL剪力连接件与4个未加固的PBL剪力连接件。使用一套液压加载装置进行了测试试验,测得了试件的极限抗拉拔承载力、相对位移,观察分析了试件的破坏模式,并比较了CFRP加固前后不同埋置深度对试件极限抗拉拔承载力、初始开裂荷载以及破坏模式的影响。试验结果表明:CFRP加固后,PBL剪力连接件的抗拉拔性能显著提升,加固前后试件的极限抗拉拔承载力最高可增加66.9%;不同埋置深度CFRP加固的效果不同,埋置深度较浅的PBL剪力连接件的加固效果优于埋置深度较深的PBL剪力连接件。     

混合结构PBL剪力键群承载力试验研究

混合结构中钢混结合段的剪力传递直接取决于剪力键群的承载力。为研究混合结构PBL剪力键(perfobond rib shear connector)群的承载力,进行9组18个多排剪力键的静载试验,分析PBL剪力键群试件加载全过程的滑移分布及负载特征,并从单个剪力键的荷载-滑移分布出发,结合各排剪力键层间滑移的分布规律,通过累加各排剪力键滑移分布对应的荷载,提出剪力键群承载力的计算方法。同时根据对大量测试数据的统计分析,给出PBL剪力键群正常使用极限荷载的指标。试验研究表明:混合结构中单个PBL剪力键的荷载-滑移关系可用Buttry渐进曲线表述;PBL剪力键群各排剪力键的层间滑移服从二次曲线分布;PBL剪力键群正常使用极限荷载可取剪力键群平均滑移量0.2mm所对应的荷载。所提出的计算方法很好地解决了当前PBL群承载力计算上的不足,计算公式与试验结果吻合良好。     

单孔PBL剪力连接件疲劳性能试验研究

为研究PBL剪力连接件在疲劳荷载作用下的力学性能,完成了2组10个单孔PBL剪力连接件的等幅疲劳推出试验。分析PBL连接件在有、无贯通钢筋两种形式下的疲劳破坏模式,及受剪承载力、剪力-滑移关系受疲劳荷载的影响。通过建立单孔PBL连接件的损伤指标考察其疲劳损伤规律。试验结果表明：无贯通钢筋的PBL剪力连接件的疲劳损伤指标随循环加卸载逐渐趋于稳定,难以发生疲劳破坏;设置贯通钢筋的PBL剪力连接件的疲劳损伤表现为贯通钢筋断裂,PBL剪力连接件的疲劳损伤速度先慢后快,平均残余变形随疲劳荷载循环单调递增,其变化规律符合二次抛物线形式。     

外包钢中空混凝土组合结构桥塔轴压性能研究

为研究外包钢中空混凝土柱组合桥塔在轴压荷载下的受力性能,进行模型试验和有限元分析,研究了破坏形态、荷载-变形关系和传力机理等。研究结果表明:该组合桥塔能够充分发挥混凝土和钢材的承载能力,其变形能力得到提高;钢壁板荷载逐渐传递至中空混凝土,且荷载传递主要发生在桥塔上部;钢-混凝土结合面上的开孔板连接件,不仅受剪发挥传递荷载作用,其抗拉拔作用还能阻止局部屈曲破坏前钢壁板与混凝土柱的剥离;顶部开孔板刚度折减后,连接件剪力竖向分布趋于均匀;承压板构造有利于荷载传递、扩散,使底座混凝土受力均匀。     

Study on mechanical behavior of a new type of hollow composite pylon

为研究外包钢中空混凝土柱组合桥塔在轴压荷载下的受力性能,进行模型试验和有限元分析,研究了破坏形态、荷载-变形关系和传力机理等。研究结果表明：该组合桥塔能够充分发挥混凝土和钢材的承载能力,其变形能力得到提高;钢壁板荷载逐渐传递至中空混凝土,且荷载传递主要发生在桥塔上部;钢-混凝土结合面上的开孔板连接件,不仅受剪发挥传递荷载作用,其抗拉拔作用还能阻止局部屈曲破坏前钢壁板与混凝土柱的剥离;顶部开孔板刚度折减后,连接件剪力竖向分布趋于均匀;承压板构造有利于荷载传递、扩散,使底座混凝土受力均匀。     

槽钢剪力连接件的性能研究第一部分:试验研究

在组合梁的设计中,剪力连接件一般用于将纵向剪力转移到钢-混凝土的连接界面。对单调低周疲劳荷载作用下混凝土板中的槽钢剪力连接件的性能进行了试验研究。这种混凝土板将应用于地震作用下的组合结构,其中不同混凝土材料的性能和作用成为了研究重点。对一系列由素混凝土、钢筋混凝土(RC)、纤维钢筋混凝土(FRC)和水泥基复合材料(ECC)组成的构件进行推出测试。结果显示:大部分构件的循环抗剪强度要比它们在单调加载条件下的抗剪强度低10%~23%。同时,聚丙烯纤维(FRC构件)的采用对构件的抗剪强度和荷载-位移曲线也产生影响。然而,聚乙烯醇(ECC构件)的采用在剪力连接件的极限强度和延性上引起了显著的增加。最后,对比了试验构件的承载能力与北美设计规范建议的数值。     

竹-混凝土剪力连接件荷载-滑移性能比较研究

为研究竹-混凝土剪力连接件力学行为,对3组6个竹-混凝土剪力连接件进行了静载试验,连接件的类型分别为栓钉型、凹槽型和凹槽-栓钉型。研究结果表明:栓钉型剪力连接件的破坏模式属于延性破坏,而凹槽型和凹槽-栓钉型剪力连接件破坏模式属于脆性破坏,栓钉型剪力连接件的荷载-滑移曲线存在完全塑性阶段,极限位移大,延性系数大,承载力低;凹槽-栓钉型和凹槽-栓钉型剪力连接件初期基本无滑移,承载力高,延性系数小,滑移变形能力差。     

开孔钢板剪力连接件的钢-混凝土组合板有限元分析及参数研究

采用有限元软件ABAQUS对带PBL剪力连接件的钢-混凝土组合板进行了三分点加载模拟,有限元中考虑了混凝土的非线性本构关系、钢板与混凝土之间的非线性接触关系。将模拟结果与试验数据进行对比,结果表明:有限元分析能较好地模拟钢-混凝土组合板的受力全过程。在探讨误差产生的原因的同时,对影响组合板受力性能的因素进行分析。结果表明:孔距和贯穿钢筋对组合板的抗弯极限承载力影响较小,对组合板的刚度影响较大。最后提出了带PBL剪力连接件的钢-混凝土组合板的抗弯承载能力理论计算公式,对参数进行重要性分析后得到满足实际工程应用的简化计算方法。     

钢-混组合结构栓钉剪力连接件综述

对钢-混组合结构栓钉剪力连接件的性能进行了介绍.通过分析总结相关文献发现,影响抗剪承载力的主要因素为栓钉屈服强度fy、其杆轴直径D及混凝土强度大小;并总结了国内外文献中关于栓钉剪力连接件的极限承载力计算公式,为研究与设计人员提供参考.     

钢-混凝土组合结构PBL剪力键疲劳损伤演化机理分析

为研究反复荷载作用下钢-混凝土组合结构PBL剪力键的疲劳损伤演变及破坏机理,以开孔直径、钢板厚度和贯穿钢筋直径为影响参数,设计3因素2水平的正交试验模型,完成6组24个PBL剪力键模型疲劳试验。以相对滑移量为指标,研究了PBL剪力键的疲劳破坏机理,建立了疲劳荷载与疲劳寿命之间S-N关系曲线,讨论了PBL剪力键构造参数和疲劳荷载对其疲劳性能的影响。     

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。