局部锈蚀下Q550E钢梁抗弯性能试验研究

侵蚀环境下高性能钢结构普遍存在局部锈蚀病害，这将削弱结构的整体承载能力。为了研究局部锈蚀对钢结构承载力的影响程度，设计制作了7片H形Q550E高性能钢梁，研究不同局部锈蚀对高性能钢梁抗弯性能的影响。首先对其中6片试验梁的弯剪段和纯弯段开展了不同锈蚀率的加速锈蚀，另1片为未锈蚀对比梁。接着，对试验梁开展四点弯曲分级加载试验，采集并对比分析了试验梁关键截面的应变和挠度数据。结果表明：锈蚀导致试验梁的承载力、屈服挠度、极限挠度和延性降低，相同锈蚀率下纯弯段性能降低程度大于弯剪段；右半截面承载力比下半截面降低程度更大；所有试验梁均为受压翼缘屈曲失稳破坏；SCR梁屈曲发生在弯剪段，其他试验梁屈曲位置位于纯弯段；弹性阶段腹板应变符合平截面假定，试验梁受拉翼缘一般先于受压翼缘屈服，因此随着荷载的增加，会出现截面中性轴上移现象；整体锈蚀比纯弯段下半截面锈蚀时的剩余承载力低，主要因为整体锈蚀时受压翼缘存在锈蚀削弱，导致试验梁屈曲提前，承载力降低；局部锈蚀的不均匀性会产生翼缘应力集中，导致PCR试验梁比整体锈蚀梁承载力低；与普通钢梁相比，锈蚀对于高性能钢梁承载力退化影响更大；对于顶板和底板锈蚀，梁的剩余承载力与其锈蚀程度为线性关系。     

螺栓锈蚀对盾构隧道接头抗弯性能的影响研究

为研究螺栓锈蚀对隧道服役性能的影响，通过考虑不同荷载类型和偏心距的情况，采用数值模拟的方法对连接螺栓锈蚀后盾构隧道接头极限承载力和抗弯刚度的变化进行分析，并与模型试验数据进行对比。通过对比分析发现： 1）螺栓锈蚀后受压区混凝土和螺栓屈服时的接头弯矩有所降低，结构弹性极限降低。2）在结构弹性阶段，螺栓锈蚀基本不会影响管片的接头抗弯性能； 在塑性阶段，螺栓锈蚀会使接头的变形增大，接头抗弯刚度降低。3）螺栓锈蚀会降低接头的极限承载力，极限承载力的退化程度与螺栓锈蚀率有关，与螺栓锈蚀范围的大小无关； 在负弯矩工况中，螺栓锈蚀还会改变接头的破坏状态。     

均匀锈蚀钢梁的力学性能研究

为研究均匀锈蚀对Q345q C钢梁受力性能的影响,进行了加速腐蚀试件的拉伸试验和H型钢梁的承载力试验。试验结果表明当失重率大于15%时,试件的屈服强度和抗拉强度下降较为明显;均匀锈蚀对钢梁的失效模式的影响不大,但是会导致钢梁初始刚度、屈服荷载以及极限承载力的下降。     

锈蚀变形钢筋混凝土受弯构件的受力性能试验研究

针对钢筋锈蚀对受弯构件受力性能的影响展开系统的试验研究,共进行了24根试件的试验,采用电化学锈蚀方法对试件钢筋进行快速锈蚀,研究了钢筋直径、钢筋锈蚀率等影响因素对受弯构件性能的影响。试验结果表明:钢筋锈蚀削弱了钢筋与混凝土之间的粘结,降低了构件的抗弯刚度,刚度的减小幅度随锈蚀率的增大而提高;同时也影响了截面的变形协调,致使受弯构件的承载能力降低;锈蚀率相近的构件承载力退化基本相当,锈蚀试件的屈服挠度显著大于未锈蚀构件,但混凝土边缘压应变与未锈蚀试件基本相当,表明钢筋本身削弱的影响略大于粘结退化的影响。     

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。     

钢-混凝土结合段钢梁端面局部承压效应研究

为探究钢-混凝土结合段钢梁端面局部承压效应，在总结境内外相关模型试验、数值模拟和理论研究的基础上，开展了结合段钢梁端面承压的试验研究及有限元分析。研究结果表明：试验试件在最终破坏形态上表现为结合段混凝土与钢结构脱离，正面钢板端部下方破坏时混凝土大块剥落且裂缝呈“八”字型分布，侧面钢板靠近钢板端面呈斜裂缝且裂缝沿着底面发展，符合局部承压破坏特征；根据试验所得荷载～滑移曲线可将加载过程分为线弹性阶段、裂缝发展阶段、屈服阶段，从开始加载到试件破坏，试件裂缝发展的同时伴随着钢梁与混凝土脱离，滑移量的增加，试件刚度的降低；试件极限滑移超过10 mm,呈现延性破坏特征；数值模拟结果表明，钢梁段整体沿加载方向均为压应力，但内部钢梁端面接触区域的混凝土处于更加理想的三向约束状态，其极限压应力在整个加载过程中均远大于混凝土表面钢梁端面压应力；换算至钢梁端面极限平均压应力可以达52.9 MPa,传力效果显著。     

锚贴U形钢板-混凝土组合加固RC梁的抗弯试验

为了研究锚贴U形钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能，设计5根加固梁和1根对比梁进行抗弯试验。试件的主要设计参数包括有无加载历史、钢板纵向加固长度、钢板厚度和螺杆间距。加载仪器采用1 000 kN梁柱加载系统，应变采集使用静态应变分析系统，挠度采用机电百分表测量。试验过程中，观测记录试验梁在荷载作用下截面应变、跨中挠度、加固部分与原混凝土之间的相对滑移、裂缝的产生与发展。基于平截面假定，推导试验梁的极限抗弯承载力计算公式，并对比模型试验与理论分析结果。试验结果表明：与未加固的对比梁相比，锚贴U形钢板-混凝土组合加固后的试验梁其开裂弯矩提高近50%，极限抗弯承载力提高约1倍；钢板纵向加固长度对梁的整体刚度有显著的影响，加固范围越大刚度提升越显著；加固范围应充分考虑加固部分截断处截面的抗剪能力，避免使试件从塑性弯曲破坏模式变成脆性剪切破坏模式；对比螺杆间距15 cm与30 cm试验梁的结果发现，只要符合构造要求的螺杆间距对试件的承载能力影响很小，但对裂缝开展有一定的影响，螺杆间距越密其裂缝开展明显变小；随着加固钢板面积增大，抗弯承载力也随之提高。针对加固后适筋破坏的RC梁，推导了极限抗弯承载力计算公式，利用公式计算出的极限抗弯承载力的理论值与试验值相对差值均在10%以内。     

锈蚀RC梁加固抗剪试验研究

开展4根加固梁和4根对比梁的静载破坏试验,分析U形箍筋加固梁在固定剪跨比、不同箍筋锈蚀率情况下的受剪性能。结果表明,U形箍筋抗剪加固RC梁对承载力的提升效果较好,开裂荷载和极限荷载平均提高幅度分别为16%和27%左右;随锈蚀率的增大,梁内箍筋和加固箍筋参与抗剪和屈服的时间提前;加固梁的梁内箍筋应变发展速度均小于对比梁;U形箍筋加固可有效限制梁斜裂缝的发展和延伸,提高梁的最大挠度,优化梁的刚度和延性。     

基于混合设计的高性能钢梁抗弯性能及延性试验

基于混合设计的理念,采用中国产高性能钢HPS 485W和普通结构钢Q235,加工制造了6片混合设计工字形钢梁,在跨中单点加载,研究试验梁的抗弯承载能力、变形特征及最终的破坏形态。试验结果表明：腹板屈曲强度和试验梁侧向支撑刚度对试验梁的极限承载力、延性和失效形式有显著影响;试验梁的抗弯承载力主要由翼缘提供,但抗弯延性主要受腹板控制,承载力下降阶段受腹板屈曲强度影响显著;采用厚实截面设计的高性能钢梁可以达到全截面塑性,在有效的侧向限位下高性能钢梁具有很好的延性。试验结果与理论计算结果的对比表明,塑性弯矩理论计算结果与试验值吻合较好。     

锈蚀对钢筋强度影响试验研究

通过从实桥构件和电化学快速锈蚀构件中获得361根锈蚀钢筋样本,基于锈蚀钢筋拉伸试验,分别建立了HPB235和HRB335两种类型钢筋的质量锈蚀率、截面锈蚀率与屈服荷载、极限抗拉荷载、屈服强度及极限抗拉强度间的关系,对比了锈蚀率对不同类型钢筋屈服强度、极限抗拉强度、屈服荷载和极限抗拉荷载的影响;回归了快速锈蚀与自然锈蚀两种环境下钢筋质量锈蚀率与屈服荷载和极限抗拉荷载的关系,分析了两种环境对锈蚀钢筋力学性能影响的差异。研究表明:锈蚀对极限荷载、极限强度的影响分别大于屈服荷载、屈服强度;锈蚀对HRB335钢筋的影响比对HPB235钢筋的大;快速锈蚀条件下钢筋屈服荷载和极限荷载下降速度较自然锈蚀条件的快。     

钢拱架锈蚀作用下型钢混凝土梁抗弯承载力研究

针对海底隧道中的钢拱架锈蚀使初期支护承载力降低的问题,为从宏观角度体现锈蚀对于钢拱架承载力的影响,采用电加速腐蚀试验得到不同锈蚀率的钢拱架,并将不同锈蚀率的钢拱架混凝土梁进行抗弯承载力试验。 结合数值模拟分析,得到以下结论: 1)锈蚀后的工字钢混凝土梁承载力随锈蚀率增加而减小,锈蚀率每增高1%,承载力平均下降 5.1 kN; 2)锈蚀工字钢混凝土梁加载过程中,当锈蚀率小于或等于1.5%时混凝土梁主要出现横向裂缝,锈蚀率大于1.5%时则主要出现贯通的纵向裂缝; 3)随着锈蚀率的增大,混凝土与工字钢之间的黏结作用减弱,混凝土应力、应变增大,反之工字钢应力、应变减小。     

钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能试验

为研究钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能,考虑华夫板板肋高度比、纵筋配筋率以及采用抗拔不抗剪栓钉连接件对钢-UHPC华夫板组合梁的破坏模式、裂缝发展规律及承载能力的影响,采用跨中单点加载方式完成了4根钢-UHPC华夫板组合梁试件在负弯矩作用下的静力加载试验。基于简化塑性理论,并考虑将UHPC受拉区的拉应力分布等效为均匀应力分布,提出了负弯矩区钢-UHPC华夫板组合梁的极限抗弯承载力计算方法。研究结果表明：负弯矩作用下,4根钢-UHPC华夫板组合梁试件的破坏形态均为典型的弯曲破坏;极限状态下,华夫板内纵向受拉钢筋屈服,钢梁上翼缘受拉屈服,钢梁下翼缘受压发生局部屈曲,华夫板跨中主裂缝贯通,其余裂缝呈现密集分布且纤细的特点。保证华夫板总高度90 mm不变,板肋高度比由1∶1减小为1∶2会加剧华夫板的裂缝开展,使试件的开裂荷载和初始刚度略有降低,但承载能力基本不变。华夫板配筋率增大1.05%,试件的承载力与刚度分别提高18.4%与7.7%,并且有助于约束华夫板的裂缝宽度。采用抗拔不抗剪栓钉连接件可在一定程度上抑制试件在正常使用阶段时的裂缝开展,但会导致试件承载力、刚度和延性下降,下降幅度分别为6.9%、9.6%和19.7%。根据所提出的钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区极限抗弯承载力的理论计算公式所得的计算值略低于试验值,且相对误差在10%以内。     

纤维编织网-ECC加固RC梁受弯性能试验

为研究纤维编织网-ECC联合加固RC梁的受弯性能,对1根普通RC梁和9根加固梁进行了四点弯曲加载,分析了ECC高度和纤维编织网层数对加固梁破坏形态、裂缝分布和承载力等受弯性能的影响。试验结果表明：加固梁受弯破坏时裂缝细而密,且呈现ECC中多、混凝土中少的分布特点;和普通RC梁相比,加固梁纯弯段混凝土裂缝数量增加33.3%~66.7%;增加纤维编织网层数或ECC高度对提高加固梁裂缝数量影响较小;加固梁承载性能随纤维编织网层数和ECC高度增加而提高,当ECC高度与加固梁截面高度之比为0.5且布置3层纤维编织网时,加固梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和普通钢筋混凝土梁相比分别提高111.11%、37.86%、36.13%;ECC高度和纤维编织网层数对加固梁抗弯刚度影响较小,但影响作用不同;加固梁抗弯刚度随纤维编织网层数增加略有增加,随ECC高度增加略有减小;增加纤维编织网层数或ECC高度可降低加固梁钢筋应变。受弯加载过程中加固梁截面仍保持平面,满足平截面假设。基于正截面受弯承载力计算理论,并考虑纤维编织网利用率,建立了加固梁受弯承载力计算公式。由该公式得到的计算结果与试验结果吻合较好。最后,基于该公式分析了加固梁极限弯矩对ECC高度和纤维编织网层数的敏感性,发现加固梁极限弯矩对纤维编织网层数变化敏感性较低。     

装配式预应力可变桁架体系加固RC短梁抗弯性能试验

针对混凝土箱梁腹板开裂、跨中下挠等问题,提出一种装配式预应力可变桁架加固体系。该体系由可变桁架、预应力筋和固定斜杆组成,可变桁架通过锚杆固定于加固梁两侧,张拉预应力使桁架上顶加固梁产生反拱,以此来消除或减小梁体开裂和下挠等病害,随后用斜杆固定桁架形成劲性骨架,进一步提高加固结构刚度和承载力。首先对该体系进行介绍,然后设计4片钢筋混凝土梁进行抗弯加固试验,对加固效果及影响因素进行分析验证。研究结果表明：提出的体系具有良好的加固效果,能有效抑制和延缓裂缝发展,改善加固梁的刚度和承载能力;此次试验中,加固梁的开裂、屈服以及极限荷载分别提高了107.28%、70.92%、74.55%以上;锚杆直径对承载力影响较小,但粗锚杆能有效约束端锚板滑移,改善结构整体刚度;端锚板对加固效果影响较大,加强型端锚板能充分发挥钢桁架、钢绞线强度特征,提高构件的极限承载能力,尤其能有效改善其延性破坏特征,极限挠度提高60%以上。     

缓冲型防落梁钢圈限位装置力学性能试验

经合理设计的防落梁限位装置可以有效减小地震发生时桥梁上、下部结构间的相对位移，阻止落梁破坏的发生，而明确限位装置力学性能是对其进行合理设计的必要前提。为探明缓冲型防落梁钢圈限位装置的滞回性能和破坏模式，并提出极限位移和极限承载力的计算方法，制作了6个试件进行拟静力试验研究。分析了钢材种类、限位装置截面高度h和直线段长度a等设计参数对其力学性能的影响，试验结果表明：①在初期的加、卸载过程中，试件以弯曲变形为主，刚度及承载力低。由于弧段部位过早出现塑性，卸载后出现永久性变形；试件在反复加载过程中，累计塑性变形增加，后期以拉伸变形为主，刚度大。试件达到最大承载力后，发生颈缩、断裂破坏，最终丧失承载能力。②分析试件圆弧段测得的应变，加载初期内侧受拉，外侧受压；随着位移的增加，弧段外侧达到最大压应变后，试件被拉直，中性轴偏离截面形心；破坏时，试件各部位均出现较大的拉应变。③参数a对试件启动限位功能时机影响较大，对试件初期刚度几乎没有影响；参数h增加时，承载力的增长速率、初期刚度以及最大承载力均增加，但对位移影响较小；改变钢材种类对承载力影响较大，对位移影响较小。在试验研究的基础上，提出了该类限位装置的极限承载力与极限位移计算公式，并验证了计算公式的有效性。     

组合梁抗弯极限承载力参数影响分析

为研究组合梁抗弯极限承载力的参数影响规律,利用有限元软件ABAQUS建立有限元模型进行数值模拟。结果表明,钢梁强度、钢梁腹板厚度、钢梁腹板高度、钢梁上下翼缘厚度、栓钉直径均可不同程度地影响组合梁的抗弯极限承载力。其中钢梁强度由235 MPa提升至390 MPa时,组合梁极限承载力提升了43.7%,钢梁腹板厚由4 mm提升至16 mm时,组合梁极限承载力提升了40.9%,钢梁腹板高度由360 mm提升至660 mm,组合梁极限承载力提升了50.8%,钢梁翼缘厚度由6 mm提升至12 mm时,组合梁极限承载力提升了32.6%。相比之下,混凝土板厚度及混凝土强度影响较弱。     

套筒加强式圆形钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验

为解决圆形钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓节点在地震荷载作用下存在的安全隐患,提出套筒加强式节点。以节点构造方式和梁柱刚度比为主要影响因素,设计10个1/2缩尺比例的圆形钢管混凝土柱-钢梁节点试件,采用柱端加载方式完成了试件的低周反复荷载拟静力试验,观测了试件的破坏过程与破坏模式,分析了各试件的滞回曲线、承载能力、延性和耗能能力、强度与刚度退化等特征参数,系统研究了不同影响因素下套筒加强式焊接节点、栓焊混合节点与传统螺栓连接节点的破损规律差异,并给出了此类节点极限弯矩的计算方法。研究结果表明：节点的破坏模式主要取决于节点的构造方式和梁柱刚度比,套筒加强式栓焊混合节点避免了螺栓松弛、断裂以及焊缝开裂等破坏形式的发生,达到了“强节点,弱构件”的抗震设计要求;套筒结构使节点核心区的焊缝和螺栓共同承受弯矩和剪力,提高了节点强度和梁柱连接的刚度,节点由螺栓连接时的半刚性连接变为刚性连接;与传统螺栓连接节点相比,套筒加强式节点具有更高的承载力和安全储备,其等效黏滞阻尼系数、转角延性系数、弹性及弹塑性层间位移角均满足规范要求,各抗震性能指标良好;节点极限弯距的计算结果与试验结果吻合较好,表明该方法可用于此类节点的设计计算。