钢板-混凝土组合板抗剪承载性能的试验研究与数值分析

主要通过试验研究与数值模拟,分析钢板-混凝土组合板在受剪状态下的承载力、变形、裂缝发展情况以及钢板与混凝土参与抗剪程度等。进行了3块钢板-混凝土组合板试件和1块无钢板混凝土试件的抗剪承载力试验。结果表明:钢板-混凝土组合板试件的剪切破坏形式主要是斜拉破坏;钢板承担了约50%以上总剪力,由于钢板的协同作用,混凝土承担的剪力与按照规范计算的混凝土抗剪承载力相比有较大幅度的提高;随着栓钉间距的增大,构件的抗剪承载力减小。基于修正压力场理论对ABAQUS进行了材料层面的二次开发,建立了适合钢板-混凝土组合板抗剪分析的数值仿真模型,模拟结果与试验结果吻合较好。     

部分预制装配型钢混凝土构件斜截面抗剪承载能力试验研究

为建立部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）构件的抗剪承载力计算公式,该文设计并进行了7个试件的静力加载试验,考虑了剪跨比、现浇混凝土强度和截面形式三个变化参数对PPSRC构件抗剪性能的影响。通过分析试件的破坏过程、剪力-位移曲线和剪力-应变曲线,对PPSRC构件的破坏机理和抗剪承载力进行研究。基于试验结果,分析了预制装配型钢混凝土构件抗剪承载力的主要影响因素,依据叠加原理提出了部分预制装配型钢混凝土构件斜截面抗剪承载力计算公式。试验结果表明:部分预制装配型钢混凝土构件斜截面破坏形态有斜压破坏和剪压破坏两种形式,预制混凝土和现浇混凝土的协同工作良好;提出的抗剪承载力计算公式可为部分预制装配型钢混凝土构件的设计提供一定的基础。     

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。     

钢管高强混凝土叠合构件受剪承载能力试验研究

结合3个普通钢筋混凝土构件和11个钢管高强混凝土叠合构件的单调加载静力试验,对钢管高强混凝土叠合构件的破坏形态、破坏机理和受剪承载能力开展研究。通过分析破坏特征与荷载-跨中挠度曲线,重点对钢管尺寸、剪跨比和是否焊接栓钉对叠合构件受剪承载力的影响进行分析。试验研究结果表明:试件发生剪切斜压和剪压两种破坏模式;试件的受剪承载力随钢管尺寸的增加而提高;随剪跨比的增大而降低;焊接栓钉可提高试件的承载能力,但作用有限。依据现有规范并结合试验结果,基于桁架-斜压场模型提出了钢管高强混凝土叠合构件的受剪承载力计算公式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

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。     

波形钢板剪力墙及组合墙抗剪承载力研究

为研究波形钢板剪力墙及其组合墙在水平荷载作用下的破坏形态、受力性能以及抗剪承载力计算方法,设计了4个波形钢板剪力墙及其组合墙试件,进行了低周往复加载试验,并采用ABAQUS有限元软件对24个波形钢板剪力墙及其组合墙模型进行了模拟分析。研究结果表明:波形钢板剪力墙具有较好的变形能力,波形钢板能有效抑制混凝土裂缝的发展,并与混凝土具有很好的界面粘结力,水平波形钢板剪力墙较易在约束边缘构件底部形成塑性铰;波形钢板剪力墙及其组合墙具有较好的承载能力、延性和耗能能力,且承载力下降缓慢; ABAQUS有限元软件能较好地模拟试验,模拟结果与试验结果吻合较好,有限元计算结果表明:承载力随波形钢板的厚度和波角的增加有少量增加,此外,波形钢板-混凝土组合剪力墙承载力随剪跨比的增加而降低,竖向波形钢板剪力墙的抗侧承载力性能与水平波形钢板剪力墙的基本相同;该文提出的波形钢板剪力墙及其组合墙抗剪承载力计算公式,计算值与试验值吻合良好,可为设计和工程实际参考; H型钢柱对波形钢板-混凝土组合剪力墙的抗剪承载力贡献最小,竖向波形钢板对组合墙剪力分担率大于水平波形钢板的,竖向波形钢板更有利于提升组合墙的承载性能。     

高轴压比、低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙拟静力试验研究

双钢板-混凝土组合剪力墙可减小墙体厚度、提高承载力和延性,为研究双钢板-混凝土组合剪力墙高轴压比下的抗震性能,完成了5个剪跨比为1.0的双钢板-混凝土组合剪力墙试件的拟静力试验,研究了剪力墙在低周往复荷载作用下的受力性能和破坏模式等,分析了轴压比、距厚比等因素对抗震性能的影响。试验结果表明:低剪跨比试件发生弯剪破坏;墙体钢板在平均位移角1/83时发生局部屈曲,初始屈曲形态受距厚比影响显著;试件峰值荷载、位移延性系数、刚度等受轴压比、距厚比的影响较小;试件平均极限位移角达1/72、平均有效破坏位移角达1/52,具有良好的变形能力;距厚比增大,试件滞回性能稳定性降低;试件耗能随变形增大而迅速增长,抗震性能良好。建议低剪跨比双钢板-混凝土组合剪力墙轴压比限值取0.7。     

腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁抗剪性能研究

外包U形钢-混凝土组合梁具有承载力高、延性好等优势,其施工工艺也顺应了目前建筑结构装配式发展的趋势。该文采用与钢腹板一体的嵌入式抗剪连接件,设计了9个腹板嵌入式外包U形钢-混凝土组合梁(WUSCB)的剪切性能试验,考虑了剪跨比、混凝土翼板宽度、连接件间距及倾角、底部纵筋直径、栓钉和箍筋设置、U形钢腹板高厚比等参数的影响,分析并总结了各试件的破坏模式,基于剪力-跨中挠度曲线对比分析了各试件的承载力和延性等抗剪性能指标,基于剪跨区U形钢腹板等效应力的分布形式研究了剪力传递机理。采用ABAQUS有限元分析软件,针对WUSCB试件建立了有限元模型,进行了剪跨比、混凝土翼缘板宽度、腹板高厚比和底部纵筋配筋率四个参数的影响规律分析。基于试验结果和有限元参数分析结果,提出了WUSCB的抗剪设计方法,该方法考虑了混凝土、U形钢腹板和底部纵筋销栓作用对抗剪承载力的贡献,能较准确地预测WUSCB的抗剪承载力。     

考虑组合作用的钢-混凝土组合梁抗剪承载力

针对当前规范和各学者有关钢-混凝土组合梁抗剪承载力公式都未考虑钢梁翼缘抗剪贡献导致计算结果误差较大的现状,笔者采用合理的材料本构关系,通过ABAQUS有限元软件建立考虑栓钉受力特征的组合梁足尺有限元模型进行抗剪性能研究。在验证现有试验结果的基础上通过参数分析,确定了组合梁界限剪跨比,揭示了剪切荷载作用下组合梁栓钉内力重分布规律,以及钢梁与混凝土翼板组合作用规律与抗剪荷载分担比例。基于叠加原理提出了考虑混凝土板和钢梁腹板与翼缘抗剪贡献的工字钢-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。对比结果显示该文提出的抗剪承载力计算公式的精度比GB 50017?2017建议公式以及其他学者建议公式的精度高。     

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。     

带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能试验

提出一种带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙,并进行5个1:4模型试件的拟静力试验,研究该形式组合剪力墙在不同轴压比、剪跨比下的破坏形式、滞回性能、变形能力以及耗能能力。试验结果表明:带加劲肋多腔双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能良好,5个试件的屈服位移角平均值为1/114,极限位移角平均值为1/48;增大轴压比可提高试件的承载力,但其抗震性能有所降低;减小剪跨比,试件的承载力和刚度有较大幅度提高,其抗震性能变化不明显。采用有限元软件ABAQUS建立该形式双层钢板-混凝土组合剪力墙模型并进行分析,其计算结果与试验吻合良好。     

新型双层钢板-混凝土组合剪力墙力学性能研究

提出一种在剪力墙和边缘构件之间设置竖向缝、墙体钢板通过盖板连接件螺旋连接的新型双层钢板-混凝土组合剪力墙,并进行了4个试件的拟静力试验,讨论该新型组合剪力墙的抗震性能,并与未设竖向缝及墙体钢板焊接的同类型试件进行对比。试验结果表明:新型的双层钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能良好,4个试件的屈服位移角平均值为 1/169,极限位移角平均值为1/37;竖向缝对于试件的承载力有所削弱,但对延性和耗能性能有所提高;试件的破坏均表现为墙体底部的弯压破坏,表明通过盖板连接件螺旋连接的措施可保证连接缝应力的有效传递。采用有限元软件ABAQUS建立该新型双层钢板-混凝土组合剪力墙模型并进行分析。基于有限元模型,分析了盖板连接件处螺栓群受力机理,竖向缝对边柱破坏形态影响,以及材料强度、轴压比和剪跨比对该新型剪力墙力学性能的影响。     

基于钢板屈曲分析的双钢板-混凝土组合剪力墙轴压承载力计算方法

为了考虑钢板屈曲对双钢板-混凝土组合（DSCC）剪力墙的轴压承载力的影响,该文首先以4个组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立DSCC剪力墙的有限元模型。模型中混凝土采用实体单元,钢板采用壳单元,剪力连接件采用非线性弹簧单元SpringA,并考虑了材料非线性和钢板初始缺陷。在验证有限元模型后,研究了不同参数对钢板屈曲的影响,得到了钢板屈曲应力的计算公式。分析结果表明:当钢板出现局部横向贯通屈曲时,破坏模式为屈曲位置的混凝土压碎;当钢板未发生屈曲时,破坏模式为钢板屈服;墙侧面钢板宽度较小时,侧面钢板不会发生屈曲。最后,基于钢板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析,提出了新的DSCC剪力墙的轴压承载力计算方法,引入了钢板屈曲的影响。结构表明:对比规范JGJ/T 380―2015采用的计算公式,该文提出的计算方法具有更高的精度和稳定性,可用于DSCC剪力墙的深入研究以及工程设计。     

压型钢板-高延性水泥基材料组合楼板纵向剪切性能及承载力研究

通过2组8个压型钢板-高延性水泥基材料(ECC)组合楼板静力加载试验,研究上述试件破坏模式、承载力、刚度、应变分布及滑移等受力性能。试验结果表明：峰值荷载时,端部设置栓钉的压型钢板-ECC组合楼板试件滑移值较大,达到峰值荷载后,试件承载力下降平缓,表现为延性剪切破坏;而端部未设置栓钉的试件表现为脆性剪切破坏。分析了剪跨、压型钢板厚度、组合楼板截面高度及端部栓钉等因素对压型钢板-ECC组合楼板纵向剪切性能及剪切承载力影响规律。在试验研究基础上,分别基于欧洲规范(Eurocode-4)和组合楼板设计与施工规范(CECS273:2010)的m-k法,提出适用于压型钢板-ECC组合楼板的纵向剪切承载力计算公式,经比较分析计算结果与试验结果吻合较好。     

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。     

无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究

该文进行了8个无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能试验,考察了截面尺寸和剪跨比（0.3~0.8）对构件抗剪承载力及钢管和混凝土滑移的影响规律。结果表明:剪跨比为0.3时构件发生剪切破坏,随着剪跨比增大,构件破坏模式从剪切破坏逐步向弯曲破坏转化,并且随着剪跨比增大,构件抗剪承载力显著降低,核心混凝土滑移量也呈现减小趋势。同时,用有限元软件ABAQUS对试验结果进行了数值模拟,计算结果与试验结果总体上吻合良好,验证了建模方法的可靠性。在此基础上,研究了钢管与核心混凝土之间的摩擦粘结、构件有无端板及加载主轴方向对矩形钢管混凝土构件基本剪切性能的影响规律。表明钢管与混凝土接触面摩擦系数取0.25时与试验结果符合程度较好;端板对构件荷载-位移关系曲线屈服荷载无太大影响,但对曲线后期强化有一定影响;不同加载主轴方向对构件抗剪承载力有显著影响。     

多腔钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能研究

为研究高层或超高层大楼中拟采用的多腔钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,对其进行拟静力试验及有限元模拟,分析了腔数对该类组合剪力墙的破坏模式、承载力、滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度退化及耗能能力的影响。试验现象表明试件的破坏模式均为上部混凝土压碎、角部钢板屈曲。通过分析试验结果发现,该种类形式的组合剪力墙在较高轴压力作用下仍具有良好的水平变形能力和较强的耗能能力,3个试件的极限位移角平均值为1/61,且单腔长宽比的减小会降低试件的承载力、增加试件延性。通过有限元软件建立的该类组合剪力墙模型证明该计算结果与试验值吻合良好,同时发现当单腔长宽比减小到1.94时,组合剪力墙的极限承载力基本不变。     

PBL剪力连接件粘结滑移性能的静载推出试验研究

PBL 剪力连接件是组合梁桥中波纹钢腹板和混凝土上下翼缘板连接的关键构造,研究PBL 剪力连接件的粘结滑移性能是连接件设计的关键环节。该文简要介绍了PBL剪力连接件的发展和研究现状,结合波形钢腹板PC 组合箱梁桥工程背景,进行了4 个PBL 连接件的静载推出试验,分析了腹板厚度和孔径大小对连接件粘结滑移性能、极限承载能力和破坏机制的影响。实验结果表明,各个试件有相似的滑移趋势并表现出一定的延性,随着腹板厚度和连接件孔径的增大,极限承载能力增强。同时,通过对荷载和水平位移关系的分析,得到连接件的受力机理为:在受力初期,混凝土受到剪力件的力传递发生变形向外膨胀;随着荷载的增大,剪力件发生明显滑移,混凝土发生向外侧的位移。剪力连接件腹板、翼缘和钢腹板上的应变发展趋势符合加载受力的传递机理。最后,对比和分析了连接件极限承载力的理论结果和试验结果,阐述了影响极限承载力的主要因素,并且在考虑安全实用意义的基础上,提出了一个新的估算公式,可以较好地估算本次试验结果。