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。     

组合索塔锚固区钢牛腿-塔壁作用机理分析

为揭示钢锚梁式组合索塔锚固区受力机理, 基于连续弹性介质层法, 推导了钢牛腿壁板-混凝土塔壁连接件作用剪力的理论计算式;通过三维弹簧元模拟焊钉连接件的作用, 对实桥索塔锚固区进行混合元分析, 验证了理论计算式的合理性。研究结果表明:由上节段钢锚梁累加竖向压力引起的钢壁板-塔壁连接件作用剪力在最底节段达到80kN;钢壁板上、下节段全连接时, 与上、下节段全分离及三节段一联比较, 底节段连接件作用较大集中剪力;各节段连接件作用剪力随钢壁板厚度、连接件抗剪刚度增加而增大。     

基于整体-局部弯曲模型的钢-混凝土组合梁界面滑移及其效应分析

提出了具有界面滑移的钢-混凝土组合梁截面弯矩由不考虑滑移的整体梁承担整体弯矩和自由滑移的叠合梁承担局部弯矩的整体-局部弯曲模型。基于Bernoulli梁理论和抗剪连接件线性剪力-滑移模型,建立了截面弯矩及剪力分配的计算方法,得到了整体-局部弯曲模型计算界面滑移及考虑界面滑移的截面应力和梁弯曲挠度的公式,并给出了集中荷载作用下简支组合梁的栓钉剪力及界面滑移计算公式。     

新型抗拔不抗剪连接件的滑移性能及其滞回模型

新型抗拔不抗剪T型连接件能有效改善组合梁负弯矩区受力性能,该连接件可以保证钢构件与混凝土板不发生分离,允许两部分产生滑移从而降低传递至混凝土板的剪力,避免混凝土开裂。为研究该新型连接件的滑移性能,对6个试件进行了拟静力推出试验。试验结果表明该连接件在较低荷载作用下可以产生较好的滑移效果,连接件外包泡沫塑料的尺寸对滑移特征影响显著。试验的荷载-位移曲线反映出试件的刚度随加载历史发生了明显变化,滑移作用引起了曲线的捏拢现象。该文基于Richard-Abbott曲线提出了针对该新型连接件的滑移滞回模型,模型参数物理意义明确,并通过试验结果验证了该滞回模型的合理性。     

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。     

拟静力作用下群钉连接件抗剪性能研究

为研究低周往复荷载作用下群钉连接件的劣化过程和退化机理,以栓钉直径、混凝土强度等级、加载方式为参数设计9个试件进行试验,并采用ABAQUS进行精细分析,研究群钉抗剪连接件的破坏模式、刚度退化、损伤累积、抗剪承载力及能量耗散等指标。结果表明:混凝土强度相同时,试件的抗剪承载力随栓钉直径的增加而提高,而抗剪刚度和能量耗散等指标变化不明显。对于直径较大的栓钉,各项性能指标还会出现劣化。混凝土强度增加,试件的抗剪承载力和抗剪刚度提高,耗能增加,滑移值减小。低应力循环加载时,试件较早出现损伤累积,其损伤累积速度随栓钉直径的增大而增加。高应力循环加载时,试件表现出损伤累积滞后现象,在第3个循环节开始出现损伤快速累积。群钉多层排列时,栓钉传力不均匀,靠近加载端的栓钉承担的剪力大于其他栓钉。当混凝土强度在C35和C45之间时,建议采用直径16 mm的栓钉与之搭配。     

基于悬吊系统的钢-混凝土组合桥面系试验

新型抗拔不抗剪T型连接件（T型连接件）能有效改善组合梁负弯矩区混凝土的抗裂性能。为研究悬索桥桥面系受力状态,同时探究T型连接件对组合桥面系力学性能的影响,该文开展了钢-混凝土组合桥面系的悬吊试验研究,并建立了ANSYS有限元模型对试验结果展开分析。构件采用工字型截面,在构件北侧南侧分别设置T型连接件和栓钉。试验中采用悬吊装置将构件吊起,加载方案包括弹性工况、扭转工况及极限工况加载。研究结果表明T型连接件能有效降低混凝土拉应力。在正常使用阶段T型连接件对桥面系刚度影响较小,在屈服荷载后才会因显著的界面滑移导致刚度下降;此外T型连接件也会一定程度降低桥面系扭转刚度。T型连接件的使用会增大钢结构压应力,设计时需注意钢结构的防屈曲设计。为充分释放钢-混凝土界面剪力,T型连接件在设计时塑料泡棉的厚度应满足正常使用阶段界面最大滑移量的要求。此外,试验结果也体现出悬索桥桥面系与连续梁受力状态的差异。该文研究成果能为T型连接件的后续理论分析及工程应用提供支撑,基于悬吊系统的试验方法可为悬索桥试验研究提供借鉴。     

组合梁考虑滑移效应时的挠度实用算法探讨

当钢－混凝土组合合梁中采用栓钉等柔性抗剪连接件,会在钢－混凝土交界面上造成滑移;若组合梁按部分剪力连接来设计,则滑移对梁在使用载荷下挠度大小的影响更加显著,在设计时不应予以忽略,目前已有若干实用公式被推荐 用于组合梁存在滑移时挠度的设计计算。     

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。     

角钢连接件力学性能及混凝土脱空对其影响研究

对于采用角钢连接件的钢壳沉管隧道结构，上翼缘板和角钢相连部位不利于混凝土流通、振捣和排气，浇筑时易产生混凝土脱空现象。基于实际工程和规范建议设计了9组足尺推出试件，包含3种脱空深度(0 mm、10 mm及20 mm)。为了减少试验本身的离散性，每组均有3个试件，共计27个试件。试验中所有试件均发生混凝土压溃破坏，相比于无脱空试件，脱空试件的混凝土压溃区域更小且角钢变形更大。相比于无脱空试件，脱空深度为10 mm和20 mm时，连接件的承载力折减可达16.5%和37.5%，刚度折减可达48.4%和70.6%。比对文献中62组试件以及文中3组试件的试验结果发现，Kiyomiya和Kimura提出的回归公式具有较高的准确度和较小的离散性，日本《钢-混凝土三明治结构设计指南》的公式则比较保守；此外基于现有试验数据通过参数回归的方式，提出了新的角钢连接件承载力计算公式，该公式具有更好的精度和适用性。在该文中提出的回归公式和混凝土脱空力学模型的基础上，提出了考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力修正公式，通过文献中3组试件及该文6组试件进行验证，结果表明该修正公式具有较高的准确度和较小的离散性。     

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。     

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.     

新型全装配钢-混凝土组合梁连接件推出试验研究

该文主要研究一种新型全装配钢-混凝土组合梁,由预制楼板和钢梁通过新型抗剪连接件（以下简称“紧固件”）组合为一体,紧固件固定于预制楼板的钢导槽上,预制混凝土楼板和钢梁界面的荷载传递主要通过紧固件和钢导槽之间的摩擦来实现。为了更好地研究紧固件和钢导槽的性能,对3组试件进行推出试验,研究了不同钢导槽形式、循环加载及紧固件数量对抗剪性能的影响。试验结果表明:紧固件和钢导槽都表现出较好的性能,试件的荷载-滑移曲线可分为3段;钢导槽截面高度较小时约束作用明显;循环加载可提升紧固件的抗剪承载力和刚度;该文推导的抗剪承载力计算公式与试验结果吻合较好。     

考虑滑移效应的钢-混凝土组合框架梁的刚度研究

组合框架梁的抗剪连接件在使用阶段将发生变形,导致构件的挠度增大,按照完全组合的换算截面法计算组合梁的挠度将得到不安全的计算结果。该文首先对考虑滑移效应的框架组合梁刚度进行研究,根据弹性理论推导了传统的完全组合梁TBM(Traditional Beam Model)模型滑移组合梁SLM(Slip Beam Model)模型的基本方程,并采用有限元方法对理论模型进行验证,说明了理论模型的准确性及合理性。对考虑滑移效应的组合框架梁刚度折减系数进行参数分析,研究了楼板的宽跨比、楼板宽厚比、板梁高度比等无量纲参数对考虑滑移效应后组合梁刚度折减系数的影响。研究发现:影响组合框架梁刚度折减系数的关键参数为抗剪连接件的剪力连接程度。在此基础上,建议了考虑滑移效应的钢-混凝土框架组合梁折减刚度系数的简化公式,公式计算结果与试验结果吻合良好,可以为组合梁的研究及设计人员提供参考。     

剪切波作用下盾构隧道地震效应的拟静力分析方法研究

针对均质土层中圆形盾构隧道在水平剪切波作用下的地震响应分析问题,在获得隧道周边自由场剪切应力的基础上,利用弹性中心法和空洞复变函数,给出了深埋盾构隧道在土层结构界面滑移和不滑移情况下的解析分析公式;并建立相同条件的等效刚度数值分析模型和考虑接头效应的有接头分析模型进行对比。研究表明:等效刚度拟静力法与等效刚度数值法所获得的剪切地震波作用附加弯矩、附加轴力分布形态及其最大值发生位置都具有良好的一致性;在三种方法获得的附加弯矩和附加轴力当中,等效刚度拟静力法最大,等效刚度数值法次之,有接头数值法最小;土层结构界面滑移相对不滑移而言,附加轴力偏小、附加弯矩偏大;等效刚度拟静力法结果偏于安全,公式简便,考虑界面滑移时更加接近实际,故可推荐考虑滑移条件的等效刚度拟静力法作为深埋圆形盾构隧道的抗震设计方法,并与常时荷载静力分析结果叠加后进行配筋设计。