不同锈蚀程度下栓钉连接件的抗剪性能分析

为研究栓钉连接件锈蚀条件下的抗剪性能退化规律,建立ABAQUS有限元模型进行数值模拟.针对均匀圆环、受压区半环、受拉区半环及拉压区半环4种不同的锈蚀分布形态,考虑不同的锈蚀高度、锈蚀深度进行数值分析.结果表明,当锈蚀深度相同时,4种锈蚀分布形态的栓钉抗剪承载力随锈蚀高度的增加而降低,在锈蚀高度为10 mm时降到最小,且锈蚀深度越大,承载力降低程度也越大;当锈蚀高度相同时,随着锈蚀深度的增加,抗剪承载力和抗剪刚度基本上呈线性下降趋势;当锈蚀高度和深度相同时,均匀圆环锈蚀的抗剪承载力和刚度的降低程度最大,相比其他3种情况降低60%左右,受压区半环锈蚀的抗剪承载力和刚度的降低程度最小.研究成果可为钢混组合结构栓钉连接件耐久性设计提供参考.

UHPC中栓钉连接件疲劳荷载后力学性能研究

为研究钢-UHPC组合结构中栓钉连接件在疲劳荷载作用后的剩余力学性能,设计制作了2组共4个推出试件进行试验研究,一组为静载破坏试验,一组在进行200万次疲劳循环荷载后开展静载破坏试验。试验结果表明:1)钢-UHPC推出试件在静载试验和疲劳后的静载试验中栓钉破坏模式均为剪断破坏;2)在经历200万次疲劳循环加载后,钢-UHPC试件抗剪刚度退化30%~40%,极限承载力与静载试验相比下降幅度约为6%,普通混凝土中栓钉承载力下降约23%,表明疲劳荷载抗剪刚度影响显著,但对钢-UHPC推出试件承载力影响较小,且远小于普通混凝土中栓钉承载力退化水平。

基于三维实体模型的栓钉连接件推出试件数值模拟

为研究栓钉连接件推出试件的栓钉抗剪承载力和抗剪刚度,以推出试件为研究对象,建立材料非线性、几何非线性和接触关系的三维实体有限元计算模型,探究了混凝土强度、界面摩擦因数、栓钉屈服强度和钢筋直径对栓钉抗剪承载力和抗剪刚度的影响规律。研究结果表明:1)栓钉与H型钢梁的连接关系可采用绑定形式进行模拟,其计算结果与相关试验结果吻合较好;2)通过提高钢筋直径、栓钉屈服强度和混凝土强度等级来增强栓钉抗剪承载力和抗剪刚度的效果相对较差;3)建议通过提高栓钉直径和界面摩擦因数来改善栓钉的抗剪承载力和抗剪刚度。

钢-混凝土组合梁中栓钉连接件抗剪承载力研究

采用数值方式研究了钢-混凝土组合梁中栓钉连接件的抗剪力学性能。主要分析了栓钉直径、栓钉抗拉强度、混凝土强度及混凝土板厚对栓钉连接件抗剪承载力的影响。其研究结果表明:栓钉直径、栓钉抗拉强度、混凝土强度对栓钉连接件的抗剪承载力影响较大,而混凝土板厚对栓钉连接件抗剪承载力影响较小。目前各国现行规范中,美国规范对栓钉连接件的承载力评估较为可靠,其余各国规范均过于保守。

跨海斜拉桥中钢-混组合梁栓钉连接件受力分析

为实现混凝土桥面板与钢箱梁的协同工作,栓钉剪力连接件发挥着关键作用。本文基于某实际推出试验,使用ANSYS有限元软件进行精细化建模,通过分析其抗剪承载力,验证了该模拟方法的有效性和准确性。随后,应用此方法对实际工程中的栓钉连接件进行抗剪模拟,通过应力云图和荷载-滑移曲线分析其破坏形式和抗剪性能。最后,将单钉的模拟计算值与经验公式进行了对比。结果表明,4组推出试验值略高于有限元模拟计算值,误差均低于10%,说明该有限元分析方法比较科学,可用于实际工程。栓钉连接件在受剪时,应力集中于栓钉根部,导致混凝土变形,但能承受较高的极限荷载,且混凝土与钢板间滑移量较小。模拟计算值与我国规范接近,设计符合工程实际。研究结果可为类似工程设计提供参考。

带约束构造的栓钉连接件组合板界面抗剪性能试验研究

钢−混凝土组合梁在负弯矩区混凝土受拉开裂的问题,将引起组合梁刚度的降低,承载力下降,成为制约组合结构发展应用的重要原因之一。针对该问题提出一种基于带约束构造栓钉连接件的组合板构造措施,即在组合梁负弯矩区混凝土翼缘板增加附加钢板,附加钢板和钢梁上分别焊接带约束构造的栓钉连接件,两者相互咬合交错布置在混凝土板两侧。通过双界面抗剪性能试验验证在负弯矩区采用附加钢板帮助混凝土受拉的可行性以及该组合板构造措施抑制混凝土板受拉开裂的有效性,并对组合板中带约束构造栓钉连接件的界面抗剪性能进行研究。研究结果表明:带约束构造的栓钉连接件能将裂缝约束在6倍栓钉直径范围内,避免混凝土板纵向贯通劈裂裂缝,充分发挥混凝土受压强度高的优点,且约束构造能有效提高栓钉的抗剪刚度;证明在负弯矩区采用附加钢板替代混凝土板及其内的受拉钢筋受拉切实可行,带约束构造的栓钉连接件能降低纵向抗剪横向钢筋的用量;提出带约束构造栓钉连接件的抗剪刚度计算公式以及能评价不同长径比栓钉的材料利用效率和抗剪效率的剪切刚度比−剪切角理论曲线,建议带约束构造的栓钉连接件弹性抗剪刚度极限值,为此类剪力连接件的工程应用奠定良好的试验和理论基础。

预制装配式组合梁栓钉连接件构造优化与安装误差影响试验研究

为对一种预制装配式钢-混凝土组合梁栓钉抗剪连接件的构造设计方法和施工安装误差影响进行深入研究,完成了18个预制装配式栓钉连接件和2个普通现浇栓钉连接件的静力推出试验。在优化预制孔填料强度等级的基础上,主要研究栓钉直径、孔径比(预留孔径和栓钉直径的比值)和施工安装误差对预制装配式栓钉连接件破坏形态、抗剪承载力、抗剪刚度及抗滑移性能的影响规律。试验结果表明:连接件的破坏形态为仅栓钉剪断或伴随混凝土开裂的栓钉剪断,安装误差对抗剪刚度影响较大,对抗剪承载力和极限滑移影响很小。提出了可保证连接件抗剪力学性能稳定并消除安装误差对抗剪承载力和极限滑移不利影响的构造设计方法,即填料强度等级和合理的孔径比工程实用范围。EC4、AISC、GB和CSA等规范中的栓钉连接件抗剪承载力计算公式均可偏于安全地预测所提出的预制装配式栓钉连接件的抗剪承载力,试验和所提构造设计方法可为相关研究与规范编制提供参考。

再生混凝土栓钉连接件的抗剪性能试验及数值分析

为研究再生混凝土栓钉连接件的抗剪性能,设计了6个以再生粗骨料取代率和再生混凝土强度为参数的再生混凝土栓钉连接件推出试件,并结合非线性有限元软件ABAQUS建立了45个推出试件的1/4有限元模型,探讨了粗骨料取代率、混凝土强度等级、栓钉尺寸等因素对推出试件抗剪性能的影响.结果表明:与普通混凝土栓钉连接件试件相比,再生混凝土栓钉连接件试件破坏时,混凝土表面裂缝更为明显;试件抗剪承载力和刚度与栓钉直径、栓钉强度近似呈线性关系;不同取代率下,分别增大栓钉直径和强度对试件抗剪承载力的影响存在明显差异,随取代率的增加其增长速度逐渐减弱;增大混凝土强度和栓钉长度对试件抗剪性能的提升效果不明显.基于数值模拟结果,提出了再生混凝土栓钉连接件抗剪承载力计算公式.计算结果与试验结果的最大误差仅为7.07%,说明该公式较为可靠.

疲劳荷载作用下栓钉连接件全过程荷载-滑移计算模型

为了实现全寿命周期内钢-混凝土组合梁中栓钉连接件滑移量的精确计算,开展栓钉连接件在任意疲劳循环次数下的荷载-滑移计算模型研究。设计并制作了11个栓钉推出试件进行了静力滑移量试验、疲劳滑移量试验及剩余滑移量试验。通过试验结果分析了栓钉连接件在疲劳及静力作用下全过程的滑移量增长和分布特征。在单调荷载作用下,基于统计数据建立了考虑极限滑移量的指数型栓钉荷载-滑移模型。在此基础上,考虑疲劳损伤对栓钉直径及滑移量折减,同时计入栓钉连接件滑移量的累积增长和其自身承载力退化,建立了在任意次数疲劳荷载作用下,栓钉连接件全过程荷载-滑移计算模型,并通过试验值进行验证。结果表明:栓钉连接件的滑移量可分为疲劳加载过程中的累积滑移量和疲劳加载后的剩余滑移量。在疲劳加载过程中,栓钉累积滑移量呈“快速-缓慢-急速”的三阶段增长。在疲劳加载后栓钉剩余滑移量和总滑移量均随着疲劳循环次数增加而减少,说明栓钉疲劳损伤的增加导致其整体变形性能逐渐变差。所提出的栓钉全过程荷载-滑移计算模型的计算值与试验值吻合良好。

带栓钉连接件型钢混凝土剪力传递性能研究

通过15个带栓钉连接件的型钢混凝土短柱在单调荷载下的推出试验及1个自然黏结试件的对比试验,研究带栓钉连接件型钢混凝土短柱的破坏形态、裂缝模式、荷载-滑移特性、型钢应变分布、剪力传递承载力等。试验结果表明:带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的破坏以混凝土劈裂为主,劈裂裂缝出现的方位与栓钉的布置位置有关。典型试件的荷载-滑移曲线大致可分为5个阶段,分别为无滑移段、滑移段、破坏段、荷载下降段及残余段。由于栓钉剪切变形的影响,栓钉根部混凝土受局部承压作用,混凝土与型钢表面原有的自然黏结将受到损坏,近栓钉位置的型钢应变产生突变,应变分布表现出与自然黏结试件不一样的特征。在其他条件基本相同的情况下,型钢腹板布置栓钉的试件,其极限荷载和残余荷载比型钢翼缘布置栓钉的试件高,与极限荷载相对应的端部滑移比型钢翼缘布置栓钉的试件大。根据试件的受力机理和力的扩散原则,提出了带栓钉连接件型钢混凝土推出试件的承载力计算公式及防止栓钉外侧混凝土劈裂破坏的构造措施,公式计算结果与试验结果总体相符且偏于安全。

栓钉连接件锈蚀后静力性能和抗疲劳性能的试验研究

通过15个标准试件的推出试验,研究栓钉连接件锈蚀后抗剪承载力、变形能力和疲劳寿命的变化规律。按照锈蚀位置和锈蚀量的不同将试件分组,首先采用电化学快速锈蚀试验的方法模拟可能的锈蚀情形,然后对锈蚀后的试件进行静力试验和疲劳试验。通过与无锈蚀栓钉的试验结果对比,分析锈蚀特性参数变化对试件静力工作性能的影响。并用参数拟合的方法建立两类锈蚀栓钉连接件的抗剪承载力和荷载-滑移性能的计算模型。模型分析结果表明,Ⅰ类锈蚀使栓钉极限承载力下降很多,最大达到18%;Ⅱ类锈蚀对承载力影响不大,但对试件的变形影响较大。疲劳试验结果表明,栓钉锈蚀后其疲劳寿命会有一个明显的下降,当栓钉锈蚀率达到20%左右时,其疲劳寿命下降高达40%。

疲劳荷载作用下栓钉连接件的抗剪承载力退化规律

为了解钢-混凝土组合结构中栓钉连接件在疲劳荷载后的力学特性,针对栓钉推出试件进行静载破坏试验、完全疲劳试验以及非完全疲劳破坏试验.在此基础上归纳了已有栓钉连接件的非完全疲劳破坏的相关试验数据,将疲劳循环次数和剩余抗剪承载力这两个参数作归一化处理,使得所有试验数据具备可比性;同时基于剩余强度理论,推导出适用于栓钉连接件的剩余承载力计算模型,并通过试验数据拟合确定其参数;最后通过若干文献的试验数据进行验证分析.结果表明:在疲劳荷载作用下,栓钉连接件的剩余承载能力呈现先慢后快的非线性退化趋势.所提出的栓钉连接件承载力幂指数退化模型可以较好地描述栓钉连接件的剩余承载力随疲劳循环次数的变化规律.

栓钉连接件抗剪刚度对钢—混凝土结合梁自振特性影响研究

设计6片钢—混凝土结合梁,从理论分析、试验和数值模拟3个方面,研究栓钉连接件抗剪刚度对钢—混凝土结合梁自振特性的影响。结果表明:在常见的栓钉布置情况下,钢梁与混凝土板的界面存在滑移,二者变形不同步,振型存在明显相位差;随着栓钉连接件抗剪刚度的降低,结合梁整体刚度明显下降,与不考虑界面滑移的结合梁相比,完全连接和部分连接(连接度为60%)结合梁的刚度分别降低39%和48%,相应的1阶竖向自振频率分别降低22%和29%;栓钉连接件的抗剪刚度越小,结合梁的刚度折减越大,但各阶自振频率对应刚度的折减程度不同;少量的栓钉损伤对梁的竖向自振频率影响不明显。由于结构的基频对其冲击系数影响很大,因此在结合梁的动力性能分析及冲击系数计算中,应考虑栓钉连接件刚度的影响。

钢-高性能混凝土组合梁栓钉连接件抗剪性能的试验

基于10个栓钉连接件在单调荷载下的推出试验,对高性能混凝土中栓钉的破坏形态、抗剪承载力、荷载-滑移关系、变形能力等进行了研究,重点分析了混凝土类型、栓钉直径等参数对栓钉抗剪性能的影响。结果表明:栓钉在高性能混凝土中的抗剪承载力与在普通混凝土中相近;栓钉具有较好的抗剪延性与变形能力;栓钉在高性能混凝土和普通混凝土中均出现了明显的刚度退化特性,且二者的退化程度相当;栓钉焊接不宜采用普通围焊工艺。最后,在试验的基础上,初步提出了高性能混凝土中栓钉抗剪承载力的设计建议。

钢与钢纤维混凝土组合梁栓钉连接件的性能试验

对钢与普通混凝土组合梁的栓钉连接件和钢与钢纤维混凝土组合梁的栓钉连接件进行推出试验.研究钢与钢纤维混凝土组合梁栓钉连接件的抗剪性能,并和钢与普通混凝土组合梁的栓钉连接件的抗剪性能进行对比.通过比较分析发现:钢与钢纤维混凝土组合梁栓钉连接件的抗剪承载力高于钢与普通混凝土组合梁栓钉连接件的抗剪承载力;钢与钢纤维混凝土组合梁栓钉连接件的极限承载力对应的滑移值明显大于钢与普通混凝土组合梁栓钉连接件的极限承载力对应的滑移值.对钢与钢纤维混凝土组合梁栓钉连接件抗剪承载能力的理论计算提出建议.

栓钉连接件极限承载力及剪切刚度的试验

对焊接圆柱头栓钉连接件,考虑栓钉直径、混凝土强度及钢纤维配置三个因素,进行三因素三水平正交推出试验。试验数据的极差和方差分析表明,在混凝土中配置钢纤维不影响栓钉的抗剪承载力和剪切滑移刚度,但栓钉的剪切刚度随混凝土强度的提高而增大,剪切刚度与滑移量呈双曲函数关系;并给出栓钉极限承载力及剪切刚度的计算公式。重复加载试验表明,即使在剪力很小时,对栓钉卸载其滑移变形仍不能恢复。

开孔板和栓钉连接件抗剪性能试验研究及承载力计算

为了研究开孔钢板+栓钉连接件的抗剪性能,以栓钉直径和贯穿钢筋直径为变化参数,进行了5组共10个模型试件的抗剪承载力试验.基于国内外53个栓钉和96个开孔钢板模型试验结果提出了开孔板和栓钉连接件抗剪承载力计算式.研究结果表明:弹性阶段试件抗剪承载力由栓钉和开孔钢板连接件共同承担,栓钉失效后承载力出现迅速下降随后保持不变,该阶段抗力主要由孔内贯穿钢筋承担并表现出良好的延性;随栓钉和贯穿钢筋直径的增加试件抗剪承载力及初始刚度均提高,而延性则减小;采用栓钉连接件和开孔钢板连接件叠加作用以及考虑1.25倍安全系数的承载力计算公式,其计算值与试验结果吻合较好.

重复荷载作用后栓钉连接件的剩余力学性能

为研究钢-混凝土组合结构中栓钉连接件在疲劳荷载作用后的力学性能退化规律,基于标准推出试验方法,对共计11个栓钉连接件的推出试件进行了三组试验,分别为推出试件的静载破坏试验、完全疲劳破坏试验以及经历一定疲劳荷载循环次数后的静载破坏试验.在得到栓钉推出试件的静力承载力和疲劳寿命的基础上,分析总结了不同疲劳荷载循环次数后的栓钉推出试件的抗剪承载力、抗剪刚度、延性等力学性能的变化情况,并建立了考虑力学性能退化的栓钉荷载-滑移本构模型.结果表明:(1)栓钉连接件在静载破坏、疲劳破坏以及疲劳后静载破坏下呈现三种不同的截面破坏特征;(2)疲劳荷载作用下,栓钉推出试件的各项剩余力学指标均呈非线性退化,退化趋势显著;(3)文中所建立的栓钉荷载-滑移本构模型,形式简单,便于应用,且计算值与试验值吻合良好.

栓钉高度对栓钉连接件抗剪性能的影响

为了研究栓钉高度对栓钉连接件抗剪性能的影响,通过24个栓钉抗剪性能模型推出试件,获得栓钉在不同直径和高度下的荷载-滑移曲线和破坏模态,比较分析栓钉高度对栓钉连接件抗剪性能的影响,建立考虑栓钉高度的抗剪承载力计算式.研究结果表明:当栓钉连接件长径比为4.5~13.2时,栓钉的抗剪承载力随长径比的增加而增大;当栓钉长径比小于10时,抗剪刚度随长径比的增加而增大,当长径比大于10时,抗剪刚度变化较小.提出栓钉连接件长径比为4.5~13.2时栓钉连接件发生剪断破坏时的抗剪承载力计算式,该公式考虑的因素更全面,与试验结果较吻合;中国现行规范关于栓钉抗剪刚度的设计值偏保守,在进行设计时可以选取规范Eurocode4或Oehlers提出的计算方法进行参考,以达到减少栓钉使用数量,降低设计和施工难度的目的.

基于ABAQUS的栓钉连接件承载能力分析及验证

为研究钢-混凝土组合结构中栓钉连接件的受力状态及承载能力的变化规律,首先采用有限元软件Abaqus建立了栓钉连接件推出试验的有限元模型,模型中考虑了材料的非线性,并对模拟栓钉与混凝土的3种接触关系进行了对比分析。其次将3种接触模型的计算结果用各国规范、学者建议的公式以及文献的实测值加以验证,结果表明:绑定约束模型计算结果的精度可以满足工程要求,但面面接触模型的计算结果更为合理。最后对影响栓钉承载能力和滑移性能的主要参数进行分析得出:混凝土等级直接影响栓钉的破坏模式,栓钉的承载力随栓钉直径的增大呈线性增长,栓钉长度对栓钉的承载力影响较小,但建议栓钉长度与直径比大于4,以防止发生栓钉拔出破坏。