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。     

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。     

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。     

栓钉连接件时变受剪承载力对组合梁施工阶段受力性能的影响

为了对钢-混凝土组合梁施工阶段的受力性能进行准确分析,针对我国常用的隔板式组合梁,通过推出试验研究栓钉连接件受剪承载力随混凝土龄期的变化规律,采用ANSYS有限元分析软件分析栓钉连接件时变受剪承载力对某连续曲线组合梁施工阶段受力性能的影响。分析结果表明：在混凝土龄期很短时栓钉连接件就具有一定的受剪承载力和抗剪刚度,且早期增长快,后期增长慢;混凝土板分段浇筑时组合梁的应力和变形随浇筑时间间隔的增加逐渐减小,在本文实例中,与不考虑浇筑过程中混凝土与钢梁的组合作用时相比,浇筑时间间隔为6 h的组合梁径向变形减小26.5%;与考虑28 d龄期混凝土与钢梁的组合作用时相比,浇筑时间间隔为3 d的组合梁切向应力增大14.2%。因此,当组合梁混凝土板浇筑时间间隔在6 h至3 d之内时,均应采用栓钉连接件的时变受剪承载力来分析浇筑过程中混凝土与钢梁的时变组合作用对组合梁施工阶段受力性能的影响。     

自密实钢纤维细石混凝土-钢组合桥面结构的短栓钉抗剪性能试验研究

研究自密实高强钢纤维混凝土（HSFC）-钢组合桥面结构中短栓钉连接件的抗剪性能,通过对14个栓钉连接件进行推出试验,讨论了栓钉直径、保护层厚度和配筋的影响,并对破坏模式和力学性能进行分析,提出荷载-滑移曲线预测式,并给出自密实HSFC-钢组合桥面结构设计建议。结果表明：（1）使用HSFC代替普通混凝土后,推出试件破坏模式由混凝土压碎转变为栓钉剪断破坏,短栓钉抗剪强度提高了39.1%;(2)当HSFC中栓钉长径比和保护层厚度不满足现行规范要求时,仍可实现混凝土和钢板的优良协同作用;（3）栓钉直径的增大可以显著提高栓钉的抗剪强度,但HSFC混凝土板厚度对栓钉的抗剪性能影响并不明显。     

焊缝形态对栓钉抗剪承载力的影响

采用推出试验分析和有限元模拟结合的方法,通过试验测试和有限元参数分析,研究栓钉受剪加载全过程和焊缝形态对栓钉抗剪承载力的影响。研究结果表明:试件的破坏模式为栓钉断裂,断裂前试件经历了显著的弹性和塑性变化过程;焊缝对栓钉的抗剪承载力有显著提高,试验测试值为公路桥梁现行设计标准规定计算值的1.59倍;采用角焊缝围焊的栓钉,当焊缝尺寸控制在合理范围内时,栓钉的抗剪承载力随焊缝高度线性增大;采用瓷环成形的栓钉,焊缝高度h与直径D的比值不宜大于0.42,在此限值范围内,栓钉抗剪承载力随焊缝高度和直径线性增大;有限元模拟时需考虑焊缝形态的影响,否则会降低栓钉的抗剪承载力。     

钢-混凝土组合结构新型双钉头型栓钉剪力连接件抗剪承载力研究

以钢-混凝土组合梁中普遍采用的栓钉剪力连接件为研究对象,针对普通单钉头栓钉连接件存在根部相对薄弱、抗剪能力较差、连接容易过早失效的缺点,提出了一种新型双钉头型栓钉剪力连接件形式,并进行了推出试验有限元模拟分析,在此基础上讨论了影响新型栓钉连接件抗剪承载力的主要因素,最后结合有关规范公式提出了设计建议。研究表明:新型双钉头型栓钉提高了连接件的抗剪极限承载力(与传统栓钉相比,承载力可提高约10%),减小了钢梁与混凝土板的相对滑移,提高了二者的共同工作能力。下钉头直径是影响新型栓钉连接件抗剪性能的主要因素,工程应用时可取栓钉下钉头直径为其杆身直径的1.2~1.3倍,此时连接件极限承载力较高,抗剪工作性能亦较好。当按照我国现行钢结构规范设计采用新型栓钉连接件的钢-混凝土组合梁时,可对单个栓钉连接件的抗剪承载力计算值乘以1.3增大系数。与采用传统栓钉的组合梁相比,采用新型栓钉的钢-混凝土组合梁初期刚度与前者基本相同,但后期会有约12%~20%的明显提高。由于新型栓钉的滑移较小,使混凝土板和钢梁共同工作效果提高。     

胶合木-混凝土组合梁斜向螺钉连接件受剪性能研究

为研究斜向螺钉连接件在胶合木-混凝土组合梁中的受剪性能，对8组24个采用斜向螺钉连接件的胶合木-混凝土组合试件进行了推出试验，分析了嵌入方式和嵌入角度对螺钉连接件的破坏模式、荷载-滑移特性和受剪性能的影响。研究结果表明：沿剪力方向单向倾斜螺钉连接件的破坏模式主要为螺钉单铰弯曲破坏和螺钉双铰弯曲破坏；斜交螺钉连接件的破坏模式主要为受压剪作用螺钉的周围混凝土锥体破坏和受拉剪作用螺钉拔出破坏；随着斜向螺钉连接件与界面夹角逐渐增大，螺钉连接件的受剪承载力和抗剪刚度逐渐减小；沿剪力方向45°单向倾斜螺钉连接件的受剪承载力和抗剪刚度较垂直嵌入木梁的螺钉连接件的受剪承载力和抗剪刚度分别提高了21.8%和51.6%；±45°斜交螺钉连接件的受剪承载力与垂直嵌入木梁的螺钉连接件的受剪承载力相差不大，但其抗剪刚度较垂直嵌入木梁的螺钉连接件的抗剪刚度提高了76.6%。在试验研究的基础上，提出了胶合木-混凝土组合梁斜向螺钉连接件受剪承载力的计算方法，该公式的计算结果与试验结果吻合较好，并验证了现有抗剪刚度计算公式的适用性。     

橡胶–剪力钉组合剪力连接件力学性能试验

群钉由于受力不均匀性而造成其极限承载力下降,因此改善群钉的受力不均匀性十分有必要。本文选取环保的橡胶材料对剪力钉根部进行外包,形成橡胶–剪力钉组合剪力连接件,并进行了推出试验,对比分析了普通群钉试件和橡胶–剪力钉群试件的破环形态、极限承载力、荷载–滑移规律和剪切刚度等受力性能。结果表明:橡胶–剪力钉群试件破坏时具有更好的延性,呈弯剪破坏,橡胶–剪力钉群试件的极限抗剪承载力均大于普通剪力钉群的极限抗剪承载力;由于橡胶的设置,降低了剪力钉群的抗剪刚度,使得单枚剪力钉的受力趋于均匀。基于本次试验,结合群钉相关研究成果,推导了橡胶–剪力钉群中单个剪力钉的极限承载力公式,为该类橡胶–剪力钉组合剪力连接件中橡胶的设置和应用提供了试验和理论参考。     

集簇式栓钉抗剪承载力折减系数计算方法

为给装配式钢-混组合结构梁桥集簇式栓钉抗剪连接件的设计提供参考,深入研究了集簇式栓钉抗剪连接件的受力特性。采用ABAQUS有限元软件建立推出试验有限元模型,对群钉效应及其主要影响因素进行了有限元参数化分析,并给出综合考虑混凝土强度、栓钉排数、栓钉纵向间距影响的集簇式栓钉连接件抗剪承载力折减系数计算公式。结果表明:受到群钉效应的影响,集簇式栓钉连接件的单钉平均抗剪承载力有较大程度的折减并且钉群受力呈现明显的不均匀性; 随着混凝土强度的提高,φ22×200栓钉连接件抗剪承载力、抗剪刚度逐渐增大; 当栓钉排数从3排增加至7排时,群钉的单钉平均抗剪承载力以及栓钉抗剪承载力折减系数逐渐降低,同时钉群受力的不均匀程度大幅提升; 当栓钉纵向间距由4d(d为栓钉直径)增加至8d时,群钉的单钉平均抗剪承载力以及栓钉抗剪承载力折减系数呈现增大趋势; 提出的集簇式栓钉连接件抗剪承载力折减系数计算公式计算值与有限元值吻合良好,可以为装配式钢-混组合结构梁桥集簇式栓钉抗剪连接件的设计提供理论依据。     

Shear behavior of partially encased steel-concrete composite specimens under tension

为了研究型钢与部分外包混凝土的在拉力作用下的纵向剪力传递性能,对6个部分外包钢-混凝土组合构件进行了轴拉试验,对其破坏形态和荷载-滑移曲线进行了分析。试验中主要考虑了型钢与腹部混凝土的黏结长度、混凝土强度、栓钉连接件数量等影响因素。研究结果表明：部分外包钢-混凝土组合构件破坏形态主要表现为黏结破坏、混凝土压碎和栓钉剪断;轴拉试验和推出试验中无栓钉连接的部分外包型钢混凝土组合构件的黏结力均随着型钢与混凝土间的黏结长度的增加而增大;对于无栓钉和有栓钉组试件,轴拉试验和推出试验中型钢与混凝土间的受剪承载力均随着混凝土抗拉强度的增加而增大,且近似成线性关系;部分外包钢-混凝土组合构件的受剪承载力随栓钉数量的增加而增大;相较无栓钉组试件,采用2根栓钉连接和4根栓钉连接的轴拉试件,其受剪承载力分别可提高近100%和250%。     

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。     

剪力钉推出试验受力机理研究

剪力钉在钢-混凝土组合结构中传递剪力,调节钢与混凝土结构的受力分布,广泛应用于桥梁、高层建筑领域。由于计算和测试手段不足,以往对剪力钉受力机理的分析还仅限于对推出试验结果中的滑移量和破坏形式进行分析,规范中对剪力钉承载力的规定基本为以推出试验结果为主的经验公式。利用有限元软件通过合理的建模,对推出试件中剪力钉的细观应力场进行分析,结合推出试验结果,对剪力钉的受力机理进行细致分析。同时,通过变化参数对影响剪力钉性能的因素进行分析。     

Longitudinal shear test on steel-concrete composite beam with two rows of shear studs

为研究带双排栓钉的组合梁的纵向受剪性能,进行了7个带双排栓钉的钢-混凝土组合梁试件和1个带单排栓钉的钢-混凝土组合梁对比试件的纵向受剪试验。研究栓钉横向或纵向间距、横向配筋率、混凝土强度、栓钉排布方式等因素对带双排栓钉的钢-混凝土组合梁纵向受剪性能和混凝土板破坏形态的影响,并分析了各研究参数对峰值荷载和极限滑移量的影响。结果表明：带双排栓钉的钢-混凝土组合梁试件破坏模式主要表现为“八”字形裂缝的剪切破坏;栓钉横向、纵向间距、混凝土强度以及混凝土板配筋率是影响钢-混凝土组合梁受剪承载力的主要因素;受剪承载力均随着栓钉横向间距、纵向间距、混凝土强度以及混凝土板的横向配筋率的增加而增大。     

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。     

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。     

The influence of profiled sheeting thickness and shear connector’s position on strength and ductility of headed shear connector

A three-dimensional finite element model is developed, validated and used in the parametric study to investigate the influence of shear stud’s position and profiled sheeting thickness on the strength, ductility and failure modes of the headed shear stud welded to the modern profiled sheeting. A total of 240 push tests were analysed with different sheeting thicknesses, positions of the shear stud in the trough, concrete strengths and transverse spacings. The results showed that the sheeting thickness influenced the shear connector resistance of studs placed in the unfavourable position more than studs placed in favourable and central positions. The strength of the shear connector placed in the unfavourable position increased by as much as 30% when the sheeting thickness was increased. The shear connector resistance of the unfavourable stud was found to be primarily a function of the strength and the thickness of the profiled sheeting rather than the concrete strength. The strength prediction equations for unfavourable and central studs were also proposed. The results suggested that the strength of the shear connector increased as the distance of the shear stud increased from the mid-height of the deck rib in the load bearing direction of the stud. The load-slip behaviour of the studs in the unfavourable position was more ductile than the studs in the favourable position, with slip of 2-4 times higher. It was found that the increase in sheeting thickness and transverse spacing improved the ductility of the stud in unfavourable position, but had no effect on the stud in the favourable position. The failure modes suggested that the favourable and central studs failed by concrete cone failure and unfavourable studs failed by rib punching together with crushing of the narrow strip of the concrete in front of the stud.     

装配整体式混凝土梁受剪性能试验及有限元分析

梁构件是装配式结构的重要组成部分,为研究其受剪性能,对6个不同结合面形式、不同剪跨比的装配整体式混凝土梁和2个现浇混凝土梁试件进行简支梁静载试验,分析其裂缝发展和破坏形态、钢筋应力应变关系、跨中挠度、延性和抗剪承载力。结合试验,使用ABAQUS建模,对剪跨比和装配式结构结合面企口长度等因素进行拓展。试验结果及有限元分析表明:装配整体式混凝土梁能够达到普通现浇梁的强度,梁的承载力、延性得到提高;装配式梁剪跨比提高,极限承载力降低;结合面形式对极限承载力的影响与梁的破坏形态有关。