高强度钢材螺栓连接抗剪性能试验研究

近年来高强度钢材在工程中得到了逐步推广和应用,尤其是Q460强度等级的高强度钢材。但是目前各国规范都尚未对高强度钢材螺栓连接设计方法做出具体规定,仍沿用普通强度钢材的设计方法。因此,需对端距、边距和螺栓间距等几何构造对高强度钢材螺栓抗剪连接性能的影响进行深入的试验研究。针对10,12 mm厚的Q460强度等级的高强度钢材进行螺栓抗剪连接试验,通过改变两个10.9级M27高强度螺栓的几何布置,研究不同端距、边距和螺栓间距情况下,高强度钢材的承压性能的变化情况。由试验可以观察到螺栓抗剪连接的3种不同的破坏模式:端部撕裂、孔壁拉长和板净截面拉断。同时还将试验得到的极限承载力与欧洲和美国钢结构设计规范设计值进行比较。结果发现,现有规范并不能很好地预测高强度钢材螺栓抗剪连接的破坏模式和极限强度,建议更深入地进行参数分析以完善规范设计方法。     

加锚节理面抗剪性能研究

本文通过室内模拟试验和理论分析,着重探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响,以及杆体阻止节理面发生相对错动的“销钉”作用机制,提出改进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。试验结果表明:加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增加而增大。试验和理论分析都表明,即使不大的剪切位移就已使杆体的抗剪作用得到充分发挥。试验研究还充分显示出锚杆倾角对加锚节理面抗剪强度的重大影响。 本文在给出了用于描述加锚节理面抗剪性能的分析模型和理论分析方法的基础上,导出了计算锚杆最佳安装角的公式。用此算式求得的最佳安装角与实验结果十分吻合。本文还分析了当前在有限元分析中经常使用的一些锚杆单元模型的不足之处,并指出了改进的方向。     

A review on the performance of conventional and energy-absorbing rockbolts

This is a review paper on the performances of both conventional and energy-absorbing rockbolts manifested in laboratory tests. Characteristic parameters such as ultimate load, displacement and energy absorption are reported, in addition to load-displacement graphs for every type of rockbolt. Conventional rockbolts refer to mechanical rockbolts, fully-grouted rebars and frictional rockbolts. According to the test results, under static pull loading a mechanical rockbolt usually fails at the plate; a fully-grouted rebar bolt fails in the bolt shank at an ultimate load equal to the strength of the steel after a small amount of displacement; and a frictional rockbolt is subjected to large displacement at a low yield load. Under shear loading, all types of bolts fail in the shank. Energy-absorbing rockbolts are developed aiming to combat instability problems in burst-prone and squeezing rock conditions. They absorb deformation energy either through ploughing/slippage at predefined load levels or through stretching of the steel bolt. An energy-absorbing rockbolt can carry a high load and also accommodate significant rock displacement, and thus its energy-absorbing capacity is high. The test results show that the energy absorption of the energy-absorbing bolts is much larger than that of all conventional bolts. The dynamic load capacity is smaller than the static load capacity for the energy-absorbing bolts displacing based on ploughing/slippage while they are approximately the same for the D-Bolt that displaces based on steel stretching.     

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型

 现有锚固理论不能反映节理岩体锚固的内在力学机制。基于节理岩体全长黏结型锚杆锚固的地质变形特征,根据加锚节理岩体超静定梁模型,将超静定梁转化为受到挤压分布力、轴力和剪切力共同作用的静定梁模型,探讨拉剪作用下节理岩体锚固的受力与变形的演化规律。基于结构力学理论,考虑锚杆横向剪切变形段荷载与变形的内在物理关系、位移相互协调关系以及由能量原理导出的平衡关系,建立拉剪作用下节理岩体锚固的力学分析模型,进一步提出拉剪荷载作用下的节理面一侧锚杆横向剪切变形段长度的计算方法。研究表明,加锚节理岩体受锚杆轴向拉力和销钉效应共同作用,节理面处锚杆轴力和剪力呈抛物线耦合关系;锚固角越大,锚杆销钉效应越显著。节理面一侧锚杆横向剪切变形段的长度随锚固角的增加而增大,但锚杆抗力随锚固角的增加而降低。与试验数据的对比分析表明,理论模型的计算结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的合理性。研究结果可为节理岩体锚固研究及工程应用提供参考。     

螺栓连接全装配式一字形RC剪力墙受力性能试验研究

采用高强度螺栓和连接钢框连接上下层预制钢筋混凝土（RC）墙板,形成一字形全装配式剪力墙。为了研究该全装配式剪力墙的基本力学性能及水平接缝的工作机制,以连接钢框的翼板厚度及高强度螺栓的公称直径及预拉力为参数,制作3个试件,进行了单调加载试验,对试件的水平荷载－侧移曲线及其特征点、钢筋应变、连接钢框与内嵌边框之间的相对滑移以及连接钢框的应变分布进行了分析。试验结果表明：采用螺栓连接的全装配式剪力墙具有较好的延性性能;减小高强度的螺栓直径及预拉力会使水平接缝内的相对滑移增大;减小连接钢框的翼板厚度会使连接钢框中的应力增加;连接钢框受压区的正应力远大于受拉区,受拉区与受压区分界点的位置与预制墙板基本一致。在试验的基础上,分析了水平接缝的工作机制。分析表明：摩擦作用、销栓作用是受拉区水平接缝传递荷载的主要方式;受压区水平接缝的工作机制与连接件之间的初始空隙有关,摩擦作用、销栓作用以及顶紧挤压作用是受压区水平接缝传递荷载的主要方式。     

裂隙岩体弹塑性损伤本构模型及其加锚计算(英文)

根据裂隙岩体的弹塑性损伤变形机制，建立了断续多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。在此基础上，建立了空间损伤岩锚柱单元模型，模拟锚杆对断续裂隙岩体的支护效果。最后，将建立的模型应用于三峡船闸高边坡，进行了边坡加锚裂隙岩体三维非线性有限元计算，获得了较为满意的结果。     

含交叉裂隙节理岩体锚固效应及破坏模式

 用相似材料制作含交叉裂隙岩体无锚及加锚试件,以主次裂隙之间角度、锚固位置及锚杆与加载方向之间角度为变化参数制作32组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究含交叉裂隙节理岩体的锚固效应及破坏模式。研究表明：在主、次裂隙位置不变的情况下,锚固位置在裂隙交叉点上方或下方时能得到锚固强度最大值,当锚固位置通过裂隙交叉点时,锚固强度不是最大值,但此时锚后试件峰值强度最稳定;大部分含交叉裂隙加锚岩体强度高于含单一裂隙加锚岩体;主、次裂隙夹角影响节理岩体加锚后力学性能,主、次裂隙夹角为30°左右时节理岩体锚固效果最好;锚杆增强了含交叉裂隙节理岩体抵抗裂隙扩展的能力,降低了含交叉裂隙节理岩体劈裂破坏出现的突然性。     

循环荷载作用下层状节理岩体锚固效果的物理模拟研究

运用物理模拟方法，研究了在循环荷载作用下层状节理岩体非锚固与锚固模型的弹性模量E随岩体分层厚度h和块度α(岩块体积的立方根)的变化规律。试验的16个模型是层状和层状节理岩体非锚固与锚固模型各4个。得出的结论是：层状与层状节理岩体非锚固模型的E随h或α呈指数规律变化。层状与层状节理岩体，在第1加载循环时E随h或α呈对数规律变化：在循环加载时E随h或α呈线性规律变化。在非锚固条件下，岩体发生由表及里的层裂破坏，而锚固使层裂破坏得到了有效控制，模型破裂后仍具有良好的整体承载性能。岩体的h和α越小，锚固效果越好。高应力条件下对层状与层状节理岩体的锚固必须强调各锚固件的强度和锚杆的预紧力。     

高性能耐火钢高强度螺栓接头高温受剪性能试验研究

为促进高性能耐火钢材设计理论发展与工程应用,对采用不同型号高强度螺栓的10个高强度螺栓连接接头进行了不同温度条件下的受剪试验,其中包含4个采用普通高强度螺栓的连接接头以及6个采用BFRW10耐火高强度螺栓的连接接头,连接板均采用WGJ高性能耐火钢.试验研究了常温下螺栓接头的摩擦面抗滑移系数、不同温度下螺栓接头的荷载-位...     

不同锚固角加锚无摩擦节理面剪切试验研究

为进一步阐明锚固角对锚固节理抗剪作用的影响,开展了无摩擦锚固节理双面剪切试验。对比不同锚固角情况下锚固节理的抗剪强度,分析锚固角对锚固节理抗剪性能的影响。试验采用应变片测量节理岩体中锚杆在节理面位置处的轴力,研究锚固节理在剪切荷载作用下锚杆的轴力变化规律以及变形特性。试验结果表明,锚固角增大,锚固节理极限荷载、屈服荷载以及抗剪刚度先逐渐增大后逐渐减小,在锚固角为60°时达到最大值;不同锚固角锚杆最终破坏模式不同,锚固角较小时,锚杆发生拉剪破坏;锚固角较大时,锚杆发生拉弯破坏;试验也发现,剪切位移较小时,锚杆的抗剪作用就已经充分发挥。     

3D Behaviour of bolted rock joints: experimental and numerical study

Rock bolting is the most effective and also the most economical means of supporting excavations in rock. Various types of bolts are used today, and an understanding of the way in which these bolts work is essential for an optimal, safe, and economical use. Fully grouted, untensioned bolts have been commonly used in rock mechanics (i.e., mines, rock fall stabilisation, underground works) for many years. In the 1980s a new type of bolt, called Swellex, was developed, becoming more and more widespread because of their easy and fast installation. However, regardless of the type, the mechanical behaviour of the bolted rock joint is not fully understood, and only the experience accumulated on rock bolting gives the know-how for the reinforcement calculation and execution. In this paper the different mechanical responses of full steel bars as opposed to the frictional Swellex are discussed. The study was done through experimental tests coupled with numerical simulations. The analysis of the results obtained both from finite element (FEM) modelling, and from large-scale (1:1) shear tests on rock joints, reinforced with fully grouted rods and Swellex bolts, clearly shows that the two bolt types deform in dissimilar ways, responding very differently to shear load.     

Q460高强钢螺栓连接承载性能试验研究

通过对20个Q460高强钢螺栓连接的静力拉伸试验,研究高强钢材料强度和螺栓布置方式对连接承载力和变形的影响。根据力平衡和变形协调条件建立方程,理论分析高强度钢材螺栓连接的受力性能,考察相关规范的适用性。结果表明：螺栓横向布置时,试件的承载力和变形随间距增大而增大;边距由1.5d0增大到2d0,端距由2d0增大到2.5d0时,试件极限承载力仅提高了0.78%和2.37%,说明达到标准构造取值后,边距和端距增大对连接的承载力影响甚微。螺栓纵向布置时,试件的承载力仅随边距增大呈线性增大趋势。钢板承压强度设计值取1.26fu,对于Q460高强度钢材其取值偏小。为国产高强度钢材螺栓连接的设计理论和方法提供了科学依据。     

Laboratory investigation into effect of bolt profiles on shear behaviors of bolt-grout interface under constant normal stiffness (CNS) conditions

Rock bolts have been widely used for stabilizing rock mass in geotechnical engineering. It is acknowledged that the bolt profiles have a sound influence on the support effect of the rock bolting system. Previous studies have proposed some optimal rib parameters (e.g. rib spacing); unfortunately, the interface shear behaviors are generally ignored. Therefore, determination of radial stress and radial displacement on the bolt-grout interface using traditional pull-out tests is not possible. The load-bearing capacity and deformation capacity vary as bolt profiles differ, suggesting that the support effect of the bolting system can be enhanced by optimizing bolt profiles. The aim of this study is to investigate the effects of bolt profiles (with/without ribs, rib spacing, and rib height) on the shear behaviors between the rock bolt and grout material using direct shear tests. Thereby, systematic interfacial shear tests with different bolt profiles were performed under both constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS) boundary conditions. The results suggested that rib spacing has a more marked influence on the interface shear behavior than rib height does, in particular at the post-yield stage. The results could facilitate our understanding of bolt-grout interface shear behavior under CNS conditions, and optimize selection of rock bolts under in situ rock conditions.     

节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明:所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。     

基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算(英文)

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型，给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式，得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线，试验验证了理论方法的有效性。     

Calculation of complete curve of shear resistance for bolted rock joints based on large deformation analysis（基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算）

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型,给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式,得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线,试验验证了理论方法的有效性.     

Q690高强钢端板连接梁柱节点抗震性能试验研究

对3个齐平式端板螺栓连接节点试件进行低周反复荷载试验,其中1个为普通钢端板节点试件,另2个为Q690高强钢端板节点试件。通过改变端板和柱的尺寸与材料,得到普通钢与高强钢端板节点、刚性柱和非刚性柱节点的性能差别,并与欧洲规范EC3的计算结果进行对比。结果表明：Q690高强钢端板节点的受弯承载能力比Q345钢端板节点高30%,但因其端板弹性变形能力较强,易于导致螺栓破坏,因此,需提高螺栓的承载力以提高其延性;刚性柱节点的受弯承载能力与非刚性柱节点基本相同,但其转动能力、延性、耗能能力等抗震性能明显优于非刚性柱节点;EC3组件法普通钢节点承载能力的预测公式可直接用于高强钢端板节点,但转动刚度及破坏模式的预测方法并不适用于高强钢端板节点。     

预应力锚杆作用机制研究

针对预应力锚杆作用机制研究方面存在的问题，根据弹性理论轴对称问题的基本理论和方法，在引入锚杆影响范围内岩体平均轴向应力（平均轴向应变）假设的条件下，推导锚杆在完全黏结条件下界面剪应力分布公式；以此为基础，在考虑界面本构关系情况下，研究界面脱黏段的剪应力分布及脱黏段长度，阐述预应力锚杆的荷载传递特性，从而为预应力锚杆设计提供理论依据。     

可拆卸组合梁剪力连接件抗剪性能数值分析

为避免传统螺栓剪力连接方式的缺陷,提出了一种用于可拆卸组合梁的新型插块式螺栓剪力连接件。以螺栓直径、缩颈杆段长度、插块材料和插块尺寸为研究参数,共设计了9个静力推出试件,研究了插块式螺栓剪力连接件的抗剪性能。以推出试件为原型,建立ABAQUS有限元分析模型进行数值分析,并通过试验进行验证。结果表明:插块式螺栓剪力连接件的荷载-滑移曲线呈现出预期的明显二次刚度特性,具有良好的剪切滑移延性; 破坏模式为预设的缩颈杆段区段内的螺栓发生剪断,而此时预制混凝土板和钢梁无明显损伤; 增大螺栓直径可以显著提高连接件的抗剪承载力和抗剪刚度; 增加缩颈杆段长度可以提高连接件延性变形能力,但会降低连接件屈服抗剪承载力和抗剪刚度,对极限抗剪承载力则无显著影响; 相比于普通混凝土和高强砂浆,使用超高性能混凝土作为插块材料使得插块式螺栓剪力连接件的抗剪承载力和抗剪刚度均得到了提高; 插块尺寸对连接件力学性能没有明显影响,但螺栓缩颈杆段和混凝土板预留孔孔壁之间应确保螺栓有足够的剪切滑移变形空间。