Mechanical performance of shear studs and application in steel-concrete composite beams

This work experimentally investigates the effects of shear stud characteristics on the interface slippage of steel-concrete composite push-out specimens. ABAQUS is used to establish a detailed 3D finite element(FE) model and analyze the behavior of push-out specimens. The modeling results are in good agreement with the experimental results. Based on parametrical analysis using the validated FE approaches, the effects of important design parameters, such as the diameter, number, length to diameter ratio, and yield strength of studs, concrete strength and steel transverse reinforcement ratio, on the load-slip relationship at the interface of composite beams are discussed. In addition, a simplified approach to model studs is developed using virtual springs with an equivalent stiffness. This approach is demonstrated to be able to predict the load-displacement response and ultimate bearing capacity of steel-concrete composite beams. The predicted results show satisfactory agreement with experimental results from the literature.

部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁抗剪试验研究

目的为研究部分充填式窄幅钢箱-UHPC组合梁的抗剪性能,方法对4根倒置组合梁试件通过三点加载方式进行了静载试验,通过研究其负弯矩作用下的破坏形态及变形特征,得到了组合梁的荷载-挠度曲线、应变分布、荷载-滑移曲线、最终破坏形态等。结果试验研究结果表明:UHPC翼板显著提升了组合梁的变形能力和极限承载力;相较于试件SUCB-3(NC翼板),试件SUCB-1(1/2UHPC翼板和SUCB-4(全UHPC翼板))的承载力分别提高了18.2%和27.3%,变形能力则分别增强了38.02%和41.2%;钢纤维的添加能有效地抑制翼板裂缝的开展,钢纤维掺量从0提高到2%,试件的最大裂缝宽度从1.06 mm降低到0.92 mm,变形能力增强了23.61%,承载力则提高了4%。结论提出了考虑钢箱、UHPC翼板和充填混凝土贡献的组合梁抗剪承载力计算公式。

嵌入式H型钢梁柱节点受力性能研究

为解决传统标准梁柱节点施工复杂、节点强度低等一系列问题,提出一种嵌入式H型钢梁柱节点结构形式,并设计4个梁柱节点试件(1个标准现浇梁柱节点试件,3个嵌入式H型钢梁柱节点试件)进行试验研究,设置型钢翼缘宽度、剪跨比为主要参数,对4个试件的破坏形态、承载力、变形能力进行对比分析。结果表明:嵌入式H型钢梁柱节点试件的节点核心区柱端混凝土裂缝较少,裂缝分布和破坏位置基本上发生于梁端,充分满足了“强柱弱梁”的设计要求;相较于标准现浇梁柱节点试件,嵌入式H型钢梁柱节点试件峰值承载力、极限承载力、变形能力均显著提高,当型钢翼缘加宽时,试件峰值承载力和极限承载力提升较为有限,当剪跨比大于2.7时,承载力将会明显降低。

新型部分填充钢-混凝土组合梁受剪性能试验及有限元模拟研究

采用合理的材料本构关系,利用ABAQUS有限元软件建立足尺有限元模型,对新型部分填充钢-混凝土组合梁进行受剪承载力分析。结合试验研究,通过改变剪跨比、型钢强度等级、梁高度、型钢腹板厚度、翼缘栓钉间距等因素对新型组合梁组合截面受剪承载力进行了研究。结果表明,新型组合梁有较好的受剪承载力,混凝土强度等级和新型组合梁高度对峰值承载力的影响不显著,但混凝土显著提高了新型组合梁的整体稳定性;而新型组合梁高度每增加50mm,其峰值剪力值约提高7%~21%;型钢腹板厚度每增大2mm,新型组合梁峰值剪力就提高10%左右,腹板对其受剪承载力影响较大。运用叠加原理,结合腹板、翼缘内侧混凝土、翼缘栓钉和箍筋的受剪贡献,对《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)中组合梁截面受剪承载力计算公式进行了优化。结果表明,修正后的计算公式具有良好精度。

铝合金-混凝土组合梁抗剪承载力计算方法

为了改善部分外包混凝土组合梁在使用中腐蚀生锈、钢筋混凝土劣化等问题,本文提出了铝合金-混凝土组合梁的结构形式,建立了有限元模型并进行参数分析,分析了铝合金-混凝土组合梁抗剪承载力在不同参数下的变化规律。根据改进拉压杆计算模型得到混凝土的应力传递路径,采用叠加法提出考虑铝合金梁腹板和腹部混凝土抗剪贡献的铝合金-混凝土组合梁抗剪承载力计算公式。研究结果表明:公式计算值与有限元值比值的平均值为1.018,标准差σ为0.151,表明该计算公式离散性较小,具有可行性,可以为相关研究提供理论参考。

混合联肢PEC墙结构简化力学分析模型及承载力计算

为克服钢筋混凝土墙肢底部易发生脆性破坏的缺点,提高联肢剪力墙结构的抗震性能,采用PEC剪力墙肢代替混合联肢剪力墙结构中的钢筋混凝土剪力墙肢,形成新型混合联肢PEC墙结构.通过改变钢连梁截面尺寸、PEC墙肢宽厚比以及楼层数形成3个系列共8个模型,研究了弹性耦连比和改变弹性耦连比的方式对混合联肢PEC墙结构滞回性能和应力分布的影响.结果表明:各个系列模型滞回曲线均饱满而稳定,未出现明显捏缩现象,证明混合联肢PEC墙结构抗震性能好、耗能能力强,适用于高烈度抗震设防地区;与已有联肢墙结构研究成果一致,弹性耦连比是影响混合联肢PEC墙结构整体性能的主要因素,并不会因为实现方式不同而影响结构应力分布规律;为保证结构达极限承载能力状态时各层钢连梁均发生剪切屈服并充分发展塑性,同时避免受拉侧墙肢发生延性较差的小偏心受拉破坏,应控制弹性耦连比小于等于70%;基于有限元模型分析结果,探讨了混合联肢PEC墙结构受力机理,建立了结构简化力学分析模型,给出了极限承载力计算公式;试验及有限元模型分析结果与理论计算结果误差在15%以内,且均为理论值偏低,证明本文提出的混合联肢PEC墙结构极限承载力计算公式精度较高且偏于安全,可用于计算结构极限承载力.

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%。

空间钢构架混凝土梁斜截面受剪性能分析

由角钢和缀板焊接而成的空间钢构架替代传统绑扎钢筋骨架形成空间钢构架混凝土结构构件。为进一步研究空间钢构架混凝土梁的斜截面受剪性能,采用Abaqus软件,建立空间钢构架混凝土梁斜截面受剪性能的有限元分析模型,并对空间钢构架混凝土梁斜截面受剪性能进行模拟分析。分析结果表明,空间钢构架对混凝土梁的斜截面受剪承载力有利,随着剪跨比的减小、配箍特征值的增大其斜截面受剪承载力提高。基于已有的试验研究和模拟分析,采用极限平衡原理,考虑空间钢构架的有利作用,建立空间钢构架混凝土梁抗剪承载力的计算公式,公式的计算值与试验值吻合较好,可以作为空间钢构架混凝土梁斜截面受剪承载力计算公式。

某超高层公寓楼大偏心梁柱节点受力性能研究

以某超高层公寓项目中梁平柱边的典型大偏心梁柱节点为例,通过有限元软件ABAQUS模拟梁柱偏心节点在低周反复荷载的受力性能,探讨梁柱偏心所产生的附加扭矩对节点核芯区抗剪承载力的影响;基于有限元分析结果,提出梁平柱边的大偏心梁柱节点有效宽度计算公式,并将其应用于具体工程项目中。结果表明,采用节点有效宽度公式取值得出的节点核芯区抗剪承载力与有限元计算结果基本一致。针对项目中的T形梁柱节点,定量分析了梁柱偏心所产生的附加弯矩对柱端弯矩的影响;结果显示,附加弯矩在竖向荷载作用下可减小柱端弯矩约50%,在地震作用下增大柱端弯矩约86%。

考虑结构空间约束的现浇楼盖梁受剪性能试验研究

为研究结构空间约束对现浇楼盖梁受剪性能的影响,以剪跨比、面积配箍率、空间位置为变量,在足尺框架结构中开展12根楼盖梁受剪试验,并与对照试件简支梁试验结果进行对比。结果表明:结构空间约束可提高楼盖梁受剪承载力,削弱其变形能力;剪跨比和空间位置显著影响楼盖梁受剪承载力;剪跨比为0.7和1.0时,楼盖梁受剪承载力较简支梁平均提高至1.09和1.39倍;剪跨比0.7时,边框边跨和中框边跨位置的楼盖梁受剪承载力平均提高至1.10和1.25倍;剪跨比1.0时,边框边跨、边框中跨、中框边跨和中框中跨位置的楼盖梁受剪承载力平均提高至1.30、1.30、1.43和1.72倍。根据受剪试验结果修正考虑结构空间约束的楼盖梁受剪破坏数值模拟方法,数值模拟结果表明,楼盖梁在受剪过程中因空间约束产生约束轴力,约束轴力随跨中挠度增大而不断增大。

新型部分填充工字钢组合梁受剪性能试验研究

为增大钢材利用率,提高组合梁受剪性能,提出了一种新型部分填充工字钢组合梁,并以栓钉排布方式、剪跨比以及混凝土填充量为参变量,采用“力-位移控制”的加载方式,对4根新型组合梁及对比工字钢梁进行了静力荷载作用下的受剪性能试验研究;对比分析了新型组合梁和对比工字钢梁受力过程中的破坏形态、剪力-转角曲线、剪力-应变曲线以及承载力变化情况。结果表明:剪跨比1.6≤λ≤2.0的组合梁发生剪压破坏,剪跨区有贯通的主斜裂缝;剪跨比为1.15的组合梁发生斜压破坏,剪跨区形成多个受压短柱,混凝土大面积剥落;剪跨比从1.6减小至1.15时,极限承载力相应提高了31.8%;混凝土的存在使新型组合梁的受剪承载力较普通的工字钢梁提高了33.3%;翼缘栓钉的存在提高了组合梁截面的组合作用,使混凝土能充分发挥其抗压能力,极限受剪承载力相应提高了5.8%~29.1%,组合梁延性和刚度也相应增大;结合试验实测数据,基于新型部分填充工字钢组合梁的构造特点,采用组合结构设计规范中受剪承载力计算公式,公式计算值与试验值吻合较好,该公式可为实际工程中的结构设计提供一定参考。

预制装配式型钢部分外包混凝土梁受剪性能试验研究

提出了一种部分预制部分外包装配式组合梁,为研究其受剪性能,设计了5根预制装配式型钢部分外包混凝土(PPEC)梁和1根整浇部分外包混凝土(PEC)梁。观察了PPEC梁在竖向荷载作用下的剪切破坏特点并绘制了荷载-跨中挠度曲线,分析了混凝土强度等级、剪跨比和浇筑方式对受剪承载力的影响。试验结果表明:PPEC梁截面形式与构造基本可行,破坏形式均为剪压破坏。混凝土强度越高,PPEC梁受剪承载力越高;随剪跨比增大,PPEC梁受剪承载力降低;PPEC梁受剪承载力略小于整浇PEC梁。

3种加锚方式下2种碳纤维布加固钢筋砼梁抗剪承载力计算的比较

按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》与《混凝土结构加固设计规范》分别对胶锚或钢板锚、环形箍及自锁式、加织物压条一般式3种U形箍加锚方式加固后的梁斜截面承载力进行计算。结果发现,2种计算方式得出胶锚或钢板锚加锚方式的承载力增加值差异最小,加织物压条一般式的差异最大。2个工程抗剪加固应用算例的验证结果与计算结果一致。由此可知,在相同加固要求条件下,采用胶锚或钢板锚加锚方式的加固成本最低。

型钢混凝土梁设计方法及承载性能的分析研究

针对型钢混凝土梁正截面与斜截面承载能力的设计问题,开展了工字钢内置的型钢混凝土梁承载模式对比分析,提出了型钢混凝土梁承载能力设计方法,并进行常规钢筋混凝土梁和型钢混凝土梁抗弯、抗剪承载性能的模型试验对比研究,验证型钢混凝土梁设计方法的有效性和工程适用性。结果表明:相同截面尺寸条件下,型钢混凝土梁具有更高的抗弯、抗剪承载能力,提高幅度超过50%;提出的型钢混凝土梁抗弯和抗剪承载能力计算方法具有较好的适用性,能够满足常规条件下的型钢混凝土梁工程设计需求。

空心板桥加固技术及效果评估

某高速公路30 m多跨简支空心板桥运营多年后,桥面铺装层、空心板底板及腹板出现较多裂缝,部分铰缝出现破损。为确保桥梁结构承载能力、正常使用功能及耐久性,需对该桥进行维修加固。针对桥梁结构抗弯、抗剪及横向整体加固技术进行研究,经比选分析,确定在空心板底板粘贴碳纤维板提升抗弯承载力,增大空心板板端部截面提升抗剪承载力,在空心板顶、底板锚粘横向钢板条带提升横向整体性能。采用MIDAS Civil软件建立空心板桥整体有限元模型,评估总体加固效果,并分析铰缝总体损伤程度对空心板桥横向整体性能的影响。结果表明:上述加固方法能够有效提升空心板桥承载力及横向整体性能,其中抗弯承载力提高6%,抗剪承载力提高75%;在铰缝总体损伤不大于90%时,加固后的空心板桥具有较好的横向整体性能。

井形碳纤维箍筋混凝土梁抗剪承载力试验

针对碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer plastic,CFRP)筋混凝土梁中封闭箍筋难以弯折成型、制作困难的现状,拟采用井字形CFRP箍筋承担斜截面剪力。设计了4个不同配箍率的足尺寸混凝土梁,进行4点弯曲静力加载试验,得到了其在不同配箍率下剪弯段的极限承载力及破坏形式,分析了箍筋应力的变化规律。结果表明:配箍率是影响井字形CFRP箍筋的混凝土梁抗剪承载力和破坏模式的一个重要指标,配箍率增大时井字形CFRP箍筋的混凝土梁的抗剪承载力显著提升,破坏模式从剪压破坏逐渐转为斜压破坏;通过对梁控制截面上箍筋与纵筋交接位置处锚固性能的理论分析,得出了该位置CFRP井字形箍筋的锚固黏结力,其值大于相应锚固段的边界剪力,能够满足斜截面受剪承载力的要求。试验和理论分析结果证明了井字形CFRP箍筋用于混凝土梁斜截面抗剪的可行性,可促进CFRP筋在混凝土结构中的大量应用。

装配式建筑混凝土梁两端节点承载力监测仿真

装配式建筑是由多个构件拼装在一起,拼装节点凭借预制预埋槽钢连接,是受力最小的,也是建筑整体的最小承载力,提出一种混凝土梁两端节点承载力监测方法。构建拉-压杆模型分析节点的受力情况,得到水平拉杆和竖向拉杆受剪力值,计算斜向构件、水平构件和竖向构件在剪力中所占比例,得到混凝土梁两端节点极限抗压强度;构建混凝土梁构件间力学模型,通过静力极限平衡条件计算两个节点间剪力,完成节点承载力监测工作。展开对比仿真,结果表明,所提方法得到的承载力监测结果与测试值的均方根误差最小,且承载力均值全部落在了50%置信区间内,验证方法具有较强的适用性和监测精度。

带T形肋剪力键的钢-混凝土组合梁受弯性能试验及理论分析

为研究带T形肋剪力键的钢-混凝土组合梁的承载力和破坏机理,对7个钢-混凝土组合梁试件进行了受弯性能试验。以贯穿钢筋直径、开孔间距及开孔孔径为参数,分析了试件的破坏形态、应变分布、钢板与混凝土相对滑移量和受弯承载力。试验结果表明:大部分试件发生弯曲破坏,呈现出明显的延性破坏特征,其余试件发生弯剪破坏;开孔孔径和贯穿钢筋直径是影响试件受弯承载力的主要因素,而开孔间距对钢板与混凝土之间的相对滑移影响显著,开孔孔径40mm和贯穿钢筋直径10mm为最优抗弯组合。基于试验结果,采取合理假定,并引入受弯承载力折减系数φ1、φ2来考虑对受弯承载力的影响,给出了带T形肋剪力键的钢-混凝土组合梁受弯承载力计算方法。经对比,计算值均小于试验值,具有一定安全储备。

混凝土受拉边倾斜变截面梁受剪承载力数值分析

为研究混凝土受拉边倾斜变截面梁在集中荷载下的抗剪性能,首先,根据目前主流混凝土等截面梁受剪承载力模型,归纳了中国建筑科学研究院有限公司和Gulsan的试验中变截面梁临界斜裂缝的特点;其次,为克服有限元程序在模拟裂缝上的不足,建立了受拉边倾斜变截面梁的预设斜裂缝有限元模型,并对变截面梁的受剪破坏过程进行了模拟分析;然后,通过分析在极限荷载时临界截面上的应力状态规律,提出了受剪承载力模型假定,采用临界截面上的受压区混凝土剪压破坏准则,建立了受剪承载力计算方法;最后,收集了国内外40根变截面梁受剪试验数据,与本文方法、我国规范方法、Gulsan方法的预测值进行了统计分析.结果表明本文方法的计算精度更高,可为工程实践和规范修订提供参考.

侧压竹集成材梁受剪承载力试验研究

竹集成材是一种融入了现代加工技术且强质比高、环保美观的工程复合材料。为研究剪跨比对侧压竹集成材梁受剪承载力的影响,设计了剪跨比分别为0.75、1.0、1.5、2.0和2.5的5组(每组3根)竹集成材梁进行四点弯曲试验,研究侧压竹集成材梁在荷载作用下的变形特征、破坏形式及剪跨比的影响规律,探究竹集成材梁抗剪性能的影响因素及其承载能力的计算方法。结果表明,竹集成材梁具有较高的承载力和刚度;其受剪承载力与剪跨比有关;当剪跨比小于1.5时,发生层间剪切破坏,而大于等于1.5时,发生弯曲破坏。提出了竹集成材梁的受弯承载力、受剪承载力和弹性变形计算公式,计算结果与实测值吻合较好。