钢-超薄UHPC组合构件新型界面连接的抗剪性能

为实现预制UHPC薄板与钢构件的装配式连接、后期可拆卸等目标,以及针对钢-超薄超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)组合桥面体系中UHPC层过薄而无法采用常规抗剪连接件的问题,提出一种由预埋带垫加长套筒、高强螺栓连接组成的新型抗剪连接方式。开展了6组新型螺栓连接件的推出试验,包括5组高强螺栓和1组负泊松比螺栓连接件,分析了新型连接件的破坏形态及荷载-滑移曲线特征,研究了螺栓直径、螺栓长径比、螺栓种类等参数对极限滑移、抗剪刚度等力学性能的影响,研究结果表明：新型螺栓连接件的破坏形态均为螺栓杆被剪断,预埋带垫加长套筒底部的UHPC无损坏压溃现象;新型高强螺栓连接件的抗剪承载力、界面相对滑移随高强螺栓的直径增大而增大;高强螺栓连接件的抗剪承载力约为螺栓抗拉强度的55.8%,故建议在钢-UHPC组合构件中采用较大直径的高强螺栓连接件,有效减少抗剪连接件的数量;而负泊松比螺栓的抗剪承载力和抗剪刚度明显较小,但极限滑移却明显增大,表现出良好的延性,建议将负泊松比螺栓应用于钢-UHPC组合构件的负弯矩区段,避免负弯矩区段出现开裂。     

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。     

钢-超高性能混凝土组合板横向受弯静力试验及有限元模拟

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）组合板的受弯性能,开展8块该类组合板的受弯试验,分析正、负弯矩作用下的受弯破坏开展全过程.在正弯矩作用下,组合板受弯破坏经历了线弹性阶段、裂缝开展阶段和屈服阶段,结构刚度两次衰减的拐点分别是界面滑移与钢板屈服,结构破坏时加载点附近UHPC局部压碎且剪弯段及端部界面出现脱空现象;在负弯矩作用下,UHPC层出现横向裂缝导致结构刚度第一次下降,随着裂缝的发展,截面内力重分布使得钢筋应力持续增大直至屈服,最终主裂缝宽度过大导致结构刚度严重衰减,组合板因UHPC层受拉断裂而破坏.采用有限元软件ABAQUS,建立非线性有限元模型.模型中考虑界面接触、材料非线性、混凝土损伤塑性模型等,模拟试验全过程.在与试验结果进行对比分析的基础上,分析影响钢-UHPC组合板抗弯性能的主要因素,包括界面黏结方式、纵筋配筋率、栓钉数及布置,研究这些因素对组合板抗弯极限承载力、结构刚度、跨中挠度等力学性能的影响.     

钢-超高性能混凝土组合板开裂荷载正交试验及计算方法

为了研究钢-超高性能混凝土（UHPC）轻型组合桥面结构的横向抗弯开裂性能,综合考虑配筋率、保护层厚度、UHPC层厚度和栓钉间距4个影响因素,对40个钢-UHPC组合板试件进行受弯开裂正交试验. 结果表明,未配筋构件裂缝数量少且裂缝扩展较快,配筋可以提高构件的开裂刚度,加强裂缝扩展阶段,使构件出现多元开裂特性. 配筋率对开裂应力的影响最大,其次是保护层厚度,然后是栓钉间距,UHPC厚度对开裂应力的影响较小. 在配筋率较高时减小保护层厚度,开裂应力提高幅度较大. UHPC厚度为45 mm的组合板的开裂应力为18.7~27.8 MPa,UHPC厚度为60 mm的组合板的开裂应力为17.2~27.4 MPa,远超虎门大桥的工程需求. 根据现有规范公式计算钢-UHPC组合结构开裂荷载偏保守. 根据密集配筋钢-UHPC组合结构特点,提出钢筋应力和开裂荷载计算方法,计算结果和试验实测结果较吻合.     

负泊松比钢筋与UHPC的黏结性能

为探究负泊松比钢筋（negative Poisson’s patio rebar, NPR钢筋）与超高性能混凝土（ultra high performance concrete, UHPC）的黏结性能,通过对27个拉拔试件进行中心拉拔试验,研究了UHPC种类、钢筋种类和外形、锚固长度以及保护层厚度等参数对NPR钢筋与UHPC间黏结性能的影响规律,并使用声发射技术对NPR钢筋与高应变强化型UHPC间的黏结滑移破坏损伤行为及破坏模式进行分析。试验结果表明:高应变强化型UHPC与 NPR钢筋的黏结性能优于低应变强化型及应变软化型UHPC;随着锚固长度的增加,拉拔试验的极限荷载逐渐增加,荷载-滑移曲线趋势并未发生明显改变;保护层厚度较小时,会导致试件破坏呈现一定的脆性。NPR钢筋与高应变强化型UHPC间的黏结滑移破坏可分为初始、破坏和残余三个阶段,声发射试验可以较好地表征拉拔试验过程中基体损伤的演化进程。     

无粘结预应力钢板夹心混凝土组合板滑移性能分析

目的钢板与混凝土界面相对滑移是影响组合板承载力和刚度的主要因素,明确界面相对滑移分布规律及影响因素.方法利用弹性理论,建立考虑预应力钢筋内力增量和滑移刚度影响的界面相对滑移微分方程,给出对称集中荷载作用下的滑移计算公式.结果组合板最大滑移发生在组合板端部,并沿组合板纵向向跨中逐渐减小,跨中滑移为零,组合板的滑移随着连接刚度增加、含钢率增加及混凝土强度等级提高而减小.结论连接刚度是影响预应力组合板界面滑移的主要因素,混凝土强度等级、含钢率影响相对较小,预应力钢筋内力增量对滑移影响很小,可以忽略其影响.     

钢板-砖砌体组合墙梁的试验研究与分析

钢板砖砌体组合结构在既有砖混房屋中进行大空间改造时,组合托梁上部的墙体存在拱效应,使得托梁与上部墙体之间共同工作。为了研究此类组合墙梁的工作机理、破坏形态、承载力、控制截面的应变分布以及变形,对5根钢板砖砌体组合墙梁进行了集中荷载作用下的试验研究与分析,并考虑了上部墙体高跨比、组合托梁高跨比和钢板厚度的参数影响。主要的研究结果表明钢板砖砌体组合墙梁的破坏始于加载点与支座连线部分的砌体;钢板沿截面高度的应变分布符合平截面假定;上部墙体的高跨比直接影响墙体的破坏形态、钢板发生空鼓时的荷载和构件的极限荷载;合理的墙体高度有利于组合作用的形成,并且过高的墙体反而会降低极限荷载。最后给出了上部墙体高跨比的合理取值范围,同时建议钢板砖砌体组合托梁的抗弯刚度相对上部墙体平面内刚度的系数应至少大于79。     

高强钢板组合螺栓抗拉性能有限元分析

高强钢板钻孔攻丝后替代螺母,与高强螺杆组合成一种新的单边螺栓连接副,可用于钢管柱框架节点.为研究钢板组合螺栓抗拉承载力和破坏机理,在本组试验研究的基础上对4类钢板组合螺栓共64个试件进行单调拉伸数值模拟,以板厚和螺杆直径为研究变量,包括Q345B、45号钢、Q460C和Q690D四种钢材和10.9级M16、M20、M24、M27和M30五种规格高强螺栓.结果表明:Q345B、Q460C和Q690D均可作为45号钢的替代材料;钢板组合螺栓在锚固可靠的条件下,可按螺杆螺纹极限抗拉荷载的70%作为其抗拉设计值;钢板较薄时,发生钢板螺纹滑牙破坏,螺栓拔出,螺杆最大应力位于锚固区,钢板向外凸起,凸起量大于支点间距的1/200;钢板较厚时,发生螺杆拉断破坏,螺杆最大应力位于构造区,两种破坏模式中钢板的最大应力均位于钢板螺纹第一扣处.为保证钢板组合螺栓不发生钢板螺纹滑牙破坏,建议Q345B钢板厚度不宜低于1.15d;Q460C钢板厚度不宜低于1.10d;Q690D钢板厚度不宜低于0.95d,根据弹性力学和螺纹传力机理推导高强钢板组合螺栓抗拉承载力公式,公式计算结果与有限元结果吻合良好,研究成果可为钢板组合螺栓的设计提供参考.     

冷弯薄壁C型钢框架体系抗震性能研究

对冷弯薄壁C型钢框架进行试验研究,共设计3榀框架,梁柱皆采用C型钢作为主要承重构件,截面形式为双肢C型钢背靠背,双肢C型钢由节点板和高强螺栓连接而成.试验主要研究螺栓间距和轴压比两因素对整体框架抗震性能的影响,得到框架在低周反复循环荷载下的滞回曲线、骨架曲线与应变分布情况,对框架的破坏机理、承载力退化、刚度退化、延性以及耗能性能进行研究,并分析各参数变化对试件抗震性能的影响.结果表明:试件的破坏形式均为平面内失稳,两侧梁端及柱脚腹板位置出现局部失稳.螺栓间距对承载力退化影响较大,而轴压比是影响刚度退化的主要因素,框架的延性系数、耗能性能高于一般混凝土结构和其他轻钢结构.     

冷弯型钢抗弯斜节点抗震性能试验研究

对冷弯C型钢抗弯斜节点的抗震性能进行了试验研究.设计了6个梁柱斜节点,通过施加低周反复荷载,研究了该节点在低周反复荷载作用下各连接组件板域的应变分布以及节点板厚度、螺栓间距对节点承载力、刚度、延性及耗能性能的影响.