Study on the interfacial shear behavior of steel reinforced concrete （SRC） members with stud connectors after fire

Statically push-out tests of 20 steel reinforced concrete short columns （SRCSC） with stud connectors on the surface of shape steel after fire and two SRCSC under ambient temperature were carried out, in order to study the failure mode, load-slip relationship and the interfacial shear transfer of SRC members after fire. Experimental results show that the typical failure modes and load-slip curves of SRCSC after fire are almost the same as the case under ambient temperature. The interfacial shear transfer of SRCSC declines exponentially not only with the increase of the peak temperature the specimen experienced but also with the increase of the peak temperature duration. The interfacial shear transfer of the specimens with studs arranged at the steel web is much higher than those with studs arranged at the steel flange. Empirical formulas of SRCSC interfacial shear transfer after fire are proposed, and the calculated results generally agree well with the experimental results.

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.

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%。

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。

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。

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。

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.

含UHPC薄层的新型栓钉组合剪力键抗拔性能试验研究

基于超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,简称为UHPC)良好的受力性能,提出了一种由钢板-UHPC薄层-普通混凝土叠合而成的新型栓钉组合剪力键,用于增强基础环式风力机基础中基础环与混凝土间的界面抗拔能力。通过对1:3缩尺模型进行了3组共9个静力拔出试验,研究了UHPC薄层厚度对新型栓钉组合剪力键的荷载-滑移曲线、破坏形态及极限承载能力的影响。结果表明,整个受力过程可经历4个阶段,即界面间摩擦传力弹性阶段、栓钉受剪弹性和弹塑性阶段、混凝土受拉破坏阶段。UHPC薄层的加入,栓钉不仅在钢板与UHPC薄层界面(简称第一界面)即栓钉根部出现了塑性,同时在UHPC薄层-普通混凝土交界面(简称第二界面)上亦出现了明显的塑性,使得新型栓钉组合剪力键抗剪刚度及承载力均较普通栓钉剪力键有显著提高。同时栓钉根部剪应力峰值明显降低,有效提高了剪力键的抗拔性能。基于试验结果,提出了基于双界面栓钉屈服的新型栓钉组合剪力键抗拔承载力计算公式。对比结果表明,该公式能较好反映UHPC薄层厚度对承载力的贡献。

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。

预制混凝土桥墩墩-台组合连接构造受力机理分析

为了实现桥梁下部结构快速施工和改善施工环境的目的,在现有墩-台连接构造的基础上,提出一种在预制桥墩底部预埋一个钢-混凝土组合连接装置,与承台内部预埋钢板用预应力锚杆连接的新型构造,从而将混凝土桥墩与混凝土承台的连接转换为钢与钢的连接。建立了以预应力锚杆截面面积为变化参数的非线性有限元模型,研究了连接构造中构件的作用力变化,探讨了锚杆承载作用的可取代性,分析了连接装置的承载位置并且描述了荷载的传递路径。研究结果表明:减小锚杆面积产生的多余荷载先由连接钢筋承担,然后由焊钉承担,锚杆面积减小使更多的焊钉承担了较大的荷载;可继续减小锚杆面积使其仅起到锚固作用;墩-台结合部的荷载先传递到受拉侧加劲肋底部和受压侧加劲肋顶部,然后由焊钉连接件、连接钢筋和锚杆传递至承台。

带翼缘板嵌入式连接件抗剪性能提升试验研究

为防止波纹钢腹板PC箱梁桥带翼缘板嵌入式连接件翼缘板过早失稳导致失去抗剪能力,在翼缘板宽厚比较大处焊接栓钉。设计制作7组足尺试件进行推出试验,分析栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件在剪力作用下的破坏形态和荷载滑移性能,以及翼缘板宽厚比、腹板嵌入深度、翼缘板栓钉、腹板厚度和接合钢筋直径对抗剪性能的影响,并验证嵌入式连接件极限承载力计算公式适用性。结果表明:栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件试件破坏模式为混凝土劈裂,荷载~滑移曲线分为弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。在翼缘板宽厚比较大处焊接栓钉,阻止了翼缘板失稳,抗剪承载力得到显著提高;翼缘板宽厚比、腹板嵌入深度对栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件的抗剪性能影响较明显,而腹板厚度和接合钢筋直径的影响可以忽略。带翼缘板嵌入式连接件承载力修正计算公式与推出试验结果吻合度较好,可适用于栓钉强化的带翼缘板嵌入式连接件的设计计算。

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。

焊钉集群式后结合超高性能混凝土组合桥面板抗弯性能

为考察焊钉集群布置对后结合超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板受力性能的影响,进行常规均匀焊钉布置组合桥面板及群钉布置后结合组合桥面板试件的弯曲荷载试验和基于材料塑性损伤模型的有限元参数化分析。试验结果表明,群钉布置与均匀焊钉布置试件破坏模式特征均为UHPC板压溃、钢结构U肋底面屈服,二者弹性抗弯刚度分别为232kN·mm^(-1)及213k N·mm^(-1),承载力分别为2154 kN及2049 kN。U肋屈服前,两试件的界面最大滑移值均小于0.2 mm。两试件应变分布及发展规律相似,截面应变分布均近似服从平截面假定。参数化分析结果表明,群钉孔纵向布置间距由600 mm增至1200 mm,承载力及弹性刚度无明显变化。群钉孔尺寸相同时,孔间距对UHPC黏结界面结合状态无显著影响。间距600 mm相较1200 mm布置可更好地保证焊钉受力安全性及截面组合效应。综合对比参数化模型抗弯性能,纵向间距600 mm结合群钉孔内2×3群钉布置对正弯矩作用下后结合钢-UHPC组合桥面板受力状态改善更为有利。

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。

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。

钢-UHPC组合梁的长栓钉连接件抗剪性能研究

为了解钢-UHPC组合梁中长栓钉连接件的抗剪承载力和钢-UHPC界面滑移特性,采用推出试验和有限元法进行研究。设计、制作13个采用不同长栓钉布置形式的钢-UHPC试件进行推出试验,同时建立采用不同长栓钉与UHPC接触关系(面面接触、绑定约束、内置区域)的推出试件有限元模型,分析试件的长栓钉抗剪承载力、界面滑移性能,拟合得到考虑UHPC增强系数的钢-UHPC组合梁的长栓钉抗剪承载力、荷载~滑移公式,并与国内外规范、相关研究公式及试验值进行对比。结果表明:钢-UHPC推出试件破坏模式均为长栓钉剪断;采用面面接触的有限元模型荷载~滑移曲线与试验结果较为接近,而采用绑定约束和内置区域的模型中长栓钉受力行为与实际不符,计算值与试验值误差较大;现有规范及相关研究中的栓钉抗剪承载力、荷载~滑移公式计算值与试验值误差较大,本文公式计算值与试验值吻合较好,可用于长栓钉连接件钢-UHPC组合梁抗剪性能的初步确定。

栓钉连接对预制UHPC-现浇普通混凝土抗剪性能影响

为研究栓钉连接件对预制UHPC-现浇普通混凝土组合试件界面抗剪性能的影响,文中对光滑界面和不同栓钉连接件长度界面的组合试件进行双面剪切试验,记录加载过程中的剪切荷载与界面滑移,通过剪切荷载-滑移曲线分析栓钉连接件长度对组合试件抗剪性能的影响。研究结果表明,栓钉连接件显著提高预制UHPC-现浇普通混凝土组合试件界面抗剪强度。其中20mm栓钉露出长度界面的组合试件界面抗剪强度与抗剪刚度均最大,抗剪强度达到光滑界面的4.16倍。栓钉连接件组合试件表现为延性破坏。随着界面栓钉露出长度的增加,组合试件的界面抗剪强度与刚度均先上升再下降。为使用UHPC免拆模板进行界面处理提供参考。

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。