钢管混凝土多排多列内栓钉受剪性能

进行了钢管混凝土多排多列内栓钉（群钉）试件的推出试验,其中6个带栓钉,1个不带栓钉,试件参数为栓钉环向布置间距、纵向布置间距和排数。采用ABAQUS软件建立了三维有限元模型,对试验结果进行了计算分析,计算结果与试验结果吻合较好。试验与分析结果表明:钢管混凝土群钉推出试件受力全过程由弹性段、弹塑性段、下降段和荷载残余段组成;沿加载方向,紧邻栓钉背部的混凝土应力为50.1 MPa~68.8 MPa,超过混凝土圆柱体抗压强度（ƒ_c'=50.1 MPa）,混凝土发生较大塑性变形;栓钉根部Mises应力最大,最先达到材料的极限强度,并发生剪断破坏;单根栓钉平均抗剪承载力随着群钉环向和纵向间距的减小以及排数的增加而降低,提出了这三个因素对单根栓钉平均抗剪承载力的折减系数计算公式。为充分利用栓钉抗剪性能,避免混凝土先于栓钉破坏,建议设计中栓钉环向和纵向间距应分别不小于3.4倍和4.4倍栓钉直径。分析表明,环向间距、纵向间距和排数三个因素对栓钉抗剪承载力的影响彼此独立,它们对群钉抗剪承载力的影响可采用三个折减系数相乘的计算方法。     

钢-UHPC组合结构中栓钉剪力键力学性能研究

为深入研究栓钉在超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)和普通混凝土(normal concrete,NC)中的力学特性及破坏形态,对8个栓钉剪力键试件进行了推出试验,详细探讨了混凝土类型、栓钉直径及长度对栓钉剪力键极限抗剪承载力的影响规律;基于有限元模型,进一步分析栓钉的极限抗拉强度、直径、长径比及混凝土强度对抗剪性能的影响,并详细研究栓钉直径、长度及混凝土强度对栓钉剪应力有效分布长度的影响。结果表明:栓钉根部附近的剪切断裂是主要的破坏形式;与NC试件相比,UHPC试件的抗剪承载力和抗剪刚度更高,但延性较低;栓钉剪应力在根部出现峰值,并沿钉帽方向迅速衰减;栓钉直径对剪应力有效分布长度影响显著。最后,根据试验结果提出了栓钉剪断破坏模式下的荷载-滑移曲线及抗剪承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合良好,可为工程设计提供一定的参考价值。     

钢管混凝土内栓钉抗剪承载力试验研究

在钢管混凝土构件的钢管内壁上设置栓钉(内栓钉)可以加强钢管与核心混凝土的组合作用。以核心混凝土强度、栓钉直径和长度为主要参数进行了8个设置栓钉的钢管混凝土试件推出试验,并与1个不设置栓钉的钢管混凝土试件和4个设置栓钉的组合梁试件进行对比。结果表明,钢管混凝土内栓钉试件的受力由弹性段、弹塑性段、荷载下降段和荷载残余段四个阶段组成。栓钉剪断破坏时荷载达到最大,混凝土未出现开裂和压碎现象,钢管应力也很小。有栓钉钢管混凝土试件的极限荷载为673.3 kN~1356.9 kN,远大于无栓钉试件S4-1的85.7 kN,栓钉能极大改善脱粘后钢管混凝土构件的共同工作性能。有栓钉钢管混凝土试件推出过程中,处于管内的核心混凝土不会出现与钢管分离的现象,栓钉的作用得到较充分的发挥,其极限荷载是组合梁的1.69倍~1.73倍。钢管混凝土内栓钉的抗剪承载力随核心混凝土强度的提高而提高、随栓钉直径的增大而增大,而受栓钉长度的影响较小。在试验结果分析基础上,提出钢管混凝土内栓钉抗剪承载力计算公式。     

新型不锈钢可拆卸螺栓连接件疲劳后剩余力学性能研究

为适应装配式组合梁的发展，研发一种新型不锈钢可拆卸螺栓连接件，并对其疲劳荷载作用下的力学性能退化规律开展研究。首先，通过文献和市场调研，充分考虑现有螺栓的优缺点，设计制作一种新型不锈钢可拆卸螺栓连接件用于装配式组合梁；其次，制作6组新型螺栓连接件的推出试件，进行静载和疲劳试验，对比静载与不同疲劳加载次数后试件的破坏形态，重点分析新型螺栓连接件在疲劳加载过程中剩余承载力、残余滑移量、抗剪刚度及延性系数的退化规律；最后，基于疲劳累积损伤理论和材料剩余强度模型，确定新型螺栓连接件在疲劳加载过程中的损伤度，进而建立新型螺栓连接件的剩余承载力计算模型。结果表明：新型螺栓连接件在静力和疲劳作用下呈现不同的变形及断面破坏特征；在疲劳荷载作用下，新型螺栓连接件的各项力学性能均呈现不可逆的退化，在该试验中试件在疲劳加载270万次后剩余承载力退化12.1%,延性系数退化67.6%,抗剪刚度退化12.9%,退化较为明显；建立的新型螺栓连接件剩余承载力计算模型计算结果与试验值吻合良好。     

新型组合剪力键抗剪机理及承载力计算方法研究

提出了一种带横向栓钉的新型组合PBL剪力键（简称组合剪力键）,并开展了6个组合剪力键试件的静力推出试验。建立了组合剪力键的精细化有限元模型,在试验验证的基础上,开展了216个试件的数值模拟和参数分析。基于试验研究和有限元分析结果,对组合剪力键的受力机理进行了分析。研究表明:该组合剪力键具有良好的抗剪性能,其抗剪承载力由PBL部分的混凝土榫柱和横向栓钉共同提供,可按叠加原理进行计算。参数分析表明:增加栓钉直径和混凝土强度均可有效提高组合剪力键抗剪承载力。其中,当栓钉直径由16 mm增至22 mm时,其承载力约提高27.7%;当混凝土强度等级由C30提高至C50时承载力约提高20.6%。但增加开孔直径和肋板厚度对抗剪承载力的提高影响并不明显基于可靠度分析和叠加原理提出了该组合剪力键抗剪承载力计算公式。研究结果可为该新型剪力键的工程应用和后续研究提供参考。     

波形钢腹板组合箱梁带栓钉埋入式抗剪连接件承载力推出试验及有限元模拟分析研究

针对一座波形钢腹板组合箱梁部分斜拉桥的受力需求,设计了带栓钉埋入式抗剪连接件。为研究其抗剪承载力,设计并开展了推出试验并进行了试验全过程的有限元模拟,对试验过程中试件的破坏及受力机理进行分析;随后根据该类型连接件的承载机理及受力特点,建立了承载力的近似计算方法。结果发现:对于该带栓钉埋入式抗剪连接件,当栓钉焊接在连接件波形板的直板外侧时,其承载力高于在内侧焊接的情形;当开孔位置位于直板、上折板与下折板时,其承载力依次降低;连接件波形板的上折板荷载-位移曲线存在明显的强化阶段,而下折板几乎不存在强化阶段,直板处荷载-位移曲线特征介于二者之间;另外,该类连接件混凝土开裂及主裂缝均在荷载水平达到0.8倍极限承载力以后形成发展的。所建立的推出试验全过程有限元模拟方法能够准确模拟试验过程中试件的受力行为,并能够诠释栓钉焊接位置、开孔位置对抗剪承载力的影响以及试件破坏机理;基于推出试验与有限元模拟分析,分析可得该类连接件承载力主要由波形板包裹的混凝土与约束钢筋所形成的块连接件、开孔内混凝土剪力销以及栓钉提供,随之建立的抗剪承载力近似计算方法分析结果与试验结果相对误差不超过8.93%,与有限元模拟结果相对误差不超过5.47%,具有良好的适用性。     

钢-UHPC组合板栓钉抗剪承载力、滑移与刚度计算

钢-Ultra-high performance concrete (UHPC)组合桥面板在大跨桥梁中具有较多应用,栓钉连接件对其组合作用的发挥起关键作用。为探究钢-UHPC组合板中栓钉抗剪性能,开展了6个栓钉抗剪推出试验,收集了6种抗剪承载力计算方法、5种抗剪滑移预测模型和10种抗剪刚度计算方法,根据试验结果分别进行计算分析。试验结果表明:所有试件中的栓钉均表现为焊缝与根部交界处剪断,UHPC板除在栓钉根部位置出现局部破损外,基本保持完好;栓钉的抗剪滑移曲线经历弹性、弹塑性和下降3个阶段;所有试件最大滑移量均小于3.5 mm,可取0.1 mm作为弹性极限滑移量。计算结果表明:现有部分规范计算UHPC中栓钉抗剪承载力时不考虑焊缝影响,计算结果偏低,根据该文2组试验数据和收集29组有效数据,提出考虑焊缝影响的计算式,建议UHPC中栓钉焊缝贡献系数取1.1;不同抗剪滑移模型预测结果差异大,建议采用反比例函数形式的模型预测,较为精确;栓钉的抗剪刚度取值由于未考虑栓钉实际处于受力状态,计算结果差异大,建议取滑移量0.1 mm对应的刚度作为弹性抗剪刚度;建立了栓钉抗剪滑移模型与抗剪刚度的关系式,在缺少试验数据时可为近似计算提供参考。     

PBL剪力连接件抗剪承载力试验研究EI北大核心CSCD

为建立组合桥梁中开孔钢板剪力连接件(PBL)剪力连接件的抗剪承载力计算公式,开展8个PBL连接件的单调加载推出试验。着重研究静载下不同承压方式、混凝土强度、开孔数量和贯穿钢筋直径对连接件抗剪承载力的影响。基于变形协调条件分析端部混凝土、孔内混凝土榫和贯穿钢筋对单孔连接件极限承载力的贡献;多孔连接件的抗剪承载力则在考虑应力重分布的基础上将单孔连接件承载力进行叠加。试验结果表明:提出的PBL连接件抗剪承载力计算模型物理意义明确,计算结果精度较高,可用于单排PBL剪力连接件的承载力计算。     

PBL剪力连接件抗剪承载力试验研究

为建立组合桥梁中开孔钢板剪力连接件（PBL）剪力连接件的抗剪承载力计算公式,开展8个PBL连接件的单调加载推出试验。着重研究静载下不同承压方式、混凝土强度、开孔数量和贯穿钢筋直径对连接件抗剪承载力的影响。基于变形协调条件分析端部混凝土、孔内混凝土榫和贯穿钢筋对单孔连接件极限承载力的贡献;多孔连接件的抗剪承载力则在考虑应力重分布的基础上将单孔连接件承载力进行叠加。试验结果表明:提出的PBL连接件抗剪承载力计算模型物理意义明确,计算结果精度较高,可用于单排PBL剪力连接件的承载力计算。     

考虑多组件疲劳损伤的组合梁剩余承载力计算方法及试验验证

针对现行规范中无法计算钢-混凝土组合梁在疲劳后的剩余承载力问题，提出考虑多组件疲劳损伤的组合梁剩余承载力的计算方法。基于材料剩余强度理论，分别引入组合梁各组件（混凝土板、钢梁和栓钉连接件）在疲劳荷载作用下的强度衰减模型；对疲劳荷载作用下的组合梁进行受力分析，得到在既定疲劳荷载幅值下各组件的疲劳应力幅；将各组件的疲劳损伤计入钢-混凝土组合梁剩余抗弯承载力计算中，并考虑疲劳加载过程中组合梁抗剪连接度的变化，建立完全抗剪连接和部分抗剪连接两种情形下的组合梁剩余承载力计算方法，并通过6个试验梁的剩余承载力试验进行验证。研究结果表明:在疲劳荷载作用下，组合梁的抗剪连接度逐渐降低，剩余承载力退化明显且不可忽略。该文建立的组合梁剩余承载力计算方法的计算值与试验值吻合较好，具有良好的计算精度与适用性，补充并完善了现有组合梁承载力的计算方法。     

FEM analysis on failure development of group studs shear connector under effects of concrete strength and stud dimension

Group studs, arranging studs in group, has been applied as shear connectors in steel and concrete composite structures for over 50 years. Concrete strength and stud dimension are the crucial factors affecting the failure appearance of shear studs in push-out test, which mainly consists of stud shear fracture, stud bending deformation and local concrete crush. Since the detailed failure development has rarely been concerned, a parametrical push-out FEM analysis with damage plasticity models on failure development of group studs with effects of concrete strength and stud dimension was executed. In this study, concrete compressive strength of 30 MPa, 40 MPa and 50 MPa, shank diameters including 13 mm, 16 mm, 19 mm and 22 mm and stud heights including 80 mm and 100 mm were the parameters. In general, it was found that when under effect of concrete strength, shear stiffness of stud with large shank diameter performed more stable while its shear strength may be influenced more apparently. Meanwhile, the analyzed concrete damage, stiffness degradation and ultimate deformation of stud were discussed as well. The failure development of push-out model was reflected by the development of equivalent stud bending arm in terms of shear transfer between steel and concrete through studs, which experienced three steps due to the degradations of concrete and stud modulus. It also shows that models with lower concrete compressive strength or more flexible stud in combination with high concrete strength can lead to relatively obvious stud bending deformation.     

焊钉连接件抗剪刚度计算方法研究

为建立组合结构桥梁常用的焊钉连接件抗剪刚度计算方法,通过共计40个焊钉抗剪承载性能模型试验,分析了焊钉在混凝土中的变形特点和受力机理,建立了焊钉连接件抗剪刚度计算式。研究结果表明:以剪力-滑移曲线对应滑移量为0.2mm处的割线模量作为抗剪刚度,所对应的剪力约为最大剪力的45%,并近似位于剪力-滑移曲线线性与非线性分界处;抗剪刚度计算式反映了焊钉直径、弹性模量及混凝土弹性模量的影响,物理意义明确,与试验数据具有较高的吻合度。     

纤维增强混凝土柱抗震性能试验研究及数值模拟

为了改善钢筋混凝土（RC）柱的抗震性能和损伤容限,在柱端局部采用纤维增强混凝土（FRC）代替普通混凝土,考虑轴压比和剪跨比,设计了9根FRC柱以及1根RC对比柱试件。通过拟静力试验,观察试件在低周反复水平荷载作用下的裂缝开展过程和破坏形态,研究其滞回性能、变形和承载能力、耗能能力及刚度退化规律等。结果表明,与RC柱相比,剪跨比为2.0的FRC柱仍为压弯破坏,强度和刚度退化缓慢,具有较好的变形能力、耗能能力和损伤容限;轴压比及剪跨比对FRC柱的变形能力和耗能能力有明显影响;FRC柱仅需配置抗剪箍筋,不必另外配置约束箍筋,即可满足变形和耗能要求。基于OpenSees有限元软件,建立了多组FRC柱的有限元模型,在对有限元模型进行试验验证的基础上,进行参数分析。研究结果表明:模拟滞回曲线与试验滞回曲线总体上比较吻合;剪跨比、轴压比及FRC强度对FRC柱的承载能力均有一定影响。     

带可更换耗能钢棒的装配式混凝土单侧屈服梁柱节点抗震性能试验研究

提出了一种新型的钢筋连接器——可调组合钢筋连接套筒,并基于此组装了一套耗能连接件。对耗能连接件开展了轴向的低周往复加载试验,验证了其荷载传递的可靠性以及优异的耗能性能。将耗能连接件内置于装配式混凝土框架梁端底部,提出了一种带可更换耗能钢棒的单侧屈服梁柱节点(REDB-SYBC)。对试件开展拟静力试验研究,分析节点的损伤分布、破坏形态、滞回特性、耗能能力等抗震性能。试件滞回曲线稳定饱满无捏缩,抗震性能良好。试验结果表明：新型节点单侧屈服的变形模式减少了楼板的变形与损伤,充分发挥了梁底连接件的耗能能力,其主要损伤及破坏均发生在梁底耗能钢棒上,实现了损伤集中的设计目标以及“强柱弱梁”的抗震设计原则;利用新型连接套筒的内部空间即可实现耗能钢棒的更换,经过更换和修复后的节点各项抗震性能与初始节点基本相当。     

钢管混凝土柱-双面组合作用梁框架节点抗震性能试验研究

为了研究钢-混凝土双面组合作用梁框架节点的抗震性能,设计了3个钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点和1个普通钢-混凝土单面组合作用梁十字形框架节点,并对其进行低周往复加载试验,对比分析其破坏模式、极限承载力、初始刚度、耗能能力、延性、刚度退化等抗震性能指标;通过改变下部混凝土板厚度和传力方式,研究下部混凝土板不同厚度和不同传力方式对双面组合作用梁力学性能的影响。结果表明:与普通钢-混凝土单面组合作用梁框架节点相比,钢-混凝土双面组合作用梁十字形框架节点具有更高的承载力和刚度,适用于荷载较大的结构,但在延性、刚度退化和耗能能力等方面无明显优势;下部混凝土板采用集中传力和均匀传力的方式对双面组合作用梁抗震性能的影响无明显区别;下部混凝土板采用预制法制作和螺栓连接更加方便、可靠。