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-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。     

预制节段UHPC梁接缝抗剪性能的有限元模拟

该文采用有限元软件ABAQUS对预制节段超高性能混凝土(UHPC)梁剪力键接缝的抗剪性能进行了三维精细有限元模拟。模型中同时考虑了材料非线性、几何非线性以及UHPC材料的塑性损伤,模拟得到的荷载-滑移曲线和破坏模态等均与试验结果吻合良好。采用经过验证的有限元模型对剪力键接缝的抗剪性能进行了数值参数分析,结果表明：接缝的抗剪承载力及其对应的滑移随着所施加的侧向应力或UHPC强度的增大而增大,但UHPC抗压强度对抗剪承载力的影响大于UHPC抗拉强度,而且UHPC的抗拉压强度之间无固定的相关规律,因此对于UHPC接缝抗剪承载力的计算应分别考虑抗拉强度与抗压强度的影响;由于剪应力分布的不均匀性,抗剪承载力的计算还应考虑多键块的强度折减效应。此外,对剪力键接缝构造的参数分析结果表明：当键块的宽度和总高度相同时,接缝抗剪承载力随着键块相对高度的减小而增大,但当键块相对高度小于1/2时,接缝的抗剪承载力基本保持不变;当键块总面积以及键块数量相同时,多个键块之间的协同工作能力随键块竖向间距的增大而变强;键块深度对接缝抗剪承载力的影响不大。与目前被广泛采用的普通混凝土接缝抗剪承载力的计算公式对比,有限元...     

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。     

小剪跨比钢板-混凝土组合板抗剪性能的试验研究

通过2块小剪跨比钢板-混凝土组合板试件在集中力作用下抗剪性能试验,对组合板抗剪性能进行了初步分析。试验中主要变化了钢板厚度,得到组合板的极限承载力、变形、受剪破坏形态以及裂缝的发展情况。试验结果表明:小剪跨比钢板-混凝土组合板试件中混凝土最终破坏以斜压破坏为主;通过栓钉的连接,钢板和混凝土协同工作性能良好;截面应变分布基本符合平截面假定。钢板通过栓钉与混凝土的组合效应,显著提高了混凝土的抗剪能力,同时也改善了构件整体延性,该试验的组合板中钢板承担的剪力占总剪力的50%左右。     

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。     

带栓钉波形钢板混凝土组合构件粘结滑移性能与承载力试验研究

通过11个带栓钉的波形钢板混凝土组合构件在单调荷载下的推出试验和1个自然粘结构件的对比试验,研究带栓钉波形钢板混凝土组合构件的破坏形态、裂缝模式、荷载-滑移特性、波形钢板应变分布和承载力等。结果表明:带栓钉波形钢板混凝土组合试件的破坏形态以混凝土劈裂为主。试件的荷载-滑移曲线由上升阶段、下降阶段、残余阶段三个部分组成。由于混凝土和栓钉的组合作用,波形钢板自由端存在受拉区,产生过零点现象。带栓钉波形钢板混凝土组合试件的抗剪承载力随栓钉直径、数量的增长呈线性增长,而在一定条件下,栓钉长度、钢板厚度对抗剪承载力影响不大,另外在200 mm范围内适当增大栓钉间距对抗剪承载力也有提高。基于试验结果和力的扩散原则,分别提出了考虑栓钉影响的波形钢板混凝土界面粘结滑移本构模型以及带栓钉的波形钢板混凝土推出试件的承载力计算公式,所提模型与试验结果吻合良好,承载力公式计算结果与试验结果总体相符且偏于安全。     

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。     

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。     

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.     

非蒸养UHPC-钢板结构界面的受拉和剪切性能试验研究

超高性能混凝土（UHPC）在组合结构和钢结构加固领域具有很大的应用潜力,其中UHPC-钢板界面的力学行为对整体结构组合性能的发挥起到关键作用。该文通过一系列受拉试验和推出试验,对五种常见的非蒸养UHPC-钢板界面形式进行了研究,包括光滑钢板界面、花纹钢板界面、撒入骨料的环氧胶粘剂界面、焊接弯起钢筋界面和栓钉连接界面。试验结果表明UHPC直接粘结强度较低且并不可靠;花纹钢板界面和环氧胶粘剂界面的粘结强度较高,但在受拉或无约束受剪时发生脆性破坏;焊接弯起钢筋界面和栓钉连接界面具有明显的规律性和延性,然而施加约束带来的承载力提升并不明显。该文重点研究了栓钉连接界面的力学性质,发现经典理论和现有规范严重低估了UHPC锥形破坏的承载力,提出更符合实际情况的变角度破坏面假设;此外,该文通过试验结果标定和验证了UHPC中栓钉连接件荷载-滑移关系的指数函数模型。     

超高性能混凝土板冲切与弯曲性能研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,简称UHPC)桥面板具有良好的应用前景。桥面板在车轮荷载作用下存在冲切和弯曲问题,以此为背景设计了系列UHPC板件试验,主要研究板的厚度、保护层厚度、配筋率及加载区域面积等参数对试验板抗冲切及抗弯性能的影响,分析了不同试件的破坏模式、挠度、应变分布以及整体延性等,并提出UHPC板抗冲切极限承载力计算方法。试验结果表明:UHPC板的破坏模式包括冲切破坏、弯曲破坏和二者混合的冲弯破坏;相比于C50混凝土板,UHPC板的刚度、抗冲切承载力及位移延性有显著提高;随着板厚增大、保护层厚度减小、加载区域增大,UHPC板的抗冲切承载力提高。经过试验数据验证,抗冲切及抗弯承载力的计算值与试验值吻合良好。     

采用螺栓连接的工字形全装配式RC剪力墙试验研究

采用连接钢框、高强度螺栓将带有内嵌边框的纵横向预制钢筋混凝土（RC）剪力墙连接起来,形成工字形剪力墙。为研究该全装配式剪力墙的受力性能和抗震性能,进行了3榀墙体的单调加载试验和1榀墙体的低周反复荷载试验,分析了该全装配式工字形剪力墙的承载能力、刚度、延性性能、耗能能力、连接件的应变分布以及连接件间的相对滑移等,最后探讨了试件的极限抗剪抵抗机制。研究结果表明:该全装配式剪力墙具有较高的承载能力、较好的延性性能以及耗能能力,位移延性系数约为3~6;高强度螺栓的直径、连接钢框钢板的厚度对装配式剪力墙的抗侧刚度及峰值荷载有一定的影响;内嵌边框既传递了分布钢筋的应力,也起到了约束混凝土、增加RC剪力墙延性性能的作用。