钢-混凝土组合梁负弯矩区的承载力与刚度试验分析

文章以大宁河大桥为工程依托,开展了4根不同连接件的钢-混凝土组合梁负弯矩区承载力与刚度试验研究,测得了组合梁负弯矩区的弯曲极限承载能力,弯矩-曲率曲线,荷载-位移变化曲线。分析试验结果得出:采用焊钉和开孔板两种不同的连接件,从加载至破坏三个阶段的受力模式。从承载力和刚度两方面分析,采用开孔板连接件试验梁均大于配置焊钉连接件试验梁。试验结果对探讨钢-混凝土组合梁负弯矩区的细部构造设计,具有一定的参考价值。     

大宁河特大桥钢-混组合连续梁负弯矩区受力特性模型试验研究

大宁河特大桥桥面系采用16×27m钢-混组合连续梁,由工字钢梁、预制混凝土板、现浇剪力连接键湿接缝和现浇整体化层组成。为研究钢-混组合连续梁负弯矩区的受力特性,进行焊钉和开孔板2种剪力键类型的1∶2大比例模型试验研究。试验结果表明,开孔板连接件能参与结构受力因而具有较高的整体刚度、较大的初裂荷载;焊钉连接件延性较好;2种连接件均有效且试验梁具有相近的极限荷载。综合比选,该桥桥面系采用焊钉连接件方案。     

具有新型连接件的钢-混组合梁界面抗滑移试验与分析研究

为了解具有波折开孔板连接件的组合梁的界面抗滑移性能,采用试验与有限元模拟分析相对比的方法对设有双排波折开孔钢板连接件的钢-混凝土组合梁进行了研究。通过试验得到试验梁跨中截面沿梁高的应变分布、钢梁与混凝土板的界面相对滑移、相对滑移沿梁长的分布和组合梁破坏形态;通过与试验过程相应的有限元计算分析,得到组合梁的理论界面相对滑移曲线;实测与计算结果吻合较好。研究结果表明:波折开孔钢板连接件的抗滑移性能良好,混凝土板和钢梁具有良好的协同工作性能。     

装配式群钉组合梁与现浇组合梁对比试验研究

为了研究桥梁工程中装配式群钉组合梁和现浇组合梁在力学行为上的差异,分析混凝土浇注方式、栓钉布置形式对组合梁结构整体受力的影响,采用了装配式组合梁和现浇组合梁对比试验研究,分析了两组不同浇注方式及不同栓钉布置形式的试验梁在宏观本构曲线、破坏形态、钢-混凝土交界面滑移以及截面应变规律的差异;采用考虑混凝土损伤塑性模型和交界面连接差异的有限元模拟分析方法,建立试验梁精细化有限元模型,对比分析了试验梁栓钉Mises应力及栓钉附近混凝土损伤发展规律。结果表明:装配式组合梁和现浇组合梁在宏观本构曲线以及破坏形态上无明显差异;装配式群钉组合梁中钢与混凝土界面滑移初始荷载水平显著低于现浇组合梁,且相同荷载作用下的滑移值较大;现浇梁在大部分情况下近似满足平截面假设,装配式群钉组合梁不满足平截面假设,仅钢梁与混凝土板分别服从平截面假设;相同荷载作用下,装配式组合梁栓钉Mises应力较现浇组合梁提高约20%,其周边混凝土损伤区域集中分布于预留孔区域。该研究结果可为装配式群钉组合梁的设计以及计算提供理论依据。     

装配式组合梁桥开孔钢板连接件抗剪性能

为建立适用于装配式钢-混组合梁桥的间断式开孔钢板连接件的极限承载力和初始刚度的设计计算方法,共设计3组8个间断式开孔钢板连接件与1个传统开孔钢板连接件推出试件,分别研究端部承压面、开孔孔径、贯穿筋直径与混凝土强度对间断式开孔钢板连接件的极限承载力及初始刚度的影响;利用非线性有限元模型对间断式开孔钢板连接件的受力机理、破坏过程和承载能力进行仿真模拟,并通过与试验结果进行对比分析验证仿真结果的可靠性;以试验中的变量设置为基础,增加参数取值范围,建立并分析162个非线性实体有限元模型,通过对分析结果进行多变量回归分析,提出适用于间断式开孔钢板连接件的初始刚度及极限承载力的计算表达式。结果表明：间断式开孔钢板连接件的荷载-滑移曲线分为弹性段、塑性段及下降持力段3个阶段,前2个阶段荷载主要由孔中混凝土隼、贯穿筋及端部承压混凝土共同平衡,下降持力段荷载则主要由上侧贯穿筋承担;试件极限承载力及初始刚度约为同尺寸传统开孔钢板连接件的2倍,并随开孔孔径、贯穿筋直径与混凝土强度的增加而提高;所建立的初始刚度与极限承载力计算公式与试验值吻合较好,研究结果对间断式开孔钢板连接件在装配式钢-混组合梁桥中的应用具有参考价值。     

体外预应力FRP-混凝土组合梁受力性能研究

体外预应力FRP-混凝土组合梁是在体外预应力钢-混凝土组合梁的基础上,分别采用GFRP型材替代型钢、GFRP筋替代钢筋、CFRP筋替代预应力钢筋而形成的一种新型组合梁。开展了体外预应力FRP-混凝土组合梁(分别采用工程中常用的2种抗剪连接方式,即双排FRP开孔板连接件与环氧粘结)在单调静力荷载下的受力性能试验研究。试验表明:2种组合梁的破坏均发生在FRP型材上翼缘与混凝土板的连接界面处,破坏时2种组合梁的混凝土板均未被压碎,CFRP筋的应变值远低于其极限应变;2种组合梁的荷载-跨中挠度曲线均大致为线性;采用环氧粘结的组合梁的最大跨中弯矩为136.5kN·m,对应的梁端截面处FRP型材与混凝土板之间的滑移为0.69mm,相比之下,采用开孔板连接的组合梁的最大跨中截面弯矩为109.7kN·m,此时梁端滑移值则为0.75mm,这是由于双排FRP开孔板连接件的抗剪承载力与抗剪刚度较低所致。试验测得的组合梁极限承载力与参照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的计算值吻合良好。     

新型可拆卸开孔钢管连接件抗剪性能

为适用预制钢-混凝土组合桥梁快速装配化施工需求,提出一种新型可拆卸的开孔钢管连接件。通过设计不同钢管壁厚、开孔板条宽度与高度等参数的开孔方钢管连接构造试件,开展水平推出试验,研究其抗剪承载力、抗剪刚度、剪切破坏模式及相对滑移特征。考虑钢材理想弹塑性、混凝土塑性模型及钢-混凝土界面非线性接触,建立可拆卸连接件抗剪分析的高效精细有限元模型,并通过试验结果验证。采用验证的有限元模型,进行与方钢管具有相同用钢量、板厚、开孔形式的圆钢管连接件抗剪性能对比分析。研究结果表明：可拆卸钢管连接件不仅具有开孔板连接件相当的抗剪承载力,而且比焊钉连接件具有更好的延性;增加钢管壁厚能有效提高其抗剪刚度与强度,改变底部开孔形状对连接件的抗剪刚度影响较小,但对强度影响较大;圆管与方管连接件具有相当的剪切屈服强度,但方管连接件的极限抗剪强度更高,而圆管连接件的延性更好;塑性理论推导可拆卸连接件剪切屈服强度计算结果同试验、有限元结果吻合良好,证明该计算式准确、有效;建议荷载作用下,混凝土板不发生开裂和压溃,可拆卸连接件可屈服进入塑性状态,实现混凝土板、钢梁易更换、修复或重复利用。     

FRP混凝土组合梁抗剪连接件试验研究

针对工程中常用的2种FRP-混凝土组合梁的抗剪连接形式（FRP开孔板件和采用粘结剂粘结）,开展了10个连接件推出试件在单调静力荷载下的试验研究,重点研究了混凝土强度、FRP开孔板排数等参数对连接件的破坏形态、极限承载力、滑移特性和应变分布等的影响。研究表明：采用FRP开孔板连接件的抗剪试件,其破坏形态为FRP开孔板根部剪切破坏,而采用环氧树脂胶粘结的试件,其破坏形态分混凝土内聚破坏和粘结层破坏2种;在受力全过程中FRP开孔板连接件中贯通筋应变较小,GFRP筋的应变最大值不超过1000txe,远小于其极限拉应变（约12000p,s）;混凝土强度对FRP开孔板连接件的承载力影响不明显;三排开孔板的平均单排承栽力小于单排开孔板的承载力,二者比值约为77％;试件破坏时,FRP开孔板连接件的滑移量约为1．0mm,而采用环氧树脂胶粘结的试件在破坏时的滑移量则为0．05mm左右。     

钢-混凝土组合梁疲劳性能试验研究

为研究以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳破坏机理及疲劳损伤过程,制作3根钢-混凝土组合梁试件进行疲劳试验,研究组合梁在疲劳荷载作用下的破坏过程、挠度以及混凝土和栓钉应变的变化规律。结果表明:钢-混凝土组合梁的疲劳寿命对疲劳荷载相当敏感,疲劳荷载幅及荷载峰值都会显著影响组合梁的疲劳寿命;以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳损伤可以分为3个阶段,第1阶段,部分剪力较大的栓钉发生疲劳损伤,但栓钉群的整体抗剪性能无显著变化,组合梁的挠度无显著变化,第2阶段,随着疲劳荷载持续作用,部分栓钉发生严重疲劳损伤甚至断裂,栓钉群的抗剪性能劣化,组合梁的挠度明显增加,第3阶段,大部分栓钉被剪断,钢梁与混凝土板退出协同工作模式。     

长期荷载作用卸载后的锈蚀钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究

为研究长期荷载卸载后锈蚀简支组合梁的抗弯性能,进行了6片钢-混凝土简支组合梁的抗弯性能试验,采用电化学腐蚀方法对组合梁进行加速腐蚀,使用5%浓度的NaCl溶液作为电解液。对钢梁和钢筋进行防腐处理,以达到仅使试件指定部位生锈的目的。腐蚀速率通过调节腐蚀电流来控制。在腐蚀和长期荷载作用200天后卸载,测试组合梁的抗弯性能。研究了腐蚀与长期荷载共同作用对组合梁挠度、滑移、应变及极限承载力的影响。试验结果表明:(1)在长期荷载作用下,组合梁的截面应变和界面相对滑移前期得到增长,但对试件的最大应变和最大滑移值影响甚微。(2)栓钉锈蚀导致组合梁整体刚度降低,延性变差;(3)经过栓钉锈蚀,组合梁的抗剪连接程度下降,混凝土板与钢梁工作协同性变差,组合梁抗剪连接程度降低导致滑移量增长,钢材塑性得不到充分发挥,试件的受弯承载力降低;(4)栓钉锈蚀导致栓钉与混凝土的有效接触面积减少,截面组合程度减弱,混凝土压应力提高,应变增大;(5)栓钉锈蚀导致栓钉抗剪切变形能力减弱,试件的滑移增长速率明显增大,相同荷载下,栓钉锈蚀率越高,组合梁相对滑移的最大值越大;(6)栓钉锈蚀更严重的组合梁在同一荷载等级下应变量更大。     

波纹腹板开孔对预应力钢-混凝土组合梁抗火性能影响研究

桥梁工程中为了方便工程检修与管线布设,经常在梁腹板上开孔。为研究腹板开孔对预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能的影响,按照完全抗剪连接设计了2片承受两点对称集中荷载作用的预应力波纹腹板钢-混凝土简支组合梁,其中一片是预应力波纹腹板开孔组合梁,另一片是预应力波纹腹板无孔组合梁;采用ISO834国际标准升温曲线对其进行了恒载升温耐火试验,同时采用有限元软件ABAQUS对其进行了数值研究。研究结果表明:高温下2类预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁均在剪弯区发生剪切屈曲;在截面尺寸和跨度相同条件下,承受相同的绝对荷载时,腹板开孔后的预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于后者在临界状态下抗弯刚度降低,抗火性能下降;在高温作用下,腹板开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于腹板未开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁,预应力拉索的效率更高,下降速率更慢;腹板开孔后的预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁,在升温后期其滑移曲线发展速率略高于腹板未开孔钢-混凝土组合梁;对于腹板开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁,在未出现腹板局部屈曲截面上,腹板分担的剪力可达截面总剪力的78%;开孔截面的总剪力几乎完全由混凝土板承担;临界状态下钢梁腹板正应力略高于常温下的腹板正应力水平。     

装配式混合连接钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究

为了实现小跨径钢-混凝土组合梁桥的快速装配化,在传统装配式钢-混凝土组合梁中引入胶结连接件。为了研究小跨径装配式混合连接钢-混凝土组合梁的力学性能及连接可靠性,设计并制作了2榀10 m跨径组合梁足尺试件,并进行了抗弯性能静力试验。通过对组合梁整体及界面的破坏模式观察,及加载过程中试件的承载力、下挠程度、界面滑移与应变值的测定,得到了荷载-挠度曲线、荷载-界面滑移曲线、应变沿截面高度分布曲线,分析了试件的抗弯承载力、刚度、界面滑移性能和平截面假定的符合性。结果表明,装配式混合连接组合梁具有较好的塑性变形能力,其刚度和强度均满足规范要求,具有较高的安全储备;钢梁与混凝土板连接界面的滑移很小,计算时可不考虑连接界面的滑移影响;在3倍工作荷载内跨中和1/4跨的截面应变符合平截面假定。最后,结合钢-混凝土组合桥梁设计规范(GB 50917—2013)与国外相关文献中的公式,给出了该装配式混合连接组合梁的抗弯承载力计算方法,并通过理论计算与试验结果的对比,验证了该计算方法的合理性。     

考虑焊钉非线性作用的钢-混结合部受力性能

无格室-承压板是钢-混凝土结合部的主要构造形式之一,在实际工程中得到了较广泛的应用.利用混合有限元法建立无格室-承压板钢-混凝土结合部计算模型,并根据焊钉连接件性能试验测得单钉荷载一位移曲线及抗剪刚度等基本计算参数,分析了考虑焊钉非线性影响情况下,钢-混凝土结合部焊钉连接件的受力行为、荷载方向焊钉剪力分布状态,钢、混凝...     

钢—混组合结构2种新型连接件性能及不同间距对比研究

为研究钢-混凝土组合结构中开孔板和开孔波折板连接件这2种新型剪力连接件的力学性能,对2种连接件的各自4组试件进行推出对比试验,研究2种新型连接件在不同板间距的情况下其试件的破坏形态、滑移性能、承载力等性能及2种连接件之间的性能.结果表明,2种新型连接件的破坏模式为纵向劈裂破坏,开孔波折板连接件延性性能相对于开孔板连接件的延性较好;不同板间距的连接件的荷载～滑移曲线具有相似性,接近极限荷载时,开孔波折板连接件的滑移速率相对较慢;2种双板连接件的承载力随板间距的增加而减小,相同构造参数的开孔波折板连接件的承载力约为开孔板连接件承载力的2倍以上;相对于单板连接件而言,2种双板连接件的承载力有明显提高.     

装配式钢桁-混凝土组合梁抗裂性能研究

为解决常规钢-预制混凝土桥道板组合梁剪力键预留孔和板间现浇接缝易开裂的问题,提出了带预埋抗剪栓钉(PCSS)剪力键的装配式钢桁-混凝土组合梁(Prefabricated Steel Truss-concrete Composite Beam,PSTC),为考察其抗裂性能,在介绍基本概念的基础上,阐述了PSTC组合梁的制作方法,进行了1组3个带预应力的PSTC组合梁负弯矩区段加载试验,并分析了在负弯矩作用的开裂极限状态下PSTC组合梁截面应变的构成特征;依据考虑滑移影响后的截面应变协调条件和PCSS联结构造的剪力-滑移本构关系,分别建立了PSTC组合梁微段内混凝土板和钢梁的静力平衡方程,推导得到了考虑滑移后PSTC组合梁的开裂弯矩计算公式。研究结果表明:PSTC组合梁首先需要在预制混凝土板内预埋带栓钉的剪力传递钢板,然后在钢桁梁上安装预制混凝土板并施加纵向预应力,最后对剪力传递钢板与钢桁梁顶面的纵缝施焊联结形成组合梁;PSTC试验梁初始裂缝出现在加载点附近的混凝土板边,开裂荷载随混凝土板预应力的增大而增大,相邻预制板间接缝的初始裂缝均略晚于板内首条裂缝出现,PSTC组合梁无明显的抗裂薄弱部位;得到的计算公式计算结果与试验数据吻合良好,可为同类桥梁提供参考。     

钢-轻骨料混凝土栓钉连接件推出试验研究

为研究钢-轻骨料混凝土栓钉连接件的力学性能,以某长江大桥钢—混组合梁为原型设计制作钢-轻骨料混凝土栓钉连接件,进行推出试验,研究其破坏形态、荷载-滑移曲线、栓钉的抗剪承载力和受力行为。结果表明,试件的破坏形式为栓钉剪断;试件的滑移过程包括弹性和塑性两个阶段;栓钉的设计承载力为113.8kN,大于按Eurocode 4规范和我国《钢结构设计规范》计算的栓钉抗剪承载力设计值;栓钉在加载过程中的受力以受拉为主,同时受弯。     

钢-混组合梁剪力钉抗剪性能试验研究

为研究钢—普通混凝土与钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪强度及破坏形式,根据某实际钢—混组合桥梁结构,设计2种钢—混组合梁剪力钉试件进行极限抗剪强度推出试验,根据试验结果拟合试件荷载～滑移曲线,并与不同规范计算得到的剪力钉抗剪承载力进行比较分析.结果表明:钢—钢纤维混凝土组合梁剪力钉的极限抗剪承载力较钢—普通混凝土组合梁剪力钉高约16％;其极限承载力对应的滑移值约为钢—普通混凝土组合梁剪力钉的2～2.5倍;钢—钢纤维混凝土组合梁破坏特征为剪力钉全部被剪断,钢—普通混凝土组合梁破坏特征为混凝土被压裂.由各公式得到的试件抗剪承载力均偏于保守.     

鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析

鄂东长江大桥为主跨926 m的混合梁斜拉桥,混合梁结合段采用有格室后承压板形式,钢与混凝土间通过焊钉和开孔板连接件结合。为得出连接件受力分布和内力分担比例,校核连接件布置,对该结合段局部格室建立空间有限元模型,并考虑相对滑移、承压接触和连接件作用进行受力分析。研究结果显示,连接件和承压板各分担约50%的轴压力。焊钉作用最大剪力约为40kN,开孔板连接件约为130 kN,开孔板传力作用明显。沿主梁轴向,钢格室应力平缓减小,混凝土轴向压力线性增加,结合段应力过渡平滑。计算结果与模型试验结果较为吻合。     

钢-UHPC组合梁负弯矩区受力性能试验

为解决钢-混组合梁负弯矩区桥面板的开裂问题，以桥面连续钢-混组合梁为研究对象，负弯矩区桥面板采用超高性能混凝土（Ultra-High-Performance Concrete，UHPC）代替传统普通混凝土，对其抗裂性能展开研究，并设计3根不同负弯矩区接口形式的钢-UHPC组合梁，采用一种独特的转角加载方式进行全过程静力加载试验，获得转角、临界开裂荷载、应变等关键试验数据；基于Abaqus的混凝土塑性损伤模型建立试验梁的非线性有限元模型，并对试验过程进行模拟。研究结果表明：钢-混组合梁负弯矩区采用UHPC，能明显提高负弯矩区的开裂性能、有效解决了负弯矩区桥面板的开裂问题；建议了合理的负弯矩区接口形式及负弯矩区UHPC纵向铺设长度取0.1L；采用黏结滑移理论，提出了简易的UHPC裂缝宽度计算公式。     

混合梁斜拉桥钢-混结合段力学性能模型试验研究

钢-混组合梁与混凝土梁结合段受力复杂,为指导该类钢-混结合段设计,以某混合梁斜拉桥为背景(钢-混结合段为有格室后承压板结构形式),制作大比例钢-混结合段模型,考虑混凝土的徐变效应,进行静载试验,分析9个工况下模型的应力分布情况,并结合试验结果和理论分析研究结合段传力特性。结果表明:在各工况下,全部钢构件和混凝土均受压,混凝土徐变效应引起结构应力普遍增大,其对钢构件应力影响程度较混凝土大;在最不利工况下试验模型各部位均处于弹性阶段,钢梁和混凝土所受荷载与应变呈现出良好的线性关系;承压板承担了由跨中组合梁传递至钢-混结合段荷载的55%～60%,组合梁桥面板可成为减小承压板荷载的有效途径。