桥塔钢-混结合段剪力连接件承载力试验研究

为确保斜拉桥桥塔钢-混结合段连接的安全可靠,应选择合适的剪力连接件。结合连岛工程跨海斜拉桥索塔锚固区的设计,比较不同极限承载力公式的差异。对栓钉连接件进行模型试验研究,试验得到栓钉的荷载~滑移量曲线。重点研究栓钉的抗剪承载力及破坏形态等,并将试验结果与所有公式的计算结果进行比较。试验结果表明:栓钉连接件以栓钉受弯剪破坏为主,具有良好的延性,在破坏前有明显的屈服过程。在承载力方面,群钉试验得到的用于桥塔钢-混结合段的单钉极限承载力平均比《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)的计算值高32%左右。     

装配式钢-UHPC组合梁群钉连接件受力性能研究

为研究装配式钢-UHPC组合梁中群钉连接件在不同应力状态下的结构性能,开展了三组群钉连接件的推出试验和两组拉剪试验,考虑栓钉间距、高径比和拉剪比对UHPC中群钉连接件破坏形态、承载能力和延性的影响,提出UHPC中群钉连接件荷载-滑移关系表达式。结果表明：推出试验和拉剪试验的破坏模式均为栓钉被剪断;剪切荷载下,减小栓钉间距会降低群钉连接件的承载力和延性,栓钉高径比对极限承载力和相对滑移的影响较小,短栓钉在UHPC中仍能发挥其抗剪性能,建议群钉连接件中栓钉间距不小于4倍栓钉直径,UHPC板中群钉连接件采用弹性理论进行设计。拉剪荷载下,拉剪比为0.17时拉力作用对群钉连接件受力性能影响可忽略,拉剪比为0.27时拉力作用明显削弱了UHPC板中群钉连接件的承载能力和延性。提出的荷载-相对滑移关系的计算模型能够准确的描述UHPC板中群钉连接件的行为。     

装配式组合梁剪力钉抗剪承载力研究

为给装配式组合梁剪力连接件的设计施工提供参考,针对装配式组合梁中剪力钉的布置特点,考虑荷载作用等级和剪力钉数量的影响,进行纵向荷载作用下剪力钉连接件的抗剪性能和极限承载力试验研究。采用推出试验的方法,设计了2类共24个剪力钉推出试件,考察试件从受载到破坏全过程的抗剪机制,再利用约束混凝土基本力学原理对试件剪力钉核心区的混凝土进行力学分析从而提出其承载力设计算法,并将计算结果与试验结果进行对比分析。结果表明:相对于常规剪力钉试件,同规格装配式剪力钉试件抗剪承载力高20%以上,峰值滑移增加近1倍,混凝土板裂缝扩展不明显;弹性阶段2类试件荷载-滑移规律相差不大,弹-塑性阶段装配式剪力钉试件荷载-滑移曲线的峰值点向上向后移,破坏阶段装配式剪力钉试件的整体性保持较好;计入混凝土约束增强作用后的承载力计算公式,其计算值与试验值吻合较好,且安全富余度满足规范要求。研究显示,剪力钉周围混凝土受到的约束作用对其纵向抗剪承载力和延性的提高有重要贡献。     

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.     

预制装配式组合剪力钉试验研究

为研究预制装配式组合剪力钉(PCSS)的抗剪性能,考虑剪力钉布置形式、剪力钉个数、钢与混凝土界面粘结对抗剪性能的影响,设计制作了9组试件(8组PCSS试件和1组常规剪力钉试件),采用MTS 5000kN试验机进行推出试验,分析试件的破坏形式、极限承载力、滑移性能和抗剪刚度。结果表明,与常规剪力钉相比,PCSS试件的极限承载力较高,其破坏形态为延性破坏;剪力钉越多,PCSS试件的承载力越高,但PCSS试件的荷载~滑移曲线的趋势不受剪力钉个数的影响;钢与混凝土界面的粘结程度越高,PCSS试件的抗剪承载力和抗剪刚度也越大。建议不考虑界面粘结对承载力的提高作用,以钢与混凝土界面全光滑粘结试验值作为设计依据,提高结构安全储备。     

木-混组合梁槽口钉类连接件抗剪承载力计算方法研究

为计算钉杆弯曲破坏机理下槽口钉类连接件抗剪承载力,提出木-混组合梁槽口钉类连接件抗剪承载力计算方法。参照依据新西兰标准和欧洲规范的槽口螺钉连接件抗剪承载力计算方法——NZS法、修正折减参数η*的EC*法,针对混凝土剪切破坏和钉类弯曲变形造成连接失效的破坏机理,采用销钉连接件抗剪承载力计算式替代2种方法中螺钉抗拔承载力,得到考虑钉杆弯曲破坏的NZS法、EC*法,用以计算槽口钉类连接件抗剪承载力。以9组木-混组合梁推出试件为例,采用这2种方法计算试件的槽口栓钉连接件抗剪承载力,并与试验值对比。结果表明,2种方法均未考虑槽口深度对木-混组合梁槽口钉类连接件抗剪承载力的影响;相较于考虑钉杆弯曲破坏的EC*法,考虑钉杆弯曲破坏的NZS法的计算值与试验值吻合更好,能够较好地计算槽口钉类连接件钉杆弯曲破坏时的抗剪承载力。     

新型钢混螺栓连接件抗剪性能试验

在钢混组合梁桥中,为实现混凝土板与钢主梁的装配式连接,提出一种主要由长螺栓、短螺栓及螺栓连接套筒组成的新型钢混螺栓连接件,该螺栓连接件的最大优势为易于混凝土板的拆卸。设计并开展新型螺栓连接件推出试验（3组试件）,并分析各直径螺栓连接件的剪力-滑移曲线特征及相应推出试件的破坏形态;研究新型螺栓连接件的抗剪承载力、峰值滑移及抗剪刚度等力学性能,并与焊钉连接件相应的力学性能进行比较。研究结果表明：推出试验中新型螺栓连接件的破坏形态均为螺栓杆被直接剪断,螺栓连接套筒下侧混凝土仅出现微小裂纹,混凝土无压溃剥落现象;新型螺栓连接件的抗剪承载力约为螺栓杆抗拉强度的80%;钢混结合面的峰值滑移随螺栓直径的增大而增加,M27螺栓连接件的峰值滑移接近6 mm;螺栓连接件的抗剪刚度主要受螺栓杆和螺栓孔间隙的影响,随间隙的增大而减小;在钢混组合梁桥中应用该新型螺栓连接件时,为减少螺栓连接件的使用数量,推荐采用较大直径的螺栓连接件。     

钢-超薄UHPC组合桥面板界面抗剪焊接构造

为研究钢-超薄UHPC组合桥面板中新型钢筋网局部焊接抗剪连接件的静力性能,开展12个静力推出试验,考虑焊缝长度和界面黏结的影响,获得焊接抗剪件的荷载-滑移曲线和抗剪承载力。基于显示动态分析法,采用有限元软件ABAQUS对静力推出试验进行仿真分析。采用疲劳推出试验,初步研究焊缝长度为25 mm焊接抗剪件的疲劳性能。研究结果表明:焊接抗剪件抗剪承载力随焊缝长度增加而提高;界面黏结对试件抗剪承载力并无显著影响,但会提高其弹性阶段抗剪刚度;静力试验受纵筋焊接长度比例影响有2种破坏模式,分别为焊缝剪断和纵筋拔出,两者均为脆性破坏;与常规栓钉抗剪件相比,焊接抗剪件具有较高的抗剪承载力和抗剪刚度;针对2种不同破坏模式,考虑材料和接触非线性的计算结果与试验结果吻合较好;焊接抗剪件在80 MPa剪应力幅下循环加载至500万次仍未发生疲劳开裂,满足疲劳设计要求;疲劳试件破坏前的大部分时间内,界面相对滑移量增加缓慢,而在试件疲劳破坏阶段,界面相对滑移量增加迅速。     

钢-超薄UHPC组合桥面板界面抗剪焊接构造（双语出版）

为研究钢-超薄UHPC组合桥面板中新型钢筋网局部焊接抗剪连接件的静力性能,开展12个静力推出试验,考虑焊缝长度和界面黏结的影响,获得焊接抗剪件的荷载-滑移曲线和抗剪承载力。基于显示动态分析法,采用有限元软件ABAQUS对静力推出试验进行仿真分析。采用疲劳推出试验,初步研究焊缝长度为25 mm焊接抗剪件的疲劳性能。研究结果表明：焊接抗剪件抗剪承载力随焊缝长度增加而提高;界面黏结对试件抗剪承载力并无显著影响,但会提高其弹性阶段抗剪刚度;静力试验受纵筋焊接长度比例影响有2种破坏模式,分别为焊缝剪断和纵筋拔出,两者均为脆性破坏;与常规栓钉抗剪件相比,焊接抗剪件具有较高的抗剪承载力和抗剪刚度;针对2种不同破坏模式,考虑材料和接触非线性的计算结果与试验结果吻合较好;焊接抗剪件在80 MPa剪应力幅下循环加载至500万次仍未发生疲劳开裂,满足疲劳设计要求;疲劳试件破坏前的大部分时间内,界面相对滑移量增加缓慢,而在试件疲劳破坏阶段,界面相对滑移量增加迅速。     

UHPC中短栓钉抗剪性能试验及理论分析

为深入研究超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）中短栓钉的抗剪性能,提出精细化的计算理论和方法,指导工程设计,共完成9个静力推出试验。试件参数包括短栓钉直径、界面处理情况以及加载方式。根据试验受力模式,提出了一种三维精细有限元分析模型,利用ABAQUS显式分析方法,探讨焊缝形式、短栓钉直径、短栓钉高度、UHPC强度等参数对UHPC中短栓钉抗剪性能的影响。最后结合试验数据及有限元分析结果提出UHPC中短栓钉荷载-滑移全曲线实用经验公式和抗剪承载力计算公式。试验及分析结果表明：短栓钉抗剪承载力主要受短栓钉直径和焊缝形式的影响,随短栓钉直径的增大而提高,有限元中模拟焊缝相比于不模拟焊缝时短栓钉抗剪承载力提高48%~93%;短栓钉抗剪刚度主要受短栓钉直径和界面处理情况的影响,界面黏结将提高抗剪刚度;加载方式（单调加载和循环加载）、短栓钉高度和UHPC强度对短栓钉抗剪性能影响较小;2种不同直径短栓钉最大滑移均不超过4 mm,设计时可按照弹性连接件设计方法计算;收集的国内外68组有效试验数据与理论计算结果吻合度较高;建议取0.3P_u~0.4P_u（短栓钉抗剪承载力）处的割线刚度平均值作为UHPC中短栓钉抗剪刚度,抗剪刚度试验值与理论计算结果对比表明该方法具有较高的精度。     

复杂应力条件下快速施工钢-混组合梁群钉推出试件参数分析

为了研究快速施工钢-混组合结构中群钉剪力连接件在复杂应力条件下的受力特性,探讨焊钉尺寸和不同应力条件对群钉推出试件受力特性的影响,基于混凝土和焊钉损伤塑性模型,考虑结构非线性行为,采用数值有限元法对设计的5组不同参数的群钉推出试件进行数值模拟及分析。在此基础上,进一步分析了不同横弯力和预压应力对焊钉周围的混凝土性能和焊钉失效模式的影响。结果表明:横弯力和预压应力对焊钉的滑移影响较小,但对焊钉的抗剪承载能力和抗剪刚度影响较大;增大横弯力和预压应力,焊钉的抗剪承载力最多可提高31%,抗剪刚度最多可提高61%;焊钉高度大于其直径的4倍时,其高度变化对群钉中焊钉的平均抗剪承载能力和抗剪刚度影响不大;基于混凝土和焊钉损伤塑性模型的有限元建模方法可以较好地用于钢-混组合结构群钉力学行为的参数分析;横向预应力的施加,能够有效改善群钉周围混凝土的性能,提高群钉剪力连接件的刚度和钢-混组合结构耐久性,为群钉在快速施工钢-混组合结构桥梁中的应用提供新的技术选择。     

具有短钢筋连接件的超薄轻型组合桥面结构抗剪性能初探

钢—超薄UHPC轻型组合桥面板中UHPC层太薄难以采用常规剪力连接件,笔者团队提出一种新型短钢筋剪力连接件替代常规连接件。首先对短钢筋连接件静力抗剪性能进行初步研究,研究方法采用常用静力推出试验方法。共设计3组(5个)短钢筋推出试件,其中焊缝长度包含15、20、30 mm。试验结果表明:试件存在2种破坏模式,分别为焊缝剪断和超高性能混凝土局部破坏模式;短钢筋连接件承载力随着焊缝长度增加而提高;短钢筋连接件抗剪承载力比栓钉更高。然后对实验模型采用ABAQUS有限元软件进行仿真分析。其中短钢筋连接件、钢板和超高性能混凝土均采用C3D8R单元,钢筋网采用C3D2桁架单元进行模拟。计算结果与试验值符合较好。在模型与试验相验证的基础上,进行了不同焊缝长和不同短钢筋直径的静力推出试件的有限元参数分析,探明了焊缝长和短钢筋直径对荷载-滑移曲线的影响规律。     

PBL和PZ组合销剪力连接件承载力试验研究

为了研究剪力连接件在波形钢组合桥面板中的抗剪承载力性能,给钢混组合结构的设计提够参考,采用了推出试验方法,考虑了贯穿钢筋、椭圆孔、黏结摩擦力等影响因素,设计并制作了8组试件,得出了荷载-滑移曲线,分析了两类剪力连接件的承载力、滑移量、抗剪刚度、延性系数等静力性能指标。考虑组合销本身及椭圆孔的作用,提出了应用在波形钢组合桥面板中带椭圆开孔的PZ剪力连接件承载力计算公式。结果表明:两类剪力连接件均为混凝土剪切破坏,破坏时出现贯通裂缝,PZ连接件钢销及椭圆孔和PBL(开孔板)连接件圆孔均未发生明显变形,但贯穿钢筋变形明显。两类剪力连接件有着相同趋势的荷载-滑移曲线,相同条件下PZ剪力连接件的极限承载力高于PBL剪力连接件,而且开椭圆孔会明显提高PZ剪力连接件的极限承载力。钢板与混凝土之间的黏结摩擦力对剪力连接件的抗剪性能发挥着重要的作用。PZ剪力连接件的抗剪刚度高于PBL剪力连接件,贯穿钢筋会提高抗剪刚度,但开椭圆孔会使抗剪刚度降低。两类剪力连接件均为延性破坏,但PZ剪力连接件延性优于PBL剪力连接件。钢销下部应变幅变化较大,为PZ组合销剪力连接件应力集中区域。提出的带椭圆开孔的PZ剪力连接件承载力公式与试验结果吻合度较好。     

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％.     

栓钉在混凝土受拉状态中的抗剪试验研究

研究连续组合梁负弯矩区栓钉连接件的抗剪承载力，对处于拉区混凝土中的栓钉连接件，进行9个试件的正交拉剪试验，考虑栓钉直径、混凝土强度及钢纤维配置3个因素。试验数据的极差和方差分析表明，只有栓钉直径是其抗剪承载力的高度显著影响因素，混凝土强度及在混凝土中配置钢纤维对栓钉抗剪承载力的影响均可忽略。对于剪力连接度小于1，混凝土中纵向受拉钢筋应力低于屈服点的，隋况，混凝土受拉与受压状态下的栓钉承载力没有明显差别。拉区混凝土裂缝首先在栓钉位置开展，在保持剪力连接度不变的条件下，采用小直径栓钉密集布置方案，有利于限制拉区混凝土最大裂缝宽度.     

预制小箱梁近支点湿接缝抗剪机理试验及理论研究

预制小箱梁采用整体抽拉式钢内模形成的近支座处接缝处于剪力最不利位置,界面上纵筋配筋率低、无预应力钢束穿过、锚固端在此形成刚性的剪切键。为揭示此种接缝构造的抗剪承载机制,设计制作9组18个Z形直剪试件进行静载试验,通过分析各试件的破坏形态、荷载-位移曲线及抗剪承载力,研究新老混凝土结合面单独加入界面钢筋、刚性剪切键以及将界面钢筋和刚性剪切键组合在一起(简称为组合试件)对结合面剪切性能的影响。研究结果表明：界面钢筋能有效提高结合面的抗剪承载力,界面钢筋试件的抗剪承载力为基本试件的1.74～2.67倍,构件抗剪承载力与界面配筋率有较好的线性关系;界面钢筋的承载机理符合摩擦抗剪理论,试件沿平行结合面约40°方向错动;刚性剪切键试件的荷载-位移曲线经历了先下降后上升的过程,刚性剪切键在结合面处起销栓作用,破坏模式为销栓抗剪引起的混凝土破坏;组合试件的抗剪承载力为基本试件的3.23～3.48倍,其中界面钢筋提供的抗剪能力占构件平均抗剪承载力的48.6%～52.2%,刚性剪切键提供的抗剪能力占构件平均抗剪承载力的20.2%～24.6%;将刚性剪切键受剪导致混凝土破坏的抗剪承载力表达为基材混凝土强度、...     

考虑疲劳损伤的栓钉连接件抗剪承载力研究

针对钢-混凝土组合梁桥在结合面处承受反复剪力作用的栓钉连接件极限承载力降低现象进行了试验研究。基于考虑构件初始缺陷影响的断裂力学方法,建立了栓钉连接件疲劳寿命分析模型,并通过试验数据确定了模型参数,提出了栓钉连接件残余抗剪承载力与等幅循环荷载加载次数关系的计算方法,采用此计算方法对不同的影响因素进行了参数分析。研究结果表明:栓钉直径越大,其抗剪承载力退化程度越大;栓钉初始缺陷率大于0.1且剪应力幅值大于100MPa时,其抗剪承载力降低速度很快,在工程设计中须加以控制。     

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。     

火灾作用下剪力钉抗拔性能研究

为研究钢-混组合梁中剪力钉在不同温度场下的抗拔破坏模态和承载力,以某铁路桥钢-混组合梁为基础设计剪力钉试件,采用Abaqus软件建立试件有限元模型,分析剪力钉试件在双面受火、混凝土单面受火和钢板单面受火3种形式下的抗拔破坏模态、荷载~位移曲线和承载力,并根据承载力结果拟合不同温度下剪力钉的抗拔承载力计算公式。结果表明:钢-混组合梁在常温下和混凝土单面受火时,其受拉破坏模态为混凝土脆性破坏、剪力钉被整体拉出;在双面受火约10min后,其受拉破坏模态变为剪力钉的延性断裂;钢-混组合梁双面受火时,剪力钉的抗拔承载力在短时间内就会受温度影响急剧下降,30min后下降速度变慢,受火15,30,180min时,其抗拔承载力比常温时分别下降33.2%、59.1%、79.1%;混凝土单面受火时,剪力钉的抗拔承载力随受火时间下降较慢,受火180min时,其抗拔承载力比常温时下降10.2%。     

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。