钢混组合结构大直径栓钉的群钉效应研究

为了深入研究群钉效应对大直径栓钉抗剪性能的影响,通过对以往试验数据进行有限元分析,探讨了群钉效应影响下大直径栓钉抗剪强度与抗剪刚度降低的现象,并根据计算结果提出了大直径栓钉极限抗剪强度与抗剪刚度的拟合公式。计算结果表明:大直径栓钉的间距越小群钉效应越明显,与单钉相比群钉抗剪强度与抗剪刚度均有明显的下降;在群钉情形下,弹性阶段的剪力不均匀系数呈马蹄形分布,塑性阶段的剪力不均匀系数呈斜线状分布,但栓钉间距过小时剪力不均匀系数呈月牙形分布;栓钉处于弹性阶段时,内侧栓钉的根部剪力比单钉根部剪力小,外侧栓钉的根部剪力一般比单钉根部剪力小,但栓钉间距较大时,外侧栓钉的根部剪力会超过单钉根部剪力;栓钉处于塑性阶段时,内侧栓钉有效抗剪高度比单钉的高,外侧栓钉有效抗剪高度比单钉的低;大直径栓钉的间距与直径之比小于3.33时群钉效应明显,高于8.33时群钉效应几乎消失。

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。

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。

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%。

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.

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。

车轮荷载作用下双工字钢组合梁桥横桥向焊钉拉拔效应

针对双工字钢组合梁在车轮荷载作用下引起的钢混界面横桥向掀起效应导致焊钉出现拉拔应力的问题展开讨论,为分析此效应对双工字钢组合梁焊钉受力的影响从而为焊钉布置提供参考,对2×35 m双工字钢组合连续梁的焊钉拉拔应力分布规律及影响因素进行了研究。分析了6种采用不同单元类型、焊钉模拟方式、接触关系的ABAQUS有限元模型组合梁钢混界面横桥向掀起效应计算结果,通过对比已有文献中的试验结果,确定了合理的有限元模拟方法。基于此方法,分析了车轮荷载作用位置、加劲肋与横梁设置形式对焊钉拉拔应力沿纵横桥向分布的影响;研究了横梁位置、桥面板厚度与主梁间距比、焊钉横桥向间距对焊钉拉拔应力的影响并讨论了焊钉拉拔应力对各参数的敏感性。结果表明:加劲肋限制了钢梁上翼缘随桥面板变形,导致焊钉产生明显拉拔应力;焊钉应力沿纵桥向衰减速度很快;设置横梁能减小双工字钢组合梁的侧向变形,导致焊钉拉拔应力大幅提高,最多能提高317.97%;焊钉拉拔应力随着桥面板厚度与主梁间距比增大而逐渐减小,随着横梁中心线距钢梁上翼缘距离的增大呈现出先增大、后不变、最后略微减小的趋势,随焊钉横向间距增大出现先增大后减小的现象;各参数中,桥面板厚度与主梁间距比对焊钉拉拔应力数值的影响最为显著;根据焊钉拉拔应力分布规律及影响因素,建议应适当加密双工字钢组合梁加劲肋与横梁附近的焊钉。

钢-混凝土组合结构中密集型剪力钉群的受力状态

通过非线性有限元分析，研究了钢-混凝土组合结构中密集型剪力钉群的受力状态，分析了各剪刀钉所承受的剪刀的不均匀程度与某些因素的关系．

钢混组合梁剪力连接件的计算方法研究

研究目的:钢混组合梁的剪力连接件对于钢梁与混凝土桥面板的协同工作起到了关键性的作用,使得钢与混凝土能够充分发挥各自的材料特性。由于公路桥梁规范中没有针对钢混组合梁剪力连接件的计算规定,其他现有规范、论著或国家标准中对钢混组合梁剪力连接件的计算又各有不同,因此有必要对公路钢混组合梁桥剪力连接件的计算方法展开探讨。研究结论:针对多种规范、论著对比分析了栓钉剪力连接件的承载力计算,并得出结论:(1)《钢结构设计规范》与《EC4》计算方法相似,未考虑疲劳、裂缝等,为最低配置数量;(2)《钢桥》(小西一郎)中的计算公式结果较为保守,但能更好的控制栓钉的疲劳、界面滑移等问题,有更好的耐久性;(3)《现代钢桥》(吴冲)与《钢桥》计算公式完全一致;(4)《铁路钢-混凝土结合梁设计规范》参照了《EC4》;(5)《钢-混凝土组合桥梁设计规范》类似《钢规》,分别考虑了栓钉剪断破坏及混凝土压碎破坏的两种情况,并考虑了群钉效应;(6)本研究可对钢混组合梁的剪力件设计提供一定的参考。

采用群栓钉的装配式组合梁抗弯性能试验研究

设计3根采用群栓钉的装配式组合梁并对其在正弯矩作用下的抗弯性能开展试验研究。结果表明:3根组合梁试件最终均发生了弯曲破坏;采用群栓钉的装配式组合梁试件具有良好的变形能力,且位移延性系数不小于3.7;较低的抗剪连接程度导致装配式组合梁的极限抗弯承载力和极限变形能力有不同程度的降低;在最终破坏发生时,预制混凝土板上预留孔与后浇混凝土的交界面处未发生压碎、剥离等破坏,组合梁的跨中挠度至少为梁跨度的0.89%。最后,基于试验结果探讨现行《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的组合梁抗弯承载力计算公式用于评估采用群栓钉的装配式组合梁抗弯承载力的可行性。

分组集聚式斜拉桥索塔锚固区传力机制

为研究新型分组集聚式斜拉桥锚固形式应力安全及钢-混传剪机理,以某公路大桥为背景,选取分组集聚索塔锚固节段为分析对象,运用有限元软件ABAQUS建立锚固区精细的数值模型.根据桥塔等效杆系模型的分析结果确定节段模型准确的荷载及边界条件,分别计算分析了3种工况下锚固区混凝土及钢横梁应力分布;通过对钢-混界面的各向应力及位移分布研究,探讨在不同程度预应力损失和钢-混界面摩擦系数影响下钢横梁与混凝土桥塔的传剪受力机理.研究结果表明:设计荷载工况下,钢横梁梁端剪力主要由界面静摩擦力承担,塔柱与钢横梁未发生相对滑动,具有足够安全储备;当锚杆预应力损失达到60%或接触面摩擦系数减小为0.2时,钢-混界面处于临界摩擦状态,相对滑移增大,结构处于相对不安全状态.

集束钉群装配式钢-混组合梁界面滑移特性研究

集束钉群装配式钢-混组合梁由于构造、施工与现浇组合梁有差异,其钢与混凝土界面滑移刚度受钉群布置影响。为研究集束度对装配式钢-混组合梁界面滑移特性的影响规律,开展了5个具有相同抗剪连接程度的集束钉群装配式钢-混组合梁加载试验,研究不同集束度试验梁的荷载-位移曲线、破坏形态、钢-混凝土交界面滑移特性以及截面应变变化规律的差异。试验结果表明:集束度对集束钉群装配式钢-混组合梁的屈服荷载影响较小;界面滑移随集束度的增大而增大;随着集束度的增大,试验梁的截面应变不再服从平截面假定。基于试验及理论分析,提出了考虑集束度和钉群折减系数的装配式钢-混组合梁界面滑移线性刚度计算公式,该公式计算结果与本文及文献的试验值吻合良好。

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。

钢-混结合段群钉推出模型试验研究

武汉二七长江大桥主桥为三塔斜拉桥,主梁采用混合梁,端部为预应力混凝土梁,其余梁段为工字钢结合梁,结合段为工字钢外包混凝土梁。为研究钢-混结合段长列剪力钉的受力,制作群钉推出模型,采用模型试验和有限元法分析密集型群钉应变、滑移量和承载能力。结果表明:群钉推出试验破坏形式为剪力钉剪断;群钉的承载能力可按单钉承载能力乘以剪力钉数量计算;由于摩擦的存在,模型混凝土的滑移量在荷载作用下由上至下逐渐增大。

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。

集簇式栓钉抗剪承载力折减系数计算方法

为给装配式钢-混组合结构梁桥集簇式栓钉抗剪连接件的设计提供参考,深入研究了集簇式栓钉抗剪连接件的受力特性。采用ABAQUS有限元软件建立推出试验有限元模型,对群钉效应及其主要影响因素进行了有限元参数化分析,并给出综合考虑混凝土强度、栓钉排数、栓钉纵向间距影响的集簇式栓钉连接件抗剪承载力折减系数计算公式。结果表明:受到群钉效应的影响,集簇式栓钉连接件的单钉平均抗剪承载力有较大程度的折减并且钉群受力呈现明显的不均匀性;随着混凝土强度的提高,φ22×200栓钉连接件抗剪承载力、抗剪刚度逐渐增大;当栓钉排数从3排增加至7排时,群钉的单钉平均抗剪承载力以及栓钉抗剪承载力折减系数逐渐降低,同时钉群受力的不均匀程度大幅提升;当栓钉纵向间距由4d(d为栓钉直径)增加至8d时,群钉的单钉平均抗剪承载力以及栓钉抗剪承载力折减系数呈现增大趋势;提出的集簇式栓钉连接件抗剪承载力折减系数计算公式计算值与有限元值吻合良好,可以为装配式钢-混组合结构梁桥集簇式栓钉抗剪连接件的设计提供理论依据。

橡胶–剪力钉组合剪力连接件力学性能试验

群钉由于受力不均匀性而造成其极限承载力下降,因此改善群钉的受力不均匀性十分有必要。本文选取环保的橡胶材料对剪力钉根部进行外包,形成橡胶–剪力钉组合剪力连接件,并进行了推出试验,对比分析了普通群钉试件和橡胶–剪力钉群试件的破环形态、极限承载力、荷载–滑移规律和剪切刚度等受力性能。结果表明:橡胶–剪力钉群试件破坏时具有更好的延性,呈弯剪破坏,橡胶–剪力钉群试件的极限抗剪承载力均大于普通剪力钉群的极限抗剪承载力;由于橡胶的设置,降低了剪力钉群的抗剪刚度,使得单枚剪力钉的受力趋于均匀。基于本次试验,结合群钉相关研究成果,推导了橡胶–剪力钉群中单个剪力钉的极限承载力公式,为该类橡胶–剪力钉组合剪力连接件中橡胶的设置和应用提供了试验和理论参考。