钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展

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。     

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。     

带开孔板剪力键的钢-UHPC组合板受弯性能试验研究及数值模拟

研究了一种采用开孔板(PBL)剪力键的钢-超高性能混凝土(UHPC)组合板,可用作大跨度桥面板或楼板。基于某特大跨度组合梁斜拉桥的桥面板设计,完成了3块钢-UHPC组合板和1块钢-C60组合板的足尺模型试验,探究剪力连接件种类、数量和混凝土材料对组合板受力性能的影响。试验结果表明：在集中荷载作用下,钢-UHPC组合板发生典型的弯曲破坏,而钢-C60组合板发生冲切破坏;钢-UHPC组合板的承载力、刚度和延性均远优于相同厚度的钢-C60组合板;在3块钢-UHPC组合板试件中,含较多开孔板剪力键的试件表现出最佳的受力性能。基于ABAQUS建立钢-UHPC组合板的精细有限元模型,模型的预测结果与试验得到的荷载-位移曲线吻合良好,进一步利用有限元模型开展了参数分析。     

钢-UHPC组合结构桥梁研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有优异力学性能的新型水泥基复合材料,现已成为水泥基复合材料创新、应用及发展最具活力的领域,且在钢-UHPC组合结构桥梁中得到了应用.针对现有桥梁结构中存在的跨越能力受限及耐久性差等技术瓶颈,国内外学者利用UHPC的性能优势提出了钢-UHPC组合结构的解决方案,并在其受弯性能、抗裂性能、疲劳性能、栓钉抗剪性能、接缝性能影响因素和装配式结构体系及装配方法等方面取得了丰硕的成果.钢-UHPC组合结构具有较好的经济性和可行性,且在正负弯矩下具有较好的抗裂性能和受弯性能,能大幅降低钢结构疲劳细节应力幅;栓钉剪力件的抗剪性能受栓钉直径和屈服强度的影响显著;钢筋的锚固长度、接缝界面情况及接缝类型是影响接缝性能的重要因素.钢-UHPC组合结构适合装配式化施工,在装配式桥梁快速建造技术及大跨桥梁结构中具有较好的应用前景,且呈现出较好的发展势头.本文系统归纳了钢-UHPC组合结构的静力性能、疲劳性能、接缝性能及钢-UHPC组合结构桥梁等方面的研究进展,分析了钢-UHPC组合结构桥梁的应用前景,并指出了钢-UHPC组合结构在设计理论、规范体系及应用领域进一步完善的研究趋势,可为今后的研究工作及工程应用提供参考.     

承压型组合剪力键剪切性能试验与承载力计算

针对抗剪需求较大的钢-混凝土组合结构,改进了一种带横向焊钉的承压型组合剪力键。设计并开展了10个承压型组合剪力键和1个非承压型组合剪力键单调推出试验,明确了混凝土端部承压、混凝土强度、肋板厚度、肋板孔径和焊钉直径对承压型组合剪力键失效模式和破坏过程的影响。建立了承压型组合剪力键有限元模型,在结合试验验证仿真模型可靠性的基础上,进一步揭示了承压型组合剪力键受力机理。以试验变量为基础,建立并分析了108个承压型组合剪力键有限元模型,推导了承压型组合剪力键极限承载力与各参数变量之间的线性关系,对极限承载力分析结果进行多元线性回归提出了承压型组合剪力键极限承载力计算模型。结果表明：承压型组合剪力键混凝土板失效模式为大面积竖向裂缝和端部裂缝,内表面形成由焊钉高度附近向下延伸的斜主裂缝,非承压型组合剪力键混凝土板无明显端部裂缝,承压型组合剪力键极限承载力约为非承压型组合剪力键的1.4倍;与肋板孔径和焊钉直径相比,承压型组合剪力键极限承载力对混凝土强度和肋板厚度更为敏感。该研究提出的承压型组合剪力键极限承载力计算公式物理意义明确,计算值与仿真和试验结果吻合较好,可为组合剪力键设计和工程应用提供参考。     

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。     

考虑开孔钢板厚度的PBL剪力键力学性能研究

钢-混凝土组合结构中PBL剪力键的力学性能受到多种参数的影响.为了解开孔钢板厚度对PBL剪力键力学性能的影响,进行了6 组24 个PBL 键试件的推出试验,研究PBL 键的静力性能及影响因素;从荷载-滑移曲线出发对PBL 键的传力机理进行分析;研究PBL 键的破坏机理和开孔钢板厚度对破坏模式的影响.试验研究结果表明:开孔钢板的厚度对PBL 键的设计承载力、抗剪刚度和极限承载力都有显著影响;荷载较小时PBL 键的承载能力由混凝土榫抗剪提供,混凝土榫抗剪失效后转由贯穿钢筋抗剪承载;受开孔钢板厚度的影响,PBL 键的破坏形式有贯穿钢筋的弯剪破坏、剪切破坏或开孔钢板的剪切破坏.结合国内典型推出试验的结果,推导了考虑开孔钢板厚度的PBL键承载力计算公式,公式与试验结果吻合良好.     

改进的新型全装配式组合梁抗剪连接件试验研究

该文主要研究一种改进的新型全装配式组合梁结构,主要包括:全预制混凝土楼板、TJ型紧固件(抗剪连接件)、C型钢导槽、钢梁,其具有无现场湿作业,安装制作精度要求低,可局部更换、循环使用等优点。为研究此新型组合梁连接件的抗剪性能,在考虑钢导槽间距、紧固件预紧力、紧固件类型等因素的基础上,设计制作了6组试件,共12次推出试验。根据螺杆顶帽的不同,紧固件类别分为A、B两类,A类紧固件的螺杆端部万向铰为工厂加工成型,B类紧固件的螺杆端部万向铰为德国产的标准件(直接拧入螺杆端部即可,无需加工螺杆端部)。在试验参数的基础上,建立了紧固件和新型组合梁的有限元模型进行对比分析。结果表明:A类各试件表现出良好的残余强度稳定性,B类试件的荷载滑移曲线较A类曲线更为光滑,具有明显的强度下降段;组合梁连接件拆卸后重新安装不会导致抗剪性能的降低;组合梁连接件受力后不拆卸并复拧(再次施加扭矩)后抗剪性能有所提升;300 mm钢导槽间距试件的抗剪性能明显优于450 mm与600 mm;该文提出的紧固件预紧力计算公式与试验和有限元模拟结果吻合较好,建立的有限元模型能够较好地模拟紧固件的抗剪性能。     

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。     

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。     

风机基础开孔板连接件剪切受力机理试验研究

鉴于目前国内出现了多台问题风机基础中穿孔钢筋疲劳脆断的工程事故,该文基于风机基础常采用的开孔板连接件构造,考虑多孔受力影响,共进行了4组12个开孔板连接件的推出试验以确定其抗剪承载力,并为其极端和运行工况设计提供依据。试验结果表明,穿筋试件的破坏过程大致分为3个阶段：①钢板与混凝土界面间摩擦受力阶段;②混凝土榫孔剪切受力阶段;③穿孔钢筋塑性剪断及其变形上方混凝土压溃。应变测试结果表明,由于穿孔钢筋的加入,上排孔的剪切受力使得下排穿孔钢筋弯曲受力明显,试件抗剪承载力较未穿筋试件得到显著提高;破坏阶段中,钢筋弯曲受力状态转变为孔内受剪,随着其上方混凝土的压溃,钢筋因受剪屈服退出工作;随着竖向裂缝的开展,全穿筋试件中3根钢筋均屈服,强度和塑性均得到有效的发挥,建议工程对中排、下排设置穿孔钢筋或三孔全设置。基于试验结果,针对不同构造的多孔推出试件破坏形态建立了多孔穿筋推出试件的抗剪承载力统一计算公式,计算结果表明计算值与试验值吻合较好,且偏于保守,可应用于实际工程。     

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。     

肋板间距对开孔板连接件抗剪刚度影响分析

为探讨开孔板连接件肋板间距合理的布置方法,通过模型试件抗剪推出试验和弹性地基梁理论,分析了肋板间距对开孔板连接件抗剪刚度的影响机理,提出了考虑肋板间距影响的开孔板连接件抗剪刚度计算公式。研究表明：肋板间距对开孔板连接件抗剪承载力及峰值滑移量影响较小,对开孔板连接件抗剪刚度影响较大;抗剪刚度随着肋板间距增加近似线性增大,逐渐趋近于单块开孔板连接件受力的抗剪刚度;肋板间距与开孔板孔径的比值为开孔板连接件抗剪刚度的主要影响因素,建议并列焊接多个开孔板连接件时距径比不宜小于3.3。     

双功能带缝剪力墙连接键的试验研究

连接键是双功能带缝剪力墙的关键控制元件。本文根据13个钢筋混凝土连接键的受剪试验,对其受力性能和受力阶段进行了研究,分析了影响连接键主要受力性能的参数。根据试验结果和理论分析,提出了连接键开裂、屈服和受剪承载力特征点的有关计算公式。     

混合结构PBL剪力键的荷载-滑移特征曲线研究

剪力键的荷载-滑移特征是混合结构简化有限元分析的基础。为研究混合结构PBL剪力键(Perfobond strip connectors)群的剪力传递,基于三批24组较大规模的PBL剪力键静载试验,借助于分布式光纤传感测试技术,深入分析了PBL剪力键的受力机理及影响其荷载-滑移的重要因素,提出了PBL剪力键极限承载力的计算公式;根据总体标准差的估算原理及回归分析,归纳出PBL剪力键弹性极限及承载能力极限状态下的荷载-滑移特征,得到了剪力键加载过程的荷载-滑移全曲线表达式。试验研究表明：设置穿孔钢筋的混合结构PBL剪力键具有较高的极限承载力和良好的延性性能,穿孔钢筋对PBL剪力键的荷载-滑移特征影响显著,开孔钢板与外围混凝土间的剪力-摩擦效应是PBL剪力键承载力构成的重要部分;PBL剪力键的弹性极限荷载对应于0.35倍的承载能力极限荷载,其屈服荷载约为极限承载力的0.695倍;荷载-滑移全曲线中弹性段可由直线表征,非线性段曲线服从对数分布。     

可更换耗能连接力学机理及变形性能研究

提出一种安装于装配式混凝土梁柱连接部位的可更换耗能连接组件,可以诱导结构的损伤集中在连接区域,保证结构主要构件在强震下处于弹性状态,增强结构的可修复性。利用MTS力学试验机开展3个组件的试验分析,研究组件的滞回性能、耗能能力和低周疲劳性能。试验结果表明,可更换耗能连接组件的滞回性能稳定,展现出了优良的延性和低周疲劳性能。基于ABAQUS开展的组件参数化分析主要针对核心耗能部件的厚度及核心耗能部件与约束部件之间的间隙。结果表明：增加核心耗能部件的厚度会减轻结构的高阶屈曲波数,优化构件长度方向的应变分布均匀性;核心耗能部件与约束部件之间的间隙也会影响核心耗能部件的应变分布。该文分析结果表明,该可更换耗能连接可以应用于对结构延性和可恢复性要求比较高的高震区框架结构中。