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。

钢-混组合结构抗剪栓钉的群钉效应研究

栓钉剪力连接件是组合结构中保证组合效应不可或缺的关键部件,在使用过程中总是同时使用多个栓钉连接件。因此,为研究栓钉群钉效应作用时的不均匀系数与抗剪性能,采用Ansys APDL进行参数分析,改变栓钉的间距和钢板厚度,以?22 mm栓钉群钉为研究对象。此外,为研究栓钉群钉的损伤后行为,设置不同间距,分别减小栓钉端部、中部、尾部的有效截面。计算结果表明,由于摩擦力的存在,与单钉相比,只要是多钉的推出试验,都会存在抗剪性能下降的情况,并不全是受群钉效应影响;弹性阶段不均匀剪力演高度呈月牙状,但是随着间距减小,塑性阶段不均匀剪力由月牙状向线形转变,端部的不均匀系数不断降低,尾部的不均匀系数提升,沿高度最大不均匀系数差异接近10%;弹性阶段钢板厚度改变时,不均匀系数仅发生5%变化,塑性阶段约1%,相比于栓钉间距,钢板厚度对不均匀系数的影响有限;栓钉的平均抗剪承载力随栓钉间距变化呈指数关系,栓钉的平均抗剪刚度随间距变化呈线性关系,间距越密集,平均抗剪承载力和平均抗剪刚度越低,拟合公式与计算结果吻合,相关系数均大于0.9;栓钉间距与直径比值大于6.8时,抗剪性能变化已不显著;对于越密集的栓钉群,削弱尾部的栓钉会带来更不利的抗剪性能退化情况。

跨座式单轨钢-混凝土组合梁群钉连接件力学性能研究

跨座式单轨钢-混凝土组合梁是一种新型轨道梁体形式,自重较轻且安装便捷。群钉连接件的力学性能与布置形式是决定跨座式单轨组合梁力学性能的关键设计参数。为得到群钉连接件的力学性能,针对跨座式单轨组合梁的群钉连接件展开试验研究,共设计了4组推出试验,包括3组足尺试件和1组1:3缩尺试件,研究变量包括连接件个数、布置形式以及试件尺寸,得到了各试件的破坏类型、荷载与位移关系图和主要力学性能参数。根据试验结果,4组试件的破坏模式均为栓钉剪断的延性破坏,与极限变形分析的结果保持一致。同一试件槽口不同位置处栓钉应变不同,呈现“两边大,中间小”的分布模式,且随着荷载不断增加,这种分布模式依然保持。根据规范值对比,群钉效应导致足尺试件的抗剪承载力下降约23.4%~27.2%,且承载力下降幅度与栓钉布置的密集程度成正比。群钉效应导致缩尺试件的抗剪承载力下降约16.5%,明显小于足尺试件。尺寸效应对群钉承载力的影响并不明显。总体来看,通过试验综合研究群钉连接件的力学性能,并结合现有设计规范和理论方法给出群钉连接件承载力的计算方法,为相应工程应用提供设计建议。

基于有限元的钢混组合索塔中群钉连接件力学性能分析

针对钢混组合结构中群钉连接件的力学性能,以某实际工程中的群钉连接件为依托,采用ABAQUS开展了群钉连接件的参数化分析。研究了群钉间距、群钉直径、混凝土强度及混凝土板厚对群钉连接件的力学性能的影响。结果表明:随着栓钉直径、混凝土强度、群钉间距的增大,抗剪承载力和抗剪刚度逐渐增大,混凝土板厚对群钉承载力和抗剪刚度影响不大。

高强度砂浆群钉连接件抗剪承载力试验

在混凝土桥面板预留孔浇筑高强度砂浆包裹群钉连接件以实现钢梁与混凝土有效结合.为了得到高强度砂浆包裹的焊钉的剪切强度及分析不同群钉布置形式对抗剪承载力的影响,进行了1组单钉基本力学试验和5组不同群钉布置形式的焊钉力学性能试验.试验结果表明:采用高强度砂浆包裹焊钉的连接方式可靠,焊钉具有较高的抗剪强度,单钉承载力平均值为197.2kN.在群钉连接件中不同的焊钉布置方式对承载力有一定影响,总体上随焊钉数量的增多,平均的单钉承载力呈下降趋势,焊钉数量最多的NS25试件,其平均单钉承载力为160kN,为单钉推出试验值的81%.此外,根据多排焊钉的荷载-滑移曲线,给出了多排焊钉的荷载-滑移关系表达式,与试验结果比较表明,所给表达式的结果与试验结果吻合较好.

群钉连接件推出试验及塑性分析

为探明群钉连接件的承载能力及群钉受力的传递过程,通过推出试验测出试件的荷载～位移曲线和破坏形式,得出焊钉的极限承载力和抗剪刚度,并建立推出试件的有限元模型,分析群钉和混凝土局部受力的不均匀性。试验及分析表明:随加载的增大,群钉根部应力分布从上往下由马鞍形变为逐排递减;同排焊钉边缘的应力比内部大,不均匀受力相差均在5%以内;与焊钉接触混凝土局部受力呈现上下两排大、中间两排最小的规律,最大受力差值超出50%。群钉效应使焊钉承载力折减约5%,单钉平均受力大于按多个国家规范计算的焊钉抗剪极限承载力,在正常使用状态设计时应按局部混凝土的极限强度控制,焊钉的抗剪承载力约为极限承载力的30%。

铁路桥梁群钉组合结构极限承载力和静力行为分析

针对我国铁路桥梁中应用的钢—混凝土组合结构,根据推出试验结果,采用最小二乘非线性拟合得到C 50混凝土中13和22栓钉的荷载—滑移关系式。通过群钉组合结构极限承载力试验,并结合所提出的群钉组合结构有限元模拟方法,研究钉群平均极限承载力的折减、钉群受力分布及其影响因素。研究结果表明:在群钉组合结构中,钉群平均极限承载力较单钉极限承载力有较大程度的折减,最多达到18%;钉群受力具有明显的不均匀性,由上到下呈马鞍形分布,随着荷载的增加,栓钉受力发生重分布,接近极限荷载时,各栓钉受力基本均匀。栓钉刚度、加载方式等都是钉群受力不均匀性的主要影响因素。栓钉刚度越大,钉群平均承载力折减越多。加载方式对群钉组合结构极限承载力基本没有影响,但在荷载较小时对钉群受力不均匀程度的影响较大,而随着荷载的增加,其影响逐渐减小。有限元分析结果与试验结果吻合良好,验证了所提出的群钉组合结构有限元模拟方法正确、可行。

群钉连接件在桥梁工程中的应用

介绍了群钉连接件的国内外研究状况,阐述了群钉连接件在桁架组合桥、连续组合箱梁桥、大跨度斜拉桥桥塔等桥梁工程中的使用情况,并总结了群钉连接件的优点,以进一步推广群钉连接件的广泛应用。

装配式组合梁群钉剪力键剪切刚度试验研究

为探究桥梁工程中装配式组合梁内集束钉群的荷载-变形特征,以钉群内栓钉数量为参数,开展了10个装配式群钉剪力键试件和3个现浇群钉试件的推出加载试验,对比破坏形态、承载力、滑移和剪切刚度,研究装配式与现浇式群钉剪力键的区别以及钉群内栓钉数量对力学行为,特别是界面滑移剪切刚度的影响。结果表明:相同参数下,装配式群钉剪力键试件的抗剪承载力和滑移刚度均略低于现浇试件;装配式和现浇群钉剪力键的荷载-滑移曲线均可分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段;相同荷载条件下,装配式群钉剪力键的滑移剪切刚度小于现浇试件;随着钉群内栓钉数量增加,装配式群钉剪力键整体剪切刚度增加而平均单个栓钉的剪切刚度则明显降低。基于理论分析及试验数据,提出了装配式群钉剪力键的剪切刚度计算表达式。

大跨度钢-混组合梁桥剪力群钉受力分析研究

组合梁仿真分析时将多个剪力钉简化成一个等效剪力群钉进行模拟,不能准确得到每个剪力钉的受力情况。为解决此问题,根据实桥集束式剪力钉布置方式制作剪力群钉推出试件,并进行推出试验,得知群钉中最不利的单个剪力钉承担了32%～37%的总剪力(平均值仅为25%);由大跨度组合箱梁整体模型计算得到剪力群钉受力均值、钢-混凝土相对位移及钢梁与混凝土桥面板的受力状况;根据剪力群钉荷载分配比例对组合梁整体计算得到的剪力钉计算结果进行修正。结果表明,将剪力群钉受力均值换算得到剪力钉受力极值的方法,可实现对大跨度组合梁及其剪力钉的精确仿真分析。

群钉连接装配式组合轨道梁受力特性研究

为促进钢-混凝土组合结构的工业化建造,实现钢构件和混凝土构件的工厂化预制、装配化施工,针对传统剪力钉均匀满铺建立的等效刚度理论不能反映群钉集中布置时组合结构受力特性的问题,以跨座式单轨交通为研究背景,设计制作群钉连接装配式钢-混凝土组合轨道梁,进行装配前的钢梁与装配后的组合梁固有频率、荷载-挠度曲线、截面应变曲线对比分析,研究群钉连接组合梁的受力特征。结果表明:钢梁、组合梁实测竖弯固有频率分别为29.9和32.2 Hz,混凝土板的叠合使组合梁固有频率较钢梁提高8%;组合梁内同一截面高度的钢梁和混凝土板变形不协调,混凝土板应变显著大于钢梁,是钢梁的2.5~2.8倍,不满足平截面假定;组合梁实测等效竖弯刚度随作用荷载变化呈非线性特征,简支边界条件下,实测等效竖弯刚度为理论值的0.9~1.1倍,跨中集中荷载小于500 kN时实测等效竖弯刚度大于理论值,而大于500 kN时实测等效竖弯刚度小于理论值。

预制-装配式组合梁剪力群钉推出试验研究

为揭示预制-装配式组合梁剪力群钉的破坏机制,通过开展一组3个试件的装配式剪力群钉推出破坏试验,研究了装配式剪力群钉的变形、滑移、裂缝发展以及栓钉破坏等典型破坏特征,并结合数值方法分析了栓钉与混凝土的相互作用关系。结果表明:加载全过程可分为两个阶段,线弹性阶段和塑性破坏阶段;试件均为延性破坏,最先出现预留孔四周界面裂缝,其次预制混凝土在预留孔下方角隅处45°向下开裂,最后栓钉全部或大部剪断;栓钉在弯剪共同作用下断裂;装配式剪力群钉中栓钉受力性能略弱于现浇群钉,建议采用规范计算时应适当折减,可取0.85装配折减系数。

跨座式单轨群钉连接装配式钢-混组合轨道梁等效刚度研究

为研究群钉连接装配式钢-混组合结构等效刚度,建立了有限元模型,对跨座单轨交通组合轨道梁的静动力特性进行了研究。预制混凝土板通过剪力群钉的方式与轨道梁下部钢箱进行组合装配,分别对装配之前的轨道梁钢箱和装配之后的钢-混组合轨道梁模态、等效竖弯刚度进行了分析。研究表明,混凝土板与钢箱装配后,组合轨道梁等效质量增大49%,等效竖弯刚度增大46%,竖弯模态固有频率折减3.7%,群钉连接方式能有效实现钢箱与混凝土板的组合。

钢-橡胶集料混凝土组合结构中群钉效应分析

为了研究钢–橡胶集料混凝土组合结构中栓钉的群钉效应,以不同橡胶掺量的混凝土为参数开展ABAQUS有限元精细分析,明确不同混凝土环境下栓钉的工作状态,揭示栓钉间距、尺寸对群钉效应的影响规律,进而提出考虑橡胶含量及折减系数的栓钉抗剪承载能力计算公式。研究结果表明:群钉效应使栓钉的单钉平均抗剪承载能力及抗剪刚度降低,并且导致了栓钉变形及荷载传递不均匀现象;栓钉单钉平均抗剪承载能力折减系数及不均匀系数随着橡胶掺量的增加逐渐增大;栓钉最优层间距为110 mm(6.8倍栓钉钉身直径),此时栓钉抗剪承载能力及抗剪刚度最大;提出的单钉平均抗剪承载能力计算公式,可为橡胶混凝土中栓钉群的合理布置提供数据支撑与理论指导。

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。

超高性能混凝土组合桥面板短群钉抗剪性能分析

为研究后结合正交异性钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板短焊钉集群的抗剪性能,开展2个单钉和2个群钉试件静力推出试验,将试验所得短焊钉极限承载能力与国内外规范计算值进行比较,并结合材料塑性损伤模型开展有限元参数化分析。研究结果表明:短焊钉破坏形态均体现为焊钉根部剪断和周围UHPC的局部压溃;集群化短焊钉平均抗剪刚度和承载能力较单钉分别下降了18.1%和12.1%。短焊单钉试件承载力比各规范计算值高6.1%~45.4%;短焊钉集群后承载力试验结果比计算值高1.6%~27.8%,但比AASHTO计算值低约6.8%;随着短焊钉数量的增多,群钉中单个焊钉的平均抗剪刚度与承载能力较单钉呈现下降的趋势;相比常规单钉,群钉中焊钉的抗剪刚度和承载力分别下降3.3%~30.5%和6.8%~17.7%;在极限荷载状态下,群钉周边UHPC的损伤分布呈现明显的不均匀分布和连通的特点,揭示了集群化短焊钉承载力及刚度下降的内在原因。

钢-UHPC组合板群钉效应有限元分析

建立考虑栓钉焊缝影响的钢-UHPC组合板推出试件的精细化有限元模型,在验证模型有效性和合理性的基础上,深入分析栓钉与UHPC相互作用机理与试件的受力全过程行为,探究栓钉间距对其抗剪性能的影响.有限元分析结果表明:与无焊缝模型相比,有焊缝模型中的栓钉抗剪承载力与试验值更接近,因此有限元模型中应考虑焊缝的影响;直径和间距对栓钉承载力同样影响显著,且随着栓钉直径增大和间距减小,UHPC板会出现开裂甚至可能破坏.以水平抗剪时栓钉先于UHPC破坏为原则,建议直径d为13 mm的栓钉,其间距不宜小于2.5 d;直径d为16和19 mm的栓钉,其间距不宜小于3.5 d.对于栓钉承载力考虑群钉效应的折减系数η_(G),建议当间距不小于8.0 d时,可取为1.0(不考虑群钉效应);当间距大于建议的最小值且小于8.0 d时,取0.94.

群钉连接组合轨道梁刚度调整系数研究

针对预应力混凝土轨道梁线形精度控制难度大,全钢结构轨道梁运营噪声振动等问题,研发了新型群钉连接装配式钢-混凝土组合轨道梁,下部钢梁和上部混凝土板分开预制,通过群钉装配形成组合梁。按1:3几何缩尺比,制作了试验梁模型,对装配前后的钢梁、组合梁固有频率、荷载-挠度曲线、截面高度-应变曲线进行了有限元计算和实测试验,并与界面无滑移钢-混凝土组合等效刚度理论结果进行了对比,获取了不同工况下的刚度调整系数,并验证了其准确性和适用性。研究结果表明:实测荷载-刚度调整系数曲线呈非线性;随试验荷载的增大,刚度调整系数先增大后减小;钢混组合截面不完全符合平截面假定,大幅荷载下混凝土板非线性特性更为明显;基于刚度调整系数对理论值和有限元计算值分别进行修正,得到群钉连接组合梁频率与实测值的误差为2.2%~4.0%,应力误差为8.0%~23.8%,在实际工程中,采用该系数可指导并简化该类结构的计算和设计。

Φ19mm群钉抗剪性能试验研究及有限元分析

设计了一个原型足尺推出试件,进行单调推出试验,研究了Φ19 mm群钉抗剪性能。应用ABAQUS有限元分析软件,进行模拟分析,模拟结果与试验结果吻合较好。基于该模型基础上进行参数分析,研究混凝土强度等级及栓钉纵向间距对试件抗剪能力的影响,有限元结果表明,群钉抗剪承载力随混凝土强度等级、群钉纵向间距增大而提高。

土钉支护的群钉效应分析

通过对半无限体表面下水平集中荷载作用下Mindlin解进行积分计算,求得了水平线荷载周围水平应力σmx的通解,分析发现大多数土钉支护都存在"群钉效应",土钉与土钉之间应力会相互叠加。