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...     

PBL剪力键静载力学性能推出试验研究

通过7组21个PBL剪力键(开孔钢板连接件)试件的推出试验,研究PBL剪力键的弹性承载力、极限承载力、滑移量及延性系数等静载力学性能。运用推出试验的非线性有限元仿真分析,研究PBL剪力键的传力和破坏过程。结果表明:PBL剪力键的极限承载力高,延性系数大;按照荷载-滑移曲线及内部应力状态,PBL剪力键的破坏过程可分为线性阶段、弹性阶段及塑性阶段;弹性阶段之前承载力主要由孔洞内混凝土提供,弹性阶段之后承载力主要由贯穿钢筋提供。由于PBL剪力键的力学性能指标尚无明确的定义和标准化的推出试验方法,使得各试验者得到的PBL剪力键承载力回归公式没有普适性。为使PBL键得到更广泛的应用,应尽快规范PBL键推出试验方法。     

Twin-PBL剪力键疲劳性能试验及有限元分析

为研究Twin-PBL剪力键在循环荷载作用下的力学性能,进行了5个Twin-PBL剪力键的疲劳推出试验。分析了其在不同疲劳荷载幅下的疲劳破坏模式、疲劳性能及荷载-滑移曲线。结合有限元仿真软件MIDAS/Fea进行空间实体建模,将有限元计算结果与推出试验得出的数据和构件损伤形式进行了对比分析,并拟合得到平均相对误差为9. 09%的荷载与寿命曲线方程。结果表明:在疲劳试验中,Twin-PBL剪力键的疲劳损伤寿命随疲劳荷载幅的增大而趋于短折; Twin-PBL剪力键疲劳试验后的残余滑移量能表征疲劳损伤的程度;有限元仿真模拟与疲劳试验相互印证了Twin-PBL剪力连接件的破坏模式,即混凝土板自底部呈45°斜向劈裂,开孔处混凝土榫剪碎,贯穿钢筋剪切变形。     

侧向压力作用下PBL剪力键的抗剪性能

为研究侧向压力对PBL(Perfobond Rib)剪力键受力全过程的影响机理,设计了4组PBL剪力键推出试验,采用螺杆施加侧向压力,进行全过程破坏加载试验,对试件的荷载-滑移曲线和破坏模式进行了分析。研究结果表明:PBL剪力键的抗剪刚度大,承载力高,剪力键延性好,达到极限承载力后剪力键承载能力降低,但不发生脆性破坏;侧向压力增强了混凝土板的整体性,试件破坏模式均为贯通钢筋剪断和底部混凝土压碎;侧向压力增强了PBL剪力键的抗剪承载力,增加幅度与侧向压力成正比;侧向压力以界面摩擦力的方式参与抗剪作用,钢混结合面的摩擦因数在试验全过程中保持稳定,测试值为0.78。     

大跨度四线铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段有限元分析

为研究四线铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段的受力特征及传力机理,以新建福厦高铁乌龙江高低塔混合梁斜拉桥为背景,采用ANSYS有限元软件建立该桥钢-混结合段三维有限元模型,分析最不利荷载工况下钢-混结合段中钢结构和混凝土的受力状态及轴力分配比例。结果表明:(1)钢-混结合段的受力状态处于安全设计范围之内;(2)结合段横向宽度大,剪力滞效应需给予关注;(3)刚度过渡段顶、底板轴力传递比例随外荷载变化而不同,但钢壳体总体传力规律与外荷载相关性较小;(4)钢-混结合段约46%的轴力由承压板以压力方式传递至混凝土,约18%的轴力由PBL剪力键传递给混凝土,剩余约36%的轴力由钢壳体上剪力钉和界面粘结力传递给混凝土。分析验证新建乌龙江大桥钢-混结合段结构设计的合理性,分析数据可为类似工程设计提供参考。     

混合梁钢-混结合段PBL剪力键的受力性能研究

为研究混合梁钢-混结合段PBL剪力键的受力性能,本文对2类7组共28个插入式试件进行破坏性试验。基于试验结果,对分别采用超高性能活性粉末混凝土(RPC)和C50普通混凝土浇筑的PBL剪力键力学性能、破坏形态及传力原理等进行分析,探讨影响PBL受力性能的主要因素;同时将试验结果与国内外学者提出的PBL承载力公式计算值进行比较,建立孔内榫剪断形式下、考虑开孔钢板与混凝土黏结作用的PBL承载力计算式。结果表明:采用RPC浇筑的PBL剪力键相对采用C50浇筑受力性能得到改善,PBL延性主要受孔内贯穿钢筋变形性能控制,混凝土榫能有效提高PBL的抗剪能力。建立的承载力计算式物理意义明确,计算值与试验值吻合较好,可用于采用RPC或普通混凝土浇筑的混合梁钢-混结合段PBL承载能力的确定。     

PBL剪力键的弹性静力解析解

基于Airy应力函数和Winkler弹性地基梁理论,进行钢混组合结构中PBL剪力键在工作状态下的弹性静力解析解研究。根据PBL剪力键在工作状态下的受力特性,将PBL剪力键简化为混凝土圆环与贯穿钢筋相互作用的力学模型。在假设混凝土圆环的接触应力为抛物线分布的条件下,借助Airy应力函数,求解其工作状态下的应力和位移的解析解;应用Winkler弹性地基梁理论,得出贯穿钢筋的应力和位移的解析解。运用该解析解和有限元对算例的计算结果进行对比,结果表明该PBL剪力键在工作状态下的弹性静力解析解是可靠的。     

考虑正压作用剪力连接件的受力分析

在探讨剪力键抗剪性能时,对H型钢施加推力是推出试验的主要加载方式,但实际操作时组合结构桥梁中钢梁与混凝土梁通过连接件及横向预应力筋接合,此时传统加载方式已不能模拟现实中结构的真实受力状态。本文通过对试件侧面施加正压力的方式来模拟预加力,并用有限元软件建立实体模型分析结构受力情况。结果表明:正压力的存在有效地提高了栓钉剪力连接件和开孔钢板剪力连接件的极限抗剪承载力和构件延性;栓钉断裂后,钢-混结合面的摩擦系数有所增加;有限元仿真分析能很好地模拟推出试验中考虑摩擦力时试件的真实受力情况。     

钢-混凝土混合结构在大跨度连续刚构桥中的应用

重庆石板坡公路长江大桥采用填充混凝土后板式钢—混凝土接头。在轴力、弯矩和剪力的作用下,钢—混凝土接头处将产生轴向压应力、拉应力和剪应力。压应力由承压板及PBL剪力键共同传递,拉应力、剪应力主要由PBL剪力键传递。计算得到钢—混凝土接头的最不利荷载组合内力。在钢—混凝土接头附近截取18m长的1个梁段,将混凝土与贯穿钢筋进行耦合、贯穿钢筋与PBL板进行耦合,采用实体单元、板单元和梁单元,建立钢—混凝土接头有限元模型,利用有限元软件ANSYS进行仿真分析,得到钢—混凝土接头各部分的应力分布。结果表明:结构各构件在设计荷载下并未出现超出材料强度的应力峰值;剪力主要靠腹板上的PBL剪力键传递;有效的预应力体系是钢—混凝土接头可靠性的根本保证。     

高铁大跨度斜拉桥主梁钢混结合段力学性能研究

为研究4线高速铁路混合梁斜拉桥新型钢混结合段的力学性能，以主跨672 m的安九铁路鳊鱼洲长江大桥主梁钢混结合段为背景，开展局部缩尺静力和疲劳模型试验，并结合有限元分析钢混结合段的应力分布、滑移开裂及疲劳性能。研究结果表明：最不利工况下，结合段钢构件应力沿横向分布不均且边箱处最大，沿纵向在承压板处产生突变，承压板传力作用显著；最大负弯矩工况下，钢构件的实测应力在1.8倍逐级加载过程中均呈线性变化。钢混间最大滑移仅为0.065 mm,结合段钢混间协同变形良好；挠度结果反映结合段具有良好的刚度并整体呈弹性受力状态；混凝土段顶板于1.4倍最大负弯矩加载时开裂，1.8倍加载下裂缝纵向分布形态表明结合段受力优于钢过渡段。活载最不利工况下，边箱顶板处为主要疲劳敏感区域，钢过渡段水平隔板在疲劳165万次后发生开裂，其余钢结构未开裂；混凝土在疲劳50万次后即开裂，但裂后劣化并不显著；剪力钉和PBL连接件抗疲劳性能良好。钢混结合段具有良好的承载能力及抗疲劳性能，传力合理，可为类似结构提供参考。     

大跨度钢桁拱桥拱桁交叉节点疲劳试验研究

大跨度公轨两用桥拱桁交叉节点处汇交杆件多、形状复杂、规模大、受力集中,处于典型的复杂空间受力状态。本文介绍根据疲劳损伤累计理论确定疲劳试验荷载的过程,得出疲劳荷载主要取决于下层汽车荷载和地铁荷载的结论。设计并制作1∶4缩尺模型,对该模型进行200万次疲劳加载试验。试验结果表明:结构应力水平较低,最大主拉应力为28.5 MPa,最大Von.Mises应力为45.1 MPa。在完成循环加载200万次后,试验模型未发现裂纹,逐步提高荷载幅,循环加载276万次,试验模型未发现裂纹,可得出重庆朝天门大桥的拱桁交叉节点连接结构在正常养护维修情况下,设计寿命期内不会发生疲劳开裂,疲劳强度满足要求。     

装配式栓钉剪力连接件抗剪承载力试验研究

为探索装配式栓钉在荷载作用下的力学性能,设计了2个大比例尺的预制装配式栓钉剪力连接件,通过推出试验研究其破坏过程、荷载滑移曲线、抗剪性能和极限承载力。研究结果表明:当栓钉被剪断时,栓钉根部剪断位置处有颈缩现象且局部混凝土剥落,栓钉周边混凝土仅出现细小裂纹,没有明显贯穿式裂纹;由于桥道板板肋处混凝土受传力钢板的约束作用使得板肋处混凝土和钢结构间摩擦力增大,进而提高了装配式栓钉剪力连接件的抗剪承载能力;在考虑滑移沿试件高度不均匀分布系数对结构影响的基础上,推导了在考虑混凝土弹性模量、栓钉弹性模量、栓钉直径、栓钉数量等因素的装配式栓钉剪力连接件单钉极限承载力理论计算公式,且计算结果的安全富余度满足规范要求,与试验结果相比,误差在5%以内,吻合较好。     

斜拉桥索塔钢混组合锚固结构力学性能分析和试验研究

采用自平衡式加载反力架对苏通大桥索塔钢混组合锚固结构进行足尺模型试验,观测模型的应力、裂缝分布和变形情况.采用ANSYS有限元软件对模型进行数值分析.试验和分析结果表明:索孔出口面上方的混凝土表面最易出现裂缝;钢混结合面表现为弯剪共同作用的特性,顶推荷载水平分力主要由钢锚箱结构承担,混凝土亦承担一小部分,竖向分力可全部由剪力钉传递给混凝土承受;单节段模型的有限元计算结果比多节段模型的计算结果偏大,用单节段模型试验结果代表实桥受力状况偏于安全.     

钢锚箱索塔锚固区受力机理

根据苏通大桥索塔锚固区钢锚箱的实际尺寸进行有限单元计算分析和节段足尺模型试验研究。有限单元分析采用ANSYS程序,全面分析钢锚箱在荷载作用下的应力,得知钢锚箱中受力最大位置发生在侧面拉板靠下部的圆倒角处,钢筋混凝土结构的最大主拉应力出现在索孔出口下边缘处。节段足尺模型试验研究表明,钢锚箱实测最大应力位置与计算分析结果基本相同,但应力水平稍低一些;混凝土结构中拉应力较大的位置出现在斜拉索索孔出口、内壁倒角、侧壁内侧等处;剪力钉应力最大者是最外侧的几列,且表现为从外侧列向中间列逐渐减小;试验的顶推荷载水平分力约75.7%由钢锚箱侧面拉板和横隔板承担,竖向分力通过端板上的剪力钉与混凝土之间的相互作用传递到混凝土上。     

混合型自锚式悬索桥连接部位传力研究

某大桥是目前世界上最大跨径的钢与混凝土混合梁自锚式悬索桥,主跨350 m,钢-混结合段是该桥设计的关键技术之一。介绍了目前国内外混合梁主要的结合形式,针对大桥钢-混结合段设计制作了1∶4缩尺模型,并进行有限元分析和试验,研究了钢-混结合段的位移、附近区域的应力分布、结合面处钢与混凝土之间的相对滑移以及混凝土梁表面的裂缝发展。结果表明:钢-混结合段构造合理,刚度过渡平缓匀顺,传力顺畅,结合可靠,有很强的承载力;结合段采用的新型剪力连接件PBL键连接可靠,作用牢固。试验为该桥设计提供了依据,并可为类似设计提供技术储备。     

考虑纵向剪力重分布影响时组合梁界面滑移及挠度变形的理论分析

为了在有关组合梁界面滑移及挠度变形的研究中考虑纵向剪力重分布的影响,本文以受均布荷载作用的简支组合梁为对象,研究栓钉等柔性连接件塑性变形引起的纵向剪力重分布.根据连接件的受力状态,将界面受力全过程划分为3个工作阶段,建立相应阶段的纵向剪力简化计算模型,推导轴向力和截面曲率方程,进而得到组合梁界面滑移及挠度变形的计算公式,并将本文计算结果与按我国钢结构设计规范建议的折减刚度法得到的计算结果进行比较.比较结果表明,在分析组合梁各受力阶段的界面滑移及挠度时,需考虑界面纵向剪力重分布的影响.     

斜拉桥桥塔钢—混凝土结合段模型试验研究

根据几何、物理以及边界条件相似原则,设计绵阳城南新区1号桥桥塔钢—混凝土结合段的缩尺试验模型.对试验模型分别进行正常使用极限状态与承载能力极限状态加载,测试试验模型控制断面和主要构件的应力、变形随加载历程的变化.试验结果表明:结合段钢结构、混凝土结构及PBL键贯穿钢筋的应力水平较低,钢箱与混凝土之间相对滑移量较小,钢箱...     

PBL剪力连接件荷载-滑移关系试验研究

依据13组45个试件的静载破坏试验,分析了混凝土榫抗剪承载力、贯穿钢筋抗拉承载力以及钢板厚度对PBL剪力连接件在不同加载时期的荷载-滑移关系的影响。针对单排剪力连接件和双排剪力连接件,分别提出了加载全过程的荷载-滑移关系公式。公式呈幂函数形式,其幂常数与混凝土榫抗剪承载力、贯穿钢筋抗拉承载力以及钢板厚度有关。     

自锚式悬索桥钢-混结合段施工技术

南京长江隧道工程右汉独塔自锚式悬索桥,边跨混凝土箱梁与主跨钢箱梁通过钢混结合段进行连接,钢混段采取PBL剪力键及抗剪焊钉、预应力等相应措施克服因材质不同、温度等因素对梁体的影响,使全桥混凝土与钢箱梁形成一个整体,满足结构受力需要。     

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。