钢混组合结构中剪力钉群的力学性能及破坏机理试验研究

为研究钢混组合结构中剪力钉群的力学性能和破坏机理,设计并制作了6个群钉推出试验试件和2个群钉拉拔试验试件,8个试件均含有4排×2列共16枚22×200mm剪力钉,进行了推出试验和拉拔承载力试验。通过推出试验,研究分析了推出试件中剪力钉群的受力特性、荷载-滑移规律和破坏机理,并得出了16枚剪力钉的抗剪承载力。结果表明群钉平均极限抗剪承载力与文中作者所做的单枚22×200mm剪力钉推出试验所得到的极限抗剪承载力相比小了20%左右,有较大程度的折减。通过拉拔试验,得到了拉拔力与钢混界面脱开量实测曲线,结果表明试件均是由于混凝土剪切失效而宣告破坏,剪力钉群均未破坏,因此剪力钉在混凝土中需设置足够的锚固长度,防止剪力钉群在达到极限抗剪承载力之前被拉拔出混凝土块。     

带栓钉钢板与外包混凝土剪力墙共同工作性能研究

为研究带栓钉抗剪键钢板在混凝土剪力墙中的锚固性能,进行了18个配置列阵栓钉抗剪键的内藏钢板混凝土墙板试件在单调连续加载下的推出钢板试验研究.试件设计中考虑了栓钉的直径、长度和数量,混凝土墙体厚度,钢板厚度,墙体分布钢筋配筋率等参数.在试验基础上,分析了钢板与外包混凝土之间的抗剪切极限荷载和滑移、钢板及栓钉应变、试件破坏形态等,研究了此类墙板的受力特点与破坏模式以及栓钉配置方式对墙板协调工作性能的影响.试验研究表明:在栓钉抗剪键面积一定的情况下,采用较小直径栓钉并加密栓钉的列阵布置可明显提高墙体的抗剪切承载力,在一定条件下钢板厚度的变化对承载力影响较小,内藏钢板剪力墙墙板应满足一定的厚度要求,栓钉的栓杆长径比λ应大于等于4.提出了适于内藏钢板混凝土剪力墙体设置列阵栓钉抗剪键的抗剪切承载力简化计算方法.     

装配式槽钢组合梁中开孔钢板连接件力学性能

为研究新型装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中开孔钢板剪力连接件(PSP剪力连接件)的力学性能,设计7组标准试件并开展推出试验,对比分析不同参数PSP剪力连接件的受剪承载力和破坏模式。利用ABAQUS非线性有限元模型对PSP剪力连接件的破坏模式和受力机制进行数值模拟,并与试验结果对比验证计算结果的可靠性。在此基础上,进一步分析开孔钢板厚度、开孔直径、混凝土强度、穿孔钢筋及连接件间距对PSP剪力连接件力学性能的影响。结果表明：除10 mm厚度的PSP剪力连接件外,所有4 mm与6 mm厚度的PSP剪力连接件均发生明显弯曲变形,试件破坏时连接件周围混凝土均出现斜向裂缝;开孔直径和穿孔钢筋对受剪承载力和抗剪刚度影响较小,而增加开孔钢板厚度、混凝土强度能提高剪力连接件受剪承载力和抗剪刚度;对于双排PSP剪力连接件,增大连接件间距能够显著提高单排PSP剪力连接件平均承载力,当间距为250 mm时,单排平均承载力达到单个PSP剪力连接件的91.2%。根据试验及有限元荷载滑移曲线提出装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中单个PSP连接件荷载滑移曲线计算公式,为装配式双拼槽钢混组合梁的设计提供参考。     

PBL与PZ型剪力连接件抗拉拔性能试验

本文采用12个PBL和3个PZ型剪力连接件试件,通过一套自主设计的单调加载装置,进行了极限抗拉拔承载力、相对位移、剪力键应变和破坏模式的测试试验,比较了开孔大小、埋置深度以及剪力键类型对试件极限抗拉拔承载力、初始开裂荷载和破坏模式的影响;并根据试验结果拟合了PBL剪力键极限抗拉拔承载力的计算公式。研究结果表明：加大孔径能直接提高PBL剪力键的极限抗拉拔承载力,当孔径由0mm增长到30mm,极限抗拉拔承载力增长率最大可达34.5%;埋置深度的增加较孔径能更显著地提升剪力键的极限抗拉拔承载力,当埋深由110mm增长至225mm,PBL和PZ型剪力连接件对应的极限抗拉拔承载力的增长率可分别达到224%和165%;PZ型剪力连接件较相同埋深的PBL剪力键有更大的极限抗拉拔承载力,同时由于其良好的疲劳性能,不同几何尺寸和构造的PZ型剪力连接件力学性能的研究工作有待进一步开展。     

钢-UHPC组合结构新型剪力件的抗剪性能

为了解决钢-UHPC组合桥面板因UHPC层较薄导致剪力件高度受限、施工难度大、抗剪强度和刚度不足等问题,提出弧形钢筋、栓钉+弧形钢筋2种新型剪力连接方式. 考虑剪力件直径的影响,设计7组共14个推出试件,通过与栓钉剪力件对比分析,研究剪力件的抗剪性能及承载力. 结果表明：3种剪力件的破坏形态及破坏机理、荷载?滑移曲线变化规律区别明显. 弧形钢筋剪力件的延性和刚度均优于另外2种剪力件,且与直径呈线性关系. 基于线性回归分析,给出考虑栓钉周围楔形块对栓钉剪力件抗剪贡献的承载力计算公式、考虑弧形钢筋和其内部UHPC共同抗剪的承载力计算经验公式,计算结果与试验值较吻合.     

采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的抗弯性能

为提高钢-UHPC组合结构的延性,本文提出一种采用装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板。设计并完成了不同抗剪连接程度的组合板的抗弯性能试验,分析了组合板试件破坏形态、极限承载力、刚度、裂缝发展规律和板端滑移,并与采用焊接栓钉的钢-UHPC组合板进行了对比分析,讨论了组合板试件的可拆卸性,最后对其极限抗弯承载力和抗弯刚度进行了理论分析并推导了计算公式。结果表明：装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板破坏模式为纵向水平剪切黏结破坏;降低栓钉间距能提高组合板的协同变形能力,从而提高组合板结构的极限承载力、弹塑性阶段的刚度和裂缝控制能力;与采用焊接栓钉连接的钢-UHPC组合板对比,其在发生较大变形的情况下钢板和UHPC板仍然可较容易地拆卸分离;推导了装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板的极限承载力计算方法和抗弯刚度计算公式,提出了抗弯刚度计算时应对UHPC板高度进行折减,折减系数(β_U)在正常使用阶段建议为0.85,理论计算结果与试验结果吻合良好。本文研究成果可为采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的设计和应用提供理论依据。     

装配式墙与梁平面内连接节点抗震性能

目的研究装配式墙梁平面内梁端节点在反复加载时的抗震性能,为预制装配式混凝土节点的实际工程应用提供依据.方法设计了2个装配式剪力墙与梁平面内连接试件和1个现浇剪力墙与梁平面内连接试件,对试件进行拟静力实验,对比两种节点在低周往复加载形式下的破坏模式.结果各个试件的开裂、屈服、破坏过程基本相同.与现浇试件相比较,由于装配式试件在制作时在新老混凝土结合面未做特殊处理,导致装配式试件的各阶段承载力略小于现浇试件.与现浇试件相比较,两个装配式试件的位移延性系数均比现浇试件小,但相差均不超过11%.结论按照现浇试件配筋及尺寸制作的装配式试件能够达到与现浇试件相近的承载力、延性以及抗震耗能能力.     

Effect of Different Connectors on Concrete Composite Box-Girders with Corrugated Steel Webs

不同剪力连接键对波形钢腹板PC组合梁力学性能影响

逯彦秋^1,2

(1.北京首都公路发展集团有限公司, 北京 100161;

2.清华大学 土木工程系,北京 100084)

创新点说明：

首次提出并通过实验方法研究了PBL剪力连接键、栓钉剪力连接键对波形钢腹板PC组合梁极限承载力、抗弯刚度、抗裂性、预应力导入效率的影响;

研究目的：

为明确波形钢腹板PC组合梁常用的两种剪力连接键（即PBL剪力键、栓钉剪力键）对波形钢腹板组合梁极限承载力、刚度、抗裂性及预应力导入效率等力学性能的影响,从而为该类型梁设计中正确选择合适的剪力连接键提供技术支持。

研究方：

采用实验结合有限元方法

结果：

PBL剪力键在提高波形钢腹板PC组合梁的极限承载力、抗弯刚度、抗裂性等反面优于栓钉剪力键,但是在梁的预应力导入效率方面不如栓钉剪力键。

结论：

在波形钢腹板PC组合梁设计中应根据梁的不同受力特点选择不同的剪力连接键,不可主观臆断地选择剪力连接键,为该类型桥梁留下安全隐患。

关键词：栓钉; PBL剪力键;极限承载力;预应力导入效率;抗弯刚度;抗裂特性

     

装配式混凝土U型钢筋环扣的连接长度

为研究装配式混凝土U型钢筋环扣连接的搭接长度,制作了1个现浇梁柱节点试件和3个不同搭接长度的U型钢筋环扣连接节点对比试件,进行低周反复拟静力试验,观察各试件的破坏模式,研究其滞回性能、承载力、变形能力及钢筋的应力发展过程,分析装配式混凝土U型钢筋环扣连接的合理搭接长度。结果表明：装配式节点试件承载力高于现浇节点试件;不同搭接长度试件的延性及耗能能力有所不同,搭接长度的增长有利于试件承载力、延性和耗能能力等抗震性能的提升;基于试验结果,拟合回归了U型钢筋环扣连接的合理搭接长度,对装配式混凝土U型钢筋环扣连接节点的优化设计提出了建议。     

Twin-PBL剪力键承载力影响因素及破坏形态

为研究波纹钢腹板PC组合箱梁中所使用的Twin-PBL剪力键的抗剪承载能力,明确剪力键与混凝土之间在加载全过程中的变形协调关系,采用静载推出试验方法,完成了4组8个Twin-PBL剪力键试件的试验研究。结果表明,当开孔钢板孔径为30mm时,随着贯穿钢筋直径从14mm增大至16mm,剪力键的抗剪承载能力有显著提高;当贯穿钢筋直径为16mm时,随着开孔孔径从30mm减少至20mm,剪力键的抗剪承载能力明显下降;开孔钢板厚度对剪力键的抗剪承载能力影响不大。各试件的荷载-滑移趋势具有相似性,且表现出良好的延性,剪力键开孔钢板的孔间传力符合加载受力的传递机理。通过国内外学者推荐的承载力公式计算值与此次试验的实测值对比,发现部分推荐公式高估了Twin-PBL剪力键的承载能力。因此,提出了一个新的抗剪承载力计算公式,能够为剪力键的设计安全性提供理论参考。     

铝合金板-混凝土界面粘结-滑移性能双面剪切试验研究

铝合金板具有强度高、耐蚀性及延性好等优点,可用于潮湿、高寒等复杂恶劣环境中混凝土结构的加固,但铝合金板-混凝土的界面性能是影响铝合金板加固混凝土结构效果的关键。进行48个铝合金板-混凝土试件的界面双剪试验,分析铝合金板厚度、铝合金板粘结长度及结构胶种类对界面破坏机理、剥离承载力、粘结剪应力及滑移演化规律的影响。结果表明：增加铝合金板厚度、铝合金板粘结长度以及采用低弹性模量的结构胶能有效提高界面的剥离承载力,但铝合金板粘结长度应控制在有效粘结长度范围内;试件的滑移量随着粘结长度的增加而增大,且铝合金板越厚,试件的滑移量越小。将双直线模型、双曲线模型、Nakaba模型计算结果与试验结果进行对比分析,Nakaba模型与铝合金板-混凝土粘结滑移曲线整体吻合较好。     

铝合金板混凝土界面的粘结滑移性能及其本构关系

铝合金板具有轻质高强、耐腐蚀性和延展性好等优点,是复杂恶劣环境中加固混凝土结构的理想材料。基于双剪试验进行铝合金混凝土界面粘结滑移性能研究,完成了45个构件的双面纯剪试验,得到了其破坏形态、荷载应变关系曲线、粘结界面剪应力分布曲线、荷载滑移关系曲线以及界面极限承载力,分析了不同的混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度条件下界面粘结滑移性能的演化规律。研究表明：加载过程中,界面应力从加载端向自由端逐步传递,且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加,试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金的粘结长度存在一个有效粘结长度值,超过该值试件的剥离承载力将不再增加,同时,铝合金表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。通过测量铝合金板的应变得到了不同参数条件下铝合金板混凝土粘结滑移本构曲线,结果表明：铝合金板混凝土粘结滑移本构曲线存在明显的界面软化特征和非线性行为。     

ECC-XPS夹心复合墙板界面黏结性能试验

因建筑外围护结构面层开裂脱落导致保温隔热性能下降,从而引起建筑能耗大等问题已经受到了广泛关注,并且现存的外墙保温方法难以保证墙体具有与建筑同样的寿命。基于此,本文提出了一种以工程水泥基复合材料（ECC）作为饰面层和结构层、挤塑聚苯乙烯（XPS）保温板作为保温层的夹心复合墙板,并对其进行了双面剪切试验。在此基础上,分析各类试件的破坏模式,研究制作方式、保温层厚度、连接件及玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）连接件角度对ECC-XPS夹心复合墙板界面黏结性能的影响。结果表明：预制试件的黏结性能最差,约为现浇试件的1/3;随着保温层厚度的增加,试件的抗剪承载力和延性降低,并且试件的厚度越大,其抗剪承载力和延性降低的幅度越大;连接件的存在能够有效提高试件的抗剪承载力和延性,还会改变试件的破坏模式;减小连接件的嵌入角度有助于增大试件的抗剪承载力,但会降低试件的延性,还会导致破坏模式发生改变。为了评估ECC-XPS夹心保温墙板达到峰值荷载后的耗能能力,对各类试件进行了韧性分析,发现在墙板中设置一定的连接件能够有效提高试件的耗能能力,并且设置90°连接件对耗能能力的提升最明显,同时预制试件的耗能能力最差。根据试验结果对抗剪承载力计算公式进行修正。研究为ECC-XPS夹心复合墙板在实际工程中的应用奠定了基础。     

木-混凝土连接性能试验研究

目的研究木与混凝土间粘结作用,为木-混凝土组合结构的研究奠定前期基础．方法根据设置于木材表面抗剪连接件的形式及抗剪连接件数量的不同设计制作了三组共计九根木与混凝土间抗剪连接件试件和一根无抗剪连接件的对比试件,采用推出试验方法对木材进行加载直至木与混凝土间发生滑移破坏．结果通过推出试验获得了木-混凝土推出荷载的大小、木材在混凝土中滑移量、木材表面抗剪连接件荷载作用下其应力变化等相关实验数据．结论抗剪连接件的存在能够明显抑制木材与混凝土间受力过程中的相对滑移,相对滑移量的减少与抗剪连接件数量成正比,同时也与抗剪连接件形式有关;加载过程中抗剪连接件所受应力与抗剪连接件形式有关,同时也与抗剪连接件距加载点距离有关;研究也表明：抗剪连接件的存在对木与混凝土间粘结力的提高无明显影响。     

竖向钢筋混合连接预制剪力墙抗震性能试验

为研究竖向钢筋采用新型混合连接(预制剪力墙边缘构件竖向钢筋采用复合直螺纹套筒连接,竖向分布钢筋采用环筋扣合连接)、端面为通长抗剪槽的预制剪力墙的抗震性能,完成了2个预制剪力墙试件及1个对比现浇剪力墙试件的拟静力试验.试件的剪跨比为1.91,按强剪弱弯设计.试验结果表明:预制墙试件的破坏形态与设计一致,为正截面受压破坏;试验结束时,套筒无可见裂纹,连接的钢筋未发生滑移;预制墙试件与现浇墙试件的抗震性能基本相同,预制墙的抗震性能满足现行规范要求;预制墙试件的正截面受压承载力不小于按现浇剪力墙计算的正截面受压承载力的1.1倍,可采用现行行业标准相关公式计算预制剪力墙的正截面受压承载力;位移角1/100时,预制墙试件与现浇墙试件的墙体变形基本相同,截面竖向变形基本符合平截面假定,水平结合面和竖向结合面均无明显错动,竖向结合面无明显张开,墙体预制与后浇部分有很好的整体性.     

FRP-混凝土组合桥面板单调静力性能的试验研究

采用抗剪连接件将FRP板与混凝土板连接起来共同承担外部荷载,即形成了FRP-混凝土组合桥面板.开展了采用FRP开孔板连接件和环氧树脂2种方式连接的FRP-混凝土组合桥面板的单调静力性能试验,重点对其破坏形态、承载力、变形、滑移等进行研究.研究结果表明:组合桥面板的破坏均以FRP板与混凝土板的连接界面破坏为标志;采用FRP开孔板连接件连接的组合桥面板,在FRP板与混凝土板界面处的滑移增量随荷载增大逐渐加大,最大滑移量为0.55 mm,而采用环氧树脂连接的组合板在整个加载过程几乎没有滑移;采用环氧树脂连接的桥面板比采用FRP开孔板连接件连接的桥面板的抗弯承载力高22%,极限跨中挠度比后者小13.4%,这主要是由于FRP开孔板连接件滑移较大所致.     

钢板-纤维增强混凝土组合双连梁抗震性能试验研究

为改善小跨高比钢筋混凝土连梁的抗震性能,考虑基体材料与钢板的影响。本文提出新型钢板-纤维增强混凝土组合双连梁,并对普通混凝土双连梁、内置钢板-混凝土组合双连梁和钢板-纤维增强混凝土组合双连梁试件进行了低周反复加载试验,对双连梁的破坏过程、破坏形态、承载能力、变形能力和耗能能力等进行研究。结果表明：除了普通混凝土双连梁试件发生剪切破坏之外,内置钢板-混凝土组合双连梁试件发生弯剪破坏,钢板-纤维增强混凝土组合双连梁试件发生延性较好的弯曲破坏;加入钢板后的钢板-组合双连梁试件在峰值点处的承载力相对普通混凝土双连梁提高将近1.56倍,与钢板-纤维增强混凝土试件峰值点处承载力相差不大,表明钢板的内置可以改善双连梁开缝引起的内力损伤,纤维的加入对组合双连梁承载力提高影响不大。在破坏点处,钢板-纤维增强混凝土组合双连梁试件的累积耗能分别是普通混凝土双连梁、内置钢板-混凝土组合双连梁试件的5.26和2.2倍,表现出较好的承载能力、变形能力和耗能能力。直到试件到达最终破坏时,钢板-纤维增强混凝土组合双连梁表面混凝土仍然保持完整,从而可以达到减小甚至避免了混凝土开裂破坏,减少震后修复费用,为组合双连梁的实际应用提供一定的理论基础。     

可循环使用全装配钢混凝土组合梁抗弯性能试验研究

研究了一种可循环使用的全装配钢混凝土组合梁,组合梁由预制混凝土楼板和钢梁通过新型剪力连接件(以下简称"紧固件")组合为一体,紧固件固定于预制楼板的钢导槽上,通过钢梁和预制楼板交界面的摩擦来传递两者之间的剪力.为研究此新型全装配钢混凝土组合梁在静荷载作用下的受弯性能,进行了6组足尺试件在简支条件下的四点弯曲试验.6组试件...     

半装配式再生混凝土低矮剪力墙抗震性能试验

为研究半装配式单排配筋混凝土剪力墙结构的抗震性能以及再生混凝土在预制剪力墙中的应用效果,设计了4个不同轴压比下工字形半装配式单排配筋普通混凝土和再生混凝土剪力墙试件,试件由底部带预留孔的上层预制剪力墙、带墩头竖向分布钢筋的基础梁、二者之间的坐浆层以及纵横墙交接处的现浇暗柱组成,基础梁顶部伸出的单排竖向墩头钢筋伸入上层预制墙体底部的预留孔中,采用灌浆锚固的方法连接,并进行了低周反复荷载试验,分析了各个试件的破坏特征、承载力、刚度以及耗能等.结果表明:在水平荷载作用下,预制剪力墙与基础梁之间的连接部位出现水平通缝并产生较小滑移,墙身分布着X形交叉斜裂缝;随着轴压比的增大,试件的承载力提高,但延性较差;再生混凝土试件的破坏形态和受力性能与普通混凝土试件相近,再生混凝土可用于工厂预制的结构构件中;半装配式单排配筋混凝土剪力墙构造简单、施工方便,且抗震性能良好,可用于低多层剪力墙结构中.     

深基坑钢支撑施加预加轴力的合理数值分析

为了研究基坑工程中钢楔式活络端的力学性能,在北京市抽取4件钢楔式活络端,分3组在实验室进行轴向静力加载试验,得到4件活络端的承载性能、应力分布情况和破坏形态.基于试验结果,分析活络端的力学性能和应力分布的演变过程.结果表明：1）同一组活络端,单面楔时的屈服荷载和刚度低于子母楔时的屈服荷载和刚度,3组活络端屈服荷载和刚度有很大差别,不利于钢楔式活络端的品质控制;2）单厢式活络端的的最大应变发生在活动端与钢楔接触位置处,固定端应变很小,固定端最大应变值约为活动端最大应变值的1/50,约为钢楔处最大应变值的1/40;双厢式活络端的最大应变发生在活动端的箱体侧壁;3）单厢式活络端与双厢式活络端的破坏形态是截然不同的,单厢式活络端的破坏形态主要表现为中肋板与槽钢间的焊缝受剪力发生撕裂破坏,而双厢式活络端的破坏形态主要表现为侧壁失稳破坏及活动端底部屈服.