高强钢管超高性能混凝土界面黏结滑移性能试验

目的为了研究高强钢管超高性能混凝土的黏结滑移性能,方法考虑径厚比、长径比和钢纤维掺量3个参数的影响,设计并制作15根构件进行试验研究,通过推出试验,得到轴向荷载与加载端位移的荷载-位移曲线,以及高强钢管与超高性能混凝土之间的黏结强度,根据试验结果,对影响黏结强度的参数进行定性定量分析。结果结果表明:随着高强钢管长径比和径厚比的增加,黏结强度减小;随着钢纤维掺量增加,试件黏结强度先增加后减小,即当钢纤维掺量从1%增加到2%时,黏结强度增加,但当钢纤维掺量从2%增加到3%时,黏结强度反而降低;试件荷载-滑移曲线表现为两种形式,一是有明显的峰值点,峰值点后曲线急速下降(部分出现尾部上升的现象),二是曲线无明显峰值点,拐点后曲线持续缓慢增长。高强钢管超高性能混凝土的黏结破坏分为黏结阶段、滑动阶段和抗摩擦阶段。结论以长径比、径厚比、含钢率和套箍系数为参数,结合试验数据并对其进行回归分析,得到适用于高强钢管超高性能混凝土黏结强度的计算模型,并将计算结果与试验结果进行对比,计算值与试验值吻合较好,可为实际工程提供一定参考。

钢-UHPC轻型组合结构短栓钉抗剪性能试验研究

通过6个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)轻型组合结构短栓钉推出试验,对其抗剪承载力、破坏形态、栓钉应变及荷载-滑移曲线进行了研究,探讨了栓钉直径、长度、数量以及界面黏结对短栓钉抗剪性能的影响规律.结果表明:所有试件均为栓钉根部剪切破坏,UHPC板除栓钉根部沿承压方向部分UHPC压碎外,其余部分保持完好,UHPC可以抵抗栓钉传递的高压应力;栓钉根部截面屈服后应力强化阶段明显,栓钉发生剪切破坏时,栓钉根部上侧应变超过3500με;长径比为2.0的短栓钉在UHPC中也能发挥全部强度;所有试件的荷载-滑移曲线分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段,所有短栓钉的最大滑移量均小于4 mm,工程应用时应按照弹性剪力连接件进行设计;栓钉直径对栓钉抗剪性能提高最显著,直径16 mm的栓钉比直径13 mm的栓钉的抗剪承载力和极限滑移分别提高了46.4%和11%,弹性刚度和塑性刚度分别提高了35.8%和59.1%,增加栓钉长度和界面黏结能有效提高栓钉的剪切刚度,长径比为3.0的栓钉比长径比为2.5的栓钉的弹性刚度提高了12.3%,界面有黏结试件比界面无黏结试件的弹性刚度提高了17.4%;相同间距内,合理增加更多栓钉有利于提高整体抗剪强度,但会降低延性变形能力.最后,结合实验数据和国内外UHPC中栓钉推出试验结果,建立了UHPC中栓钉荷载-滑移曲线和抗剪承载力预测表达式,计算值与试验值吻合良好.

极地低温下混凝土填充GFRP拉挤管黏结性能试验研究

纤维增强聚合物(FRP)管与混凝土之间的界面黏结是二者之间荷载传递的必要条件和共同作用的重要前提.为了探究混凝土填充GFRP管(CFFT)在极地等严寒环境下的黏结性能,在20~-80℃的不同低温条件下,对12个圆形和16个方形CFFT进行了推出试验,得到了GFRP管-混凝土界面的黏结-滑移曲线和典型破坏模式.研究了低温水平(T=20℃、-30℃、-60℃、-80℃)、界面类型(黏砂和未黏砂)、径厚比(D/t=30.0、31.3、37.5、50.0)、截面类型(圆形、方形)和FRP管制造工艺(拉挤成型、纤维缠绕)对黏结性能的影响.试验结果表明:除推出破坏外,部分方形黏砂试件表现为角部开裂;低温改善了GFRP管与混凝土的黏结性能,且20~-60℃温度段对黏结性能的影响强于-60~-80℃温度段;黏砂可显著提高CFFT的界面黏结强度(-60℃下,圆形黏砂试件黏结强度可增加到未黏砂试件的2.18倍,方形黏砂试件黏结强度可增加到未黏砂试件的7.93倍);D/t与黏结强度呈负相关;圆形CFFT的黏结强度高于方形CFFT;拉挤管的黏结强度低于纤维缠绕管,这表明GFRP管-混凝土的界面黏结强度主要受摩擦力(环向约束压力)影响.最后在试验的基础上,提出了CFFT在低温下黏结强度的预测模型.本研究可为CFFT构件在极地低温下的应用提供参考.

钢-混凝土组合梁螺栓连接件受剪性能试验研究

传统螺栓连接件的直径小于钢梁预留孔的孔径,导致螺栓与孔壁存在间隙,容易引发钢梁与上部混凝土板间发生相对滑移使组合梁挠度增大。为尽量减小或消除上述间隙,本文引入铰制孔螺栓和螺纹孔螺栓作为组合结构的剪力连接件,并提出锥套自锁螺栓连接件。设计并开展了8个螺栓连接件推出试验,基于各试件的荷载-滑移曲线,研究了3种螺栓连接件与传统螺栓连接件间的抗剪承载力、滑移能力及抗剪刚度等受剪力学性能的具体差异。研究结果表明:3种螺栓连接件的破坏形态与传统螺栓连接件表现一致,均为螺栓杆剪断,混凝土无压溃现象;3种螺栓连接件的抗剪承载力均接近于传统螺栓连接件的抗剪承载力;基于试件的荷载-滑移曲线,3种螺栓连接件均可分为弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段;3种螺栓连接件的延性系数和抗剪刚度均明显优于传统螺栓。综合考虑力学性能、施工性能和经济性,本文建议选用铰制孔螺栓用于组合结构的剪力连接件。

装配式槽钢组合梁中开孔钢板连接件力学性能

为研究新型装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中开孔钢板剪力连接件(PSP剪力连接件)的力学性能,设计7组标准试件并开展推出试验,对比分析不同参数PSP剪力连接件的受剪承载力和破坏模式。利用ABAQUS非线性有限元模型对PSP剪力连接件的破坏模式和受力机制进行数值模拟,并与试验结果对比验证计算结果的可靠性。在此基础上,进一步分析开孔钢板厚度、开孔直径、混凝土强度、穿孔钢筋及连接件间距对PSP剪力连接件力学性能的影响。结果表明:除10 mm厚度的PSP剪力连接件外,所有4 mm与6 mm厚度的PSP剪力连接件均发生明显弯曲变形,试件破坏时连接件周围混凝土均出现斜向裂缝;开孔直径和穿孔钢筋对受剪承载力和抗剪刚度影响较小,而增加开孔钢板厚度、混凝土强度能提高剪力连接件受剪承载力和抗剪刚度;对于双排PSP剪力连接件,增大连接件间距能够显著提高单排PSP剪力连接件平均承载力,当间距为250 mm时,单排平均承载力达到单个PSP剪力连接件的91.2%。根据试验及有限元荷载滑移曲线提出装配式双拼槽钢-混凝土组合梁中单个PSP连接件荷载滑移曲线计算公式,为装配式双拼槽钢混组合梁的设计提供参考。

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。

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。

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%。

冻融循环作用后钢管混凝土界面黏结滑移本构模型研究

在北方寒冷地区,钢管混凝土结构因冻融作用侵蚀而造成钢管开裂以及钢管混凝土结构力学性能劣化从而导致结构破坏的事故时有发生。针对冻融侵蚀后钢管混凝土界面黏结性能问题,制作了钢管混凝土推出试件,考虑冻融循环次数、混凝土强度、钢管径厚比等不同参数,进行冻融试验和推出试验,分析了界面黏结力的分布规律和影响因素,研究了冻融循环作用后钢管混凝土界面黏结滑移本构关系,确定了界面平均黏结强度以及峰值黏结强度、残余黏结强度特征值。结果表明,随着冻融循环次数的增加,界面平均黏结强度减小,极限荷载对应的滑移逐渐增大,而残余黏结强度呈线性减小,稳定段起点滑移随着冻融循环次数的增加呈指数增长。峰值黏结强度、残余黏结强度随混凝土强度的增加而提高,随着径厚比的增大而降低。分析外钢管密布应变计所测出的应变分布规律可知界面黏结应力呈指数分布,对比分析由荷载、滑移结合能量法理论推导所得的黏结应力分布函数,结果表明其具有较高精度,为后期研究界面黏结性能提供了新思路。构建了冻融循环作用后界面黏结应力-滑移三段式本构模型,并提出了相应特征值计算公式和本构模型,可为该类构件设计时考虑冻融作用提供参考。

内焊钢筋-钢管混凝土界面粘结滑移性能

为了探究提高钢管混凝土组合结构钢管与混凝土界面粘结强度的措施,研究不同形式的内焊钢筋对两者界面粘结强度的影响,设置4种不同形式钢管内焊钢筋结构的钢管混凝土构件进行推出试验,对试验结果设置参数以比较不同内焊钢筋构造措施对两者界面粘结性能的影响,结合曲线与试验现象描述了滑移发生过程。应用ABAQUS软件进行有限元模拟,对比分析了不同内焊钢筋构造措施对粘结滑移性能的影响,并提出了钢管内焊钢筋构造粘结力的计算方法。结果表明:内焊钢筋的构造措施可以大幅度提升钢管混凝土界面的粘结强度;随着钢筋环数的增加,界面粘结强度逐渐增大。

基于ABAQUS二次开发下大直径群钉抗剪性能研究

为研究大直径群钉的抗剪性能,综合考虑大直径群钉推出试验过程中材料、接触及几何非线性,采用ABAQUS软件建立推出模型。对推出模型进行二次开发,研究预留块材料强度、栓钉直径、栓钉高度和钢梁翼缘板厚度对栓钉抗剪性能的影响。主要结论如下:集束式大直径栓钉抗剪时,增大预留块材料强度等级,钢梁翼缘板翘曲程度减小,大直径栓钉应力不均匀程度减弱,显著减小了预留块受压损伤面积。增大栓钉直径可有效提高栓钉的极限抗剪承载力,但栓钉根部后方混凝土受压损伤区域也明显增大,大直径栓钉应力不均匀程度增加,群钉效应较为显著。增大栓钉高度和钢梁翼缘板厚度对平均单钉的极限抗剪承载力影响不大,为减小钢梁翼缘板翘曲程度,可优先选择增加钢梁翼缘板厚度。研究成果可为钢-混组合结构中集束式大直径栓钉抗剪设计提供参考。

真实侵蚀路径下焊钉锈蚀过程及承载能力演化特性

通过6个焊钉连接件的氯盐侵蚀退化试验及推出试验,探究钢板组合梁焊钉连接件锈蚀后的静力性能。模拟桥面除冰盐环境下“环境―混凝土―钉头”氯盐侵蚀路径,试验完成后焊钉三维扫描重建结果表明,焊钉钉头部位锈蚀最严重,钉身部位锈蚀相对较轻。基于焊钉三维扫描重建的有限元模拟和试验结果揭示,在“环境―混凝土―钉头”侵蚀路径下,随着焊钉锈蚀程度的加深,连接件的承载性能、极限滑移和整体刚度均逐渐降低。根据试验结果拟合得到了考虑焊钉钉头和钉身锈蚀率的连接件抗剪承载力修正公式及连接件荷载-滑移曲线计算公式。从公式可以看出,相较于钉头部位,钉身部位的锈蚀更易引起连接件抗剪性能的降低。

冻融循环环境下方钢管混凝土粘结强度试验研究

为研究冻融循环环境下方钢管混凝土的粘结性能,设计制作了19组57个方钢管混凝土短柱试件,并对这些试件开展冻融循环后的推出试验。获得了试件的荷载-滑移曲线,分析方钢管混凝土粘结力的组成以及冻融循环次数、构件长细比、钢管宽厚比对粘结强度的影响。试验结果表明,冻融循环后方钢管混凝土的荷载-滑移曲线与常温下总体相似,包含无滑移段、上升段、下降段、残余段。无滑移段的粘结作用由化学胶结力提供,滑移产生后的粘结作用由摩擦力和机械咬合力提供。在试验参数范围内,方钢管混凝土的粘结强度随着冻融循环作用次数增加呈幂函数减小,随着构件长细比的增大呈线性降低,随着钢管宽厚比的增大呈指数下降。在试验结果基础上,提出了冻融循环后方钢管混凝土粘结强度的计算公式,计算结果与试验结果总体总体吻合。

UHPC-NC组合箱梁顶板界面抗剪性能试验研究

为了研究超高性能混凝土(UHPC)与普通混凝土(NC)组合箱梁的界面抗剪性能,该文设计了3类界面处理方式不同的试件,分别为不处理类、凿毛类、涂缓凝剂+水冲洗类,同时进行了UHPC与NC的组合推出试验,分析3类试件的破坏形态和抗剪性能.试验结果表明:UHPC与NC组合结构进行界面处理后,推出试件的破坏形态为普通混凝土侧的拔出破坏,与界面不处理的破坏形态相同,且各类试件的初始剪切刚度相近.但不同界面处理方式对试件的平均抗剪强度影响较大,进行界面处理后相较于不处理时的平均抗剪强度大幅提高,均为不处理时的4倍以上.

高性能材料桥梁外挂板摩擦耗能节点受力性能试验及分析

为实现高性能材料外挂板与桥梁主梁的装配式连接,提出一种由螺栓、长圆孔垫片、圆孔垫片、防松垫圈、垫高垫片和角钢组成的新型摩擦耗能节点。设计并开展了新型摩擦耗能节点的推出试验,探究了超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)、玻璃纤维增强水泥(Glass Fiber Reinforced Concrete,GRC)两种材料外挂板节点在不同方向剪切力作用下的荷载-滑移特征、螺栓滑移路径、极限承载力和破坏模式,并采用数值模拟方法对不同螺栓直径节点的受力性能进行扩大参数分析。试验结果表明:该摩擦耗能节点抗剪破坏形态均为螺栓剪断,螺栓刺入混凝土会造成螺栓孔壁不同程度压碎,GRC挂板螺栓孔壁损坏较严重且有裂缝形成,UHPC挂板仅被螺栓轻微刺入。节点受剪方向对螺栓滑移路径、变形特性以及节点极限承载力有明显影响,沿长螺栓孔短边方向推出抗剪承载力高于沿长边推出;M16螺栓节点抗剪承载力约为螺栓抗拉承载力的72%~87%。数值模拟结果表明:螺栓直径每增大2 mm节点抗剪极限承载力约提升16%,改变UHPC强度对节点抗剪承载力无明显影响,破坏模式均为螺杆受剪断裂。

基于加速锈蚀试验的群钉连接件抗剪性能研究

为研究栓钉在锈蚀情况下的抗剪性能退化规律,文中对群钉连接件组合试件进行恒电流加速锈蚀试验与推出试验。结果表明,栓钉锈蚀不会影响其破坏形态,但会减少连接件的抗剪承载力和极限滑移值,根据各试件的抗剪承载力拟合出锈蚀降低函数,发现栓钉的抗剪承载力与锈蚀率之间为指数降低的关系。

钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键群的抗剪性能试验研究

为研究高强螺栓作为钢-预制UHPC组合梁剪力键的抗剪性能,共设计15个推出试件,探究螺栓间距和螺栓数量对试件的破坏模式、荷载-滑移曲线、极限承载力、延性和初始抗剪刚度的影响。试验结果表明,推出试件的主要破坏模式为螺栓剪力键剪断,同时在螺栓剪切面下端有局部UHPC受压剥落,UHPC预制板只在剪力槽四周出现细微裂缝。减小螺栓间距会导致试件的抗剪性能降低;而增加螺栓数量可以有效地提高试件的抗剪性能,但也会导致单栓初始抗剪刚度下降。分析国内外现行钢-混凝土组合梁中剪力键的抗剪承载力计算公式,并以此提出一条更适用于钢-预制UHPC组合梁中高强螺栓剪力键群的抗剪承载力计算公式。对比提出公式的计算值与试验值,两者的平均比值、标准差和变异系数分别为1.02、0.02和0.02。

螺栓连接的H型钢-竹集成材组合结构连接件推出试验

将H型钢翼缘与侧压竹集成材通过螺栓连接形成一种钢-竹组合结构,完成了5组共15个试件的静态双面剪切推出试验,以研究其屈服模式和破坏特征,探讨螺栓直径和竹集成材厚度对钢-竹组合结构的力学性能影响。试验结果表明:钢-竹组合结构破坏时,若竹集成材较厚,试件会发生双铰屈服,螺栓在竹集成材孔内以及H型钢翼缘孔内形成2个塑性铰,且螺栓直径较小时,会发生螺栓端头断裂;若竹集成材较薄,试件会发生单铰屈服,螺栓在H型钢翼缘孔内形成一个塑性铰,在竹集成材内保持刚直,且竹集成材会先于螺栓产生劈裂破坏。随着螺栓直径的增加,推出试件的屈服荷载、极限荷载和剪切滑移刚度均呈线性比例增加,延性无显著变化;试件的屈服荷载、极限荷载和延性随着竹集成材厚度的增加而增大,竹集成材厚度对剪切滑移刚度无显著影响。依据Johansen屈服模式Ⅲs和欧洲规范Eurocode 5考虑绳索效应,提出了适用于型钢-竹集成材螺栓连接的抗剪承载力公式,其计算值与试验值误差为12.92%,抗剪承载力计算值与试验值较吻合。

新型不锈钢螺栓连接件疲劳后力学性能退化研究

为探究装配式组合梁中新型不锈钢螺栓连接件疲劳后的力学性能,开展螺栓连接件疲劳后力学性能仿真方法研究。首先,基于当前螺栓连接件存在的问题与不足,设计了一种耐锈蚀、方便拆卸的新型螺栓连接件。其次,进行1组静载推出试验,4组不同疲劳加载次数后的静载推出试验,分析了试件破坏特征以及力学性能退化规律。最后,基于材料剩余强度理论,引入考虑疲劳损伤的混凝土和螺栓连接件的材料退化本构模型,建立不同疲劳加载次数后的螺栓连接件力学性能退化仿真计算流程,并对仿真结果进行了验证。结果表明:新型螺栓连接件疲劳加载270万次后剩余承载力退化了12.1%,且疲劳后破坏模式为螺栓剪断。采用的材料本构退化模型的仿真计算值与试验结果吻合较好,能够合理地反映螺栓在疲劳后的力学性能退化状况。

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。