Feasibility of developing composite action between concrete and cold-formed steel beam

Cold-formed steel structures are steel structure products constructed from sheets or coils using cold rolling, press brake or bending brake method. These structures are extensively employed in building construction industry due to their light mass, ductility by economic cold forming operations, favorable strength-to-mass ratio and other factors. The utilization of cold formed steel sections with concrete as composite can hugely reduce the construction cost. However, the use of cold formed steel members in composite concrete beams has been very limited. A comprehensive review of developments in composite beam with cold formed steel sections was introduced. It was revealed that employing cold-formed steel channel section to replace reinforcement bars in conventional reinforced concrete beam results in a significant cost reduction without reducing strength capacity. The use of composite beam consisting of cold-formed steel open or close box and filled concrete could also reduce construction cost. Lighter composite girder for bridges with cold-formed steel of U section was introduced. Moreover, types of shear connectors to provide composite action between cold-formed steel beam and concrete slab were presented. However, further studies to investigate the effects of metal decking on the behavior of composite beam with cold-formed steel section and introduction of ductile shear connectors were recommended.

自攻螺钉与拉铆钉混合连接受剪承载性能试验

为改善自攻螺钉连接的构件在地震作用下易发生拉脱导致结构严重破坏的缺点,提升冷弯薄壁型钢组合墙体抗破坏能力,分析了组合墙体层间连接处的传力机理,针对自攻螺钉的破坏模式,提出拉铆钉与自攻螺钉混合连接。为研究混合连接的抗剪性能,共进行了48组连接接头抗剪性能试验,包含冷弯薄壁型钢结构常用的5种连接板厚度,不同搭接板厚比(变化范围1.0~2.0),包含纯自攻螺钉连接、纯拉铆钉连接及混合连接的连接方式。观察混合连接的破坏模式,自攻螺钉未发现拉脱破坏,其破坏模式主要表现为:板承压破坏与螺钉倾斜组合破坏、铆钉剪断破坏及板承压与铆钉部分剪断组合破坏3种;相较单一连接方式,混合连接荷载–位移曲线表现出更长的塑性阶段;当板厚比大于1.5且组合板厚小于3.0mm,混合连接的承载力及延性较单一连接增长明显;利用现有计算方法对混合连接的承载力进行累加计算,与试验结果对比,计算结果偏保守。研究发现:混合连接能较好地弥补拉铆钉和自攻螺钉受剪过程中的缺陷,有效改善自攻螺钉拉脱破坏,从而提升连接的承载力及延性;板厚和板厚比是影响混合连接破坏模式及承载力的重要因素,与单一连接相比,板厚比越大,承载力提升越大;排布方式对混合连接的力学性能及破坏机理影响有限;在本文试验工况下,结合混合连接的破坏模式,在现有计算方法的基础上,提出改善后的计算方法,其计算结果更合理。

铜/铝合金冷压-扩散复合焊接接头的显微组织

用冷压-扩散复合连接技术焊接T2铜与2A50铝合金,用SEM、EDS、XRD等方法对焊接接头进行了分析。结果表明:T2铜与2A50铝合金经200 MPa冷压+(515~525)℃×90 min热扩散和100 MPa热压+(515~525)℃×90 min扩散后,能在结合界面形成2 mm的异种金属焊缝;焊缝中铜的质量分数为56.91%,铝为43.09%;焊缝中CuAl2质量分数为56.4%,明显高于2A50铝合金的(7.6%);焊缝中没有单质铜。

基于锁铆连接的冷弯薄壁型钢开洞组合墙体抗震性能试验研究

为研究基于锁铆连接的冷弯薄壁型钢开洞组合墙体的抗震性能,对8面2.7 m×2.4 m(高×宽)足尺冷弯薄壁型钢组合墙体进行水平单调和低周往复加载试验,分析加载方式、墙体开洞尺寸等因素对组合墙体的破坏特征以及抗剪承载力、刚度、延性、耗能等性能指标的影响规律.研究结果表明:基于锁铆连接的开洞组合墙体在单调加载下的抗剪承载力高于低周往复加载的抗剪承载力,但随着开洞尺寸的增大,加载方式对抗剪承载力的影响减弱;墙体的破坏主要发生在试件的角部以及开洞口两侧;墙体的延性系数为1.67~3.36;耗能系数为0.60~0.73;随着墙体洞口尺寸的增加,延性增加,墙体刚度和承载力降低.

冷弯薄壁型钢组合楼盖和自攻螺钉连接的抗剪性能试验研究

对3个足尺冷弯薄壁型钢楼盖试件的面内受力性能进行了水平低周往复加载试验研究,得到其破坏特征、承载力指标以及自攻螺钉连接的破坏模式,试验结果表明C形边梁与压型钢板间的自攻螺钉连接破坏导致了楼盖试件破坏。基于楼盖试件面内破坏现象,对C形楼盖梁与U形边梁间、C形楼盖梁与压型钢板间两种自攻螺钉连接形式进行了抗剪性能试验研究,得到自攻螺钉连接的破坏形态和单颗自攻螺钉的抗剪承载力,分析了中国规范GB 50018—2002对于计算单颗自攻螺钉抗剪承载力的适用性。采用基于性能的抗震设计理论对冷弯薄壁型钢楼盖中自攻螺钉连接的性能水平、性能目标以及承载力指标进行了探讨,其结果可用于指导冷弯薄壁型钢结构体系的抗震设计。

冷弯薄壁构件与组合板螺钉连接推出试验研究

为研究冷弯薄壁型钢组合楼盖中螺钉连接的受力性能和破坏模式,对4个冷弯薄壁构件与组合板采用自攻螺钉连接的推出试件进行了单调静载试验。通过推出试验研究了不同抗剪构造措施和不同楼板面材料对推出试件抗剪刚度、抗剪承载力及粘结性能的影响。试验结果表明:石膏基自流平砂浆推出试件在发生局部粘结破坏后,砂浆面板逐步退出工作,试件因压型钢板屈曲和螺钉倾斜而破坏;混凝土推出试件在发生局部粘结破坏后,螺钉连接未发生破坏,试件因混凝土面板脱落而破坏;在组合板中加入抗剪构造可提高试件的粘结性能和抗剪刚度,但会降低抗剪承载力。采用《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GB 50018-2002)计算推出试件中单颗螺钉的抗剪承载力较为合理。

正交异性钢桥面板冷维护技术及评价方法

为保证正交异性钢桥面板使用安全,合理延长其使用寿命与维护周期,在剖析疲劳损伤传统热维护技术方法不足的基础上,提出冷连接钢板、超高性能纤维混凝土组合层等具有零损伤或微损伤维护技术特征的冷维护方法,对钢桥面板疲劳开裂细节进行加固;开展正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究,分别采用止裂孔和粘贴钢板法维护纵肋拼接细节疲劳裂纹,将冷维护方法应用于某钢箱梁斜拉桥正交异性钢桥面板,对横隔板挖孔细节、纵肋与横隔板连接细节采用等边角钢进行加固,分别采用车辆加载测试、运营监测和数值断裂力学模拟等方法,对实桥正交异性钢桥面板冷维护效果进行评价。试验结果表明:止裂孔无法阻止裂纹扩展,而采用冷维护后钢板与纵肋协同工作状态良好,纵肋拼接细节疲劳寿命延长70%以上;实桥加载测试结果表明冷维护后疲劳裂纹尖端测试应力降低40.4%;根据动应变监测数据和S-N曲线评估结果,24h内横隔板开裂细节疲劳损伤降低79.6%;数值断裂力学分析表明冷维护后裂尖应力强度因子幅小于裂纹扩展的应力强度因子幅阈值,疲劳裂纹不再扩展;正交异性钢桥面板疲劳损伤冷维护技术工程可实施性强、安全可靠,可实现对原结构进行零损伤或微损伤维护的技术目标,为钢桥面板疲劳维护提供了新的技术选择。

新型装配式冷弯薄壁型钢组合楼板模块受弯性能试验研究

为提高现有组合楼板的加工效率和装配化程度,解决组合楼板结构中自攻螺钉连接工序多、效率低等问题,提出了一种基于锁铆连接的新型冷弯薄壁型钢桁架梁-压型钢板-混凝土组合楼板模块。为研究该楼板模块的受弯性能以及次梁间距、混凝土厚度和连接方式对其抗弯承载力、延性和刚度的影响,对6块足尺组合楼板模块试件进行了单调静载试验。试验结果表明:在正常使用阶段,组合楼板模块的变形很小,且远小于GB50017—2017《钢结构设计标准》要求的限值;组合楼板模块破坏时具有较大塑性变形,说明其延性性能良好,主要表现为桁架梁锁铆连接的破坏、桁架梁弦杆的折曲破坏和楼板模块面板层混凝土的挤压破坏;次梁间距对组合楼板模块的延性和刚度影响较大,对其抗弯承载力影响较小;混凝土厚度和钢构件连接方式对组合楼板模块的抗弯承载力、延性和刚度均有显著影响。