波形钢-UHPC组合桥面板中栓钉-PBL连接件抗剪性能数值模拟研究

针对波形顶板-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)新型组合桥面板结构,提出在波形钢板波峰处布置短栓钉,波谷处布置开孔板(Perfobond Leiste,PBL),形成栓钉-PBL组合连接件协同抗剪。为探究该组合连接件的抗剪力学性能,建立组合连接件推出试验及梁式试验的有限元模型,并基于现有试验对模型的正确性进行验证。在此基础上,讨论了栓钉直径、PBL孔径、栓钉抗拉强度和UHPC抗压强度等设计参数对组合连接件抗剪性能的影响规律。通过分析组合连接件在推出试验全过程中的剪力分配规律,揭示了波形顶板-UHPC组合结构中栓钉与PBL剪力连接件的协同工作机理及破坏机理,并基于此提出组合连接件的设计理论和抗剪承载力计算方法。研究结果表明:组合连接件受到的剪力由栓钉和PBL共同承担,增加短栓钉直径、PBL孔径和UHPC强度均可有效提高组合连接件抗剪承载力;栓钉与无贯穿钢筋的PBL连接件抗剪承载力相近时,后者在加载初期承担的荷载较大,并会早于栓钉发生破坏;二者抗剪承载力之比在1.5左右时,大致同时进入破坏阶段,组合效果最佳;提出的栓钉-PBL组合连接件抗剪承载力计算公式的计算结果与有限元及试验结果吻合度较高;抗剪连接程度相同时,采用组合连接件的桥面板受力性能最佳,钢板与UHPC层之间的相对滑移和间隙均最小。

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.

预制钢-UHPC组合梁中橡胶-短栓钉剪力件的抗剪性能试验研究

为了探究钢-UHPC组合梁中橡胶-短栓钉剪力件的抗剪性能,试验设计并制作了10个推出试件,研究橡胶套筒尺寸和加载制度对其抗剪性能的影响规律。试验结果表明:试件以栓钉剪断为主要破坏形式,并伴随栓钉附近局部混凝土压碎。橡胶套筒厚度对剪力件的抗剪承载力影响较小,橡胶套筒厚度为2mm的组合剪力件承载力为普通剪力件的94%。随着橡胶套筒厚度的增加,剪力件的抗剪刚度随之下降,最小为普通剪力件的87%;相对滑移则随着厚度增加而增加,最大为普通剪力件的142%。而随着橡胶套筒的高度增加,剪力件的抗剪承载力随之减少,橡胶套筒高度为50mm的组合剪力件承载力为普通剪力件的89%;随着橡胶套筒高度的增加,剪力件的抗剪刚度随之下降,最小为普通剪力件的75%;相对滑移则随着高度的增加而增加,最大为普通剪力件的137%。

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。

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。

钢–混组合梁桥单钉剪力连接件抗剪性能研究

为研究单个栓钉剪力连接件在实际工程当中应用时的剪切性能,以某地区在建波形钢腹板钢–混组合梁桥为工程背景进行抗剪性能研究,采用有限元建模的方法,在钢箱梁与混凝土板的连接部位建立局部模型,结合实际工程进行栓钉连接件的仿真推出试验,并将荷载位移曲线结果与经典理论曲线进行对比,结果吻合度高,验证了建模的正确性。在此基础上,探究钢材强度、混凝土强度、栓钉直径、栓钉长度对栓钉抗剪性能的影响,研究发现,随着增强不同因素,对于栓钉抗剪承载力有不同程度的增加,其中栓钉直径对抗剪承载力影响最大,栓钉长度对抗剪承载力影响最小。

栓钉剪力连接件传力机理与有效受力长度研究

为研究栓钉剪力连接件受力机理及其在不同强度混凝土中的有效受力长度,进行不同长度栓钉剪力连接件推出试验和精细化有限元参数分析。基于精细化数值模型,分析栓钉及其周围混凝土受力机理,得到栓钉周围混凝土主应力迹线,揭示混凝土力流传递路径。研究结果表明:栓钉受力分为弹性和塑性两个阶段,混凝土强度不变时,栓钉长度变化对栓钉抗剪性能影响较小。基于应力分布规律,栓钉周围混凝土分为三个受力区域,即栓帽上方受压拔区、栓帽下方受拔区和栓钉根部下方受压区。栓钉有效受力长度随混凝土抗压强度增加而减小。以直径19 mm栓钉为例,当混凝土抗压强度为20、30、40和50 MPa时,栓钉有效受力长度为4.42d(d为栓钉直径)、4.00d、3.68d和3.42d。

钢-混组合结构群钉连接件的连杆效应试验研究

钢—混组合结构连接件中栓钉式群钉连接件存在单钉承载力折减及群钉中栓钉的剪力分布不均匀的情况,本文提出一种带连杆的群钉连接件,旨在通过在栓钉之间设置连杆使群钉中栓钉之间的剪力分布更加均匀,并提高构件的整体承载能力。利用推出试验结合有限元模拟,揭示了带连杆群钉连接件的作用机理,并通过参数分析给出群钉构件合理的连杆布置位置以及尺寸。研究结果表明:在构件达到极限承载力时,合理的设置连杆能够减少83.76%的栓钉底部剪力分布的不均匀程度,对构件承载能力的提升能达到8.56%。本文研究可为带连杆群钉连接件的结构优化提供一定的理论基础,推动新型连接件的发展。

抗拔栓钉剪力连接件配筋方案研究

为探究抗拔栓钉剪力连接件的合理钢筋配置,采用有限元的建模分析和试验验证。结论是:(1)抗拔栓钉剪力连接件模型的抗拔承载力随着配筋率的增加而上升,在无筋、少筋、适筋和超筋情况下分别会出现混凝土截面拉裂、混凝土冲切破坏、栓钉剪断三种破坏形态;(2)抗拔栓钉剪力连接件模型中主要受力筋为核心区内的纵筋,可将其视为核心区轴向受拉来进行设计。当核心区的钢筋计算承载力大于栓钉破坏荷载时,能够保证抗拔栓钉剪力连接件发生栓钉剪断的破坏形态。

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。

钢-UHPC界面栓钉与PBL混合剪力连接件试验研究

为深入研究钢-超高性能混凝土(UHPC)界面栓钉与PBL混合剪力连接件的抗剪性能,提出实用的计算方法指导工程设计应用,基于实际工程背景,设计了6组共12个模型试件并进行了推出试验.试验结果表明:1)UHPC中栓钉剪力连接件、PBL剪力连接件、栓钉与PBL混合剪力连接件的荷载-滑移曲线具有相似的曲线特征,均可分为弹性、塑性损伤及破坏三个阶段.2)在正常使用阶段,混合剪力连接件中栓钉与PBL共同承受荷载,其分担荷载比例与各自刚度成正比.针对UHPC中栓钉及PBL的抗剪性能进行理论分析,分别提出了UHPC中栓钉以及PBL的荷载-滑移全曲线实用经验公式、抗剪承载力计算式及抗剪刚度建议取值方法等.分析栓钉与PBL混合剪力连接件中各部分受力分配情况,在荷载按刚度分配原理基础上,提出了UHPC界面栓钉与PBL混合剪力连接件的荷载-滑移全曲线实用经验公式.最后利用本文提出的UHPC界面栓钉与PBL混合剪力连接件实用公式对实桥墩柱进行验算表明,抗剪安全系数为2.17,剪切滑移量为0.04 mm,符合实际工程承载极限状态及正常使用状态的要求.本文提出了栓钉与PBL混合剪力连接件的计算方法,为其工程应用奠定了基础.

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.

钢纤维混凝土栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度分析

为建立钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度设计计算方法,结合已有文献推出试验,采用ABAQUS显式准静态求解技术进行非线性有限元分析,仿真计算结果与文献推出试验结果基本吻合。以橡胶套高度、橡胶套厚度、混凝土强度和栓钉直径为影响参数,分析组合连接件抗剪刚度变化规律,并结合现有栓钉抗剪刚度计算式拟合出SFRC栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度设计计算公式。结果表明:ABAQUS显式准静态求解技术能较好地实现组合连接件推出试验数值模拟;采用橡胶套包裹栓钉后会大幅降低连接件抗剪刚度,抗剪刚度最大降幅约为60%;当橡胶套高度为25 mm、厚度为2.5 mm时,即可显著降低连接件抗剪刚度;钢纤维混凝土强度对抗剪刚度影响较小;组合连接件抗剪刚度与栓钉直径近似呈正比关系;提出的抗剪刚度设计计算式能较准确预测钢纤维混凝土栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度,为工程设计提供参考与借鉴。

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。

高温下栓钉剪力连接件抗剪性能试验

为研究高温下栓钉的抗剪性能,对24个栓钉推出试件进行了高温下推出试验.试验考虑了平板、压型钢板肋与钢梁垂直和压型钢板肋与钢梁平行三种混凝土板型式,考察了栓钉在不同温度下不同混凝土板型式中的受力特点和破坏模式.试验结果表明:平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件均为焊缝上侧栓钉剪断破坏,而压型钢板肋与钢梁垂直的试件在温度较低时为混凝土拔出破坏,温度较高时转为栓钉剪断破坏.另外,三种混凝土板型式中栓钉的抗剪承载力和刚度均随温度的升高而降低,且平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件中栓钉的承载力比压型钢板肋与钢梁垂直的试件中栓钉要高.通过对试验数据的拟合,提出了高温下栓钉抗剪承载力的计算公式.

高温下栓钉剪力连接件的结构性能数值模拟研究

目前,钢混凝土组合梁由于其具有截面高度小、自重轻、延性好等优点而广泛应用于高层建筑和桥梁结构中。钢混凝土组合梁中,钢梁和混凝土板通过剪力连接件共同作用,钢混凝土组合梁的性能很大程度上依赖于剪力连接件的性能,因此剪力连接件是组合梁中的关键部位。栓钉是目前最常用的柔性剪力连接件。本文采用有限元软件ABAQUS,较系统地研究了高温下组合梁中栓钉破坏形态、破坏机理、抗剪承载力和荷载—滑移规律性能,为高温下组合梁抗火性能研究提供基础。模型中混凝土、栓钉和钢梁采用实体单元模拟,材料的力学特性和热工特性参数根据欧洲规范(EN 1994-1-2)。本文先用文献中的试验结果验证了数值模型的可靠性,并进一步研究了不同栓钉直径和不同混凝土强度等级时的高温下栓钉承栽力折减系数。研究表明,欧洲规范中高温下栓钉承栽力的计算公式是合理的,能较准确地预测栓钉在高温下的承栽力。

苏通大桥索塔栓钉剪力连接件的力学性能试验

利用剪力钉将钢锚箱和混凝土塔壁结合形成的一种新型锚固形式开始用于大跨度斜拉桥中.结合苏通大桥工程,进行了4组12个试件不同水平压力下的剪力钉性能试验,试验结果表明,随着压力的增大,剪力钉的极限承载力增加,苏通大桥索塔中,预压力对剪力钉极限承载力影响最大为9.3%.利用3个试件进行了剪力钉基本力学性能的标准推出试验,得到苏通大桥索塔剪力钉的极限抗剪强度、屈服抗剪强度、容许抗剪强度、抗剪刚度等基本力学指标,并将其与国内外其他计算方法进行了比较.