空心板桥钢横隔板连接结构抗弯性能研究

针对公路空心板混凝土铰缝易损坏现象,提出了开孔钢板连接构造,在空心板间形成钢横隔板结构传递板间荷载。为了掌握新型空心板连接结构的抗弯受力性能,采用已验证纯弯加载的有限元模拟方法进行分析,并给出了新型空心板连接结构的抗弯承载力计算建议公式。研究表明:随着贯穿钢筋直径的增大,新型空心板间连接结构抗弯承载力提高,当贯穿钢筋直径达到一定值时,局部铰缝混凝土破坏将是控制设计的主要因素。开孔钢板板厚和强度相对贯穿钢筋直径影响相对较小,只有在开孔板刚度较小时,开孔板板厚对结构受力影响较大。     

装配式空心板钢横隔板抗弯数值模拟与破坏机理研究

针对公路空心板混凝土铰缝易损坏现象,提出了开孔钢板连接构造,在空心板间形成钢横隔板结构传递板间荷载。为了掌握新型空心板连接结构的抗弯受力性能,试设计新型空心板桥,在其跨中顺桥向选取单位长度形成横桥向的梁式结构,建立其纯弯加载的有限元模型。为验证开孔钢板在铰缝处弯曲性能模拟的正确性,另外建立了设置开孔钢板的组合梁负弯矩试验模型,利用已有试验结果验证开孔钢板在弯曲受力下数值模拟方法的正确性。研究结果表明,在装配式空心板钢横隔板连接构造受力性能数值模拟中,钢板与混凝土界面法线方向的接触模拟采用硬接触,贯穿钢筋与混凝土的接触关系采用嵌入的模拟方式可以得到较好的效果;空心板钢横隔板结构在荷载作用下的受力机理为:首先由铰缝接触面受力,当接触面达到承载力部分破坏后,由未破坏的铰缝接触面和开孔钢板与贯穿钢筋组成的榫结构受力,直至破坏。     

空心板混凝土铰缝抗剪性能试验研究

为了研究空心板普通混凝土铰缝的抗剪性能,设计了测试铰缝抗剪性能的试验.对混凝土铰缝试件施加单调试验荷载,观察在剪力作用下试件受力全过程及破坏形态.试验表明,在试验加载作用下,设置抗剪钢筋的试件会在混凝土块和铰缝的结合面处开裂,而后抗剪钢筋屈服,试件破坏;抗剪钢筋不能提高混凝土铰缝开裂时的抗剪强度,但是试件开裂后能继续承受剪力,并提高铰缝的抗剪承载力.综合室内铰缝试件抗剪试验结果和相关文献研究成果的分析,建议了结合面光滑情况下的混凝土空心板铰缝抗剪强度和承载力的计算公式.     

空心板桥新型粗骨料UHPC铰缝抗剪性能试验

为研究空心板桥新型粗骨料超高性能混凝土(UHPC)铰缝的抗剪性能,对14个铰缝试件进行了静力抗剪试验,试验参数包括铰缝混凝土材料类型、界面处理方式、抗剪钢筋构造形式、抗剪钢筋强度等级和配筋率。分析了试件的裂缝发展过程和分布规律、破坏模式以及各试验参数对铰缝抗剪性能的影响;同时,基于铰缝典型的荷载-位移曲线分析了铰缝的抗剪机理。试验结果表明：铰缝的裂缝宽度从下至上呈现逐渐减小的规律,由于传统配筋方式上部抗剪钢筋的位置靠近顶部,导致上部抗剪钢筋在铰缝抗剪承载力极限状态时尚未屈服,对抗剪承载力的贡献小。试件破坏模式分为2种：传统铰缝的界面剪切破坏;UHPC铰缝的预制混凝土块剪切破坏。UHPC材料、界面预留槽处理方式、抗剪钢筋新配筋方式以及提高抗剪钢筋的强度等级和配筋率,均能不同程度地提升铰缝的抗剪性能。与传统铰缝相比,新型粗骨料UHPC铰缝的开裂荷载、抗剪承载力和名义抗剪刚度提升幅度分别可达42.8%、185%和218.3%。当达到抗剪承载力极限状态时,UHPC铰缝主要依靠抗剪钢筋屈服提供的剪切摩擦抗力以及预制混凝土块剪断提供的剪切抗力来抵抗外荷载。提出了UHPC铰缝开裂荷载及抗剪承载力计算公式。计算结果表明：开裂荷载、抗剪承载力试验值与计算值比值的均值分别为1.47、1.19,变异系数分别为0.05、0.12,所提出的计算公式可以较精确和稳定地预测UHPC铰缝的开裂荷载及抗剪承载力。     

钢-UHPC组合结构中PBL剪力键力学性能研究

为探究钢-UHPC组合结构与普通钢-混组合结构中PBL剪力键力学性能的差异性,通过推出试验和有限元分析相结合的方法对其展开详细研究。首先,对9个UHPC试件和9个普通混凝土试件进行推出试验,根据2种混凝土试件中PBL剪力键的破坏形态、荷载-滑移曲线及应变分布规律揭示其失效机制及力学性能的差异,分析贯穿钢筋直径和钢板开孔数对PBL剪力键力学性能的影响;然后,采用试验结果验证的有限元模型开展参数分析,详细探讨UHPC强度、钢板开孔孔径、贯穿钢筋屈服强度和钢板厚度对PBL剪力键极限抗剪承载力的影响;最后,基于试验和有限元分析结果,提出考虑钢纤维的PBL剪力键极限抗剪承载力计算公式。结果表明：受钢纤维的影响,UHPC的裂缝发展受到限制,且较普通混凝土裂缝数量少、宽度小;UHPC试件中贯穿钢筋发生明显屈服,以剪切破坏为主;单孔PBL剪力键的极限抗剪承载力主要取决于贯穿钢筋直径,而受混凝土强度影响较小;多孔PBL剪力键的极限抗剪承载力主要取决于贯穿钢筋直径和混凝土强度;与普通混凝土试件相比,UHPC试件的抗剪刚度提升了2～3倍,双孔剪力键极限抗剪承载力约提高41%,三孔约提高56%;钢板开孔孔径、...     

开孔板连接件布置方法试验研究

基于42个推出模型试验数据,对组合结构桥梁中开孔板连接件的布置方法进行研究。结果表明:混凝土强度增加可以提高开孔板连接件抗剪承载力随孔径增加的增长率;孔径和孔中钢筋直径相互匹配能有效提高开孔板连接件的抗剪承载力;混凝土板厚度、开孔板板厚、板高和板间距对抗剪承载力影响较小;为充分发挥开孔板连接件的抗剪能力,实际结构中开孔板厚度宜大于8 mm,板间距不宜小于5.5倍孔径。     

波形钢腹板改进型埋入式剪力键受力性能试验研究

为确定波形钢腹板箱梁改进型埋入式剪力键的抗剪承载力及其影响因素,设计制作了6组试件进行推出试验,研究改进型埋入式剪力键在加载过程中的荷载~滑移特性、破坏形态,分析混凝土强度、波形钢板开孔直径和贯穿钢筋强度及直径等参数对抗剪承载力的影响,并采用MIDAS/FEA软件建立试件有限元模型,计算不同参数下剪力键的承载力,根据计算结果拟合承载力计算公式。结果表明:改进型埋入式剪力键的滑移过程可分为弹性、弹塑性和破坏3个阶段;波形钢板开孔直径和混凝土强度是影响埋入式剪力键极限承载力的主要因素,贯穿钢筋直径和强度及波形钢板厚度对承载力的影响相对较小;根据提出的承载力拟合公式计算的试件承载力和试验值基本吻合,且偏于安全。     

基于BP神经网络的钢-混组合结构PBL剪力键承载力

为实现钢-混组合结构PBL剪力键极限承载力的准确预测,通过分析既有推出试验结果,对PBL剪力键的作用机理及破坏模式进行总结,确定PBL剪力键纵向抗剪承载力的主要影响因素为开孔直径、钢板厚度、混凝土抗压强度、贯穿钢筋直径、钢板屈服强度等.以神经网络理论为基础,选用误差反向传播(BP)神经网络算法模型,选取钢板厚度、开孔直...     

多排开孔钢板剪力键群受剪性能研究

采用有限元软件Abaqus,对多排开孔钢板剪力键群的抗剪性能进行模拟研究。考察不同参数(混凝土强度、贯穿钢筋直径、开孔孔径、开孔排数、开孔距离、钢板厚度)对PBL剪力键承载力的影响及其影响规律,同时研究了多排PBL剪力键内力分布规律。结果表明:混凝土强度越大,PBL剪力键承载力越大,同时较迟进入强化阶段;增大钢筋直径在提高PBL剪力键承载力的同时也提高了其屈服后的刚度,且钢筋直径与PBL剪力键承载力呈二次函数关系;孔距不变时增大孔径,PBL剪力键承载力将先增大后减小,这是由于孔距未满足最小孔距要求;开孔排数增多会明显提高PBL剪力键承载力和初始刚度,且开孔排数与承载力呈线性关系;钢板厚度基本不影响承载力;当PBL剪力键的排数达到一定界限以上时,前4排承担了90%的外力,当排数较少时,不同排的剪力键承担的剪力分布为哑铃型。     

嵌入式波形钢板剪力键推出试验及数值分析

为探究波形钢板剪力键的抗剪性能和破坏机理，设计了开孔和无孔2类波形钢板剪力键试件，进行推出试验研究。测试了试件的抗剪刚度、抗剪承载力、加载过程及破坏模态，随后采用有限元软件对试验全过程进行模拟，并开展波形钢板剪力键构造参数分析，探讨了混凝土强度、钢板厚度和高度的影响。根据试验和有限元分析结果，提出了波形钢板剪力键承载力计算公式。研究结果表明：波形钢板剪力键具有较高的抗剪承载力和良好的延性，当荷载-滑移曲线进入水平段后，仍能承受较大的相对变形，同时保持承载力不降低。无孔类剪力键依靠倾斜钢板材料的屈服来传递剪力，抗剪承载能力较高；开孔类剪力键主要通过倾斜钢板传递剪力，贯通钢筋和混凝土榫也能发挥一定的抗剪作用。剪力键开孔及设置贯通钢筋能增强混凝土板的整体性，开孔类剪力键试件的裂缝分布范围更大。试件破坏时，波形钢板剪力键发生明显变形，钢材达到极限强度，材料的利用效率高；波形钢板厚度、波形钢板高度和混凝土强度均是影响波形钢板剪力键抗剪承载力的关键因素，设计时需综合考虑并进行合理匹配，以便充分发挥各材料的性能；提出的波形钢板剪力键承载力计算公式与试验测试结果吻合较好。     

复合型开孔板连接件抗剪性能试验

为提高开孔板连接件(PBL)的抗剪性能，提出了带柔性套筒的复合型PBL连接件，并对其抗剪性能进行试验研究，建立复合型PBL承载力计算方法。基于贯穿钢筋弯拉受力模型，推导其抗剪作用表达式，得到PBL孔内应力扩散角对贯穿钢筋抗剪作用的影响规律。设计制作8个PBL推出试件并进行破坏试验，探究柔性套筒壁厚对复合型PBL抗剪刚度、承载能力、延性、破坏模式及孔内钢筋混凝土榫传力机制的影响。研究结果表明：极限状态下，复合型PBL的贯穿钢筋弯拉变形较大，荷载-滑移曲线呈现明显的强化特征，且连接件延性得到显著改善；与无柔性套筒的常规PBL比较，贯穿钢筋周围包裹2 mm壁厚套筒的复合型PBL极限承载力和相应滑移分别提高了40.0%和42.6%；继续增大柔性套筒壁厚，由于孔内混凝土榫的有效剪切面积削弱，且两侧混凝土对贯穿钢筋的局部支撑作用减小，连接件承载力有所降低，但延性得到持续改善。将试验结果与已有常规PBL承载力计算公式进行对比分析表明，以钢筋混凝土榫剪切变形为主的常规PBL承载力计算公式对复合型PBL抗剪承载力计算误差较大，相关公式计算值均小于试验实测值。结合复合型PBL传力机理，给出了考虑混凝土榫剪切作用、贯穿钢筋作用和混凝土板局部支撑作用的PBL承载力计算公式。与试验结果对比发现，所提承载力公式计算值与试验结果吻合良好，可用于复合型PBL抗剪承载力的确定。     

强约束状态下大尺寸PBL连接件力学性能研究

为了研究强约束状态下大尺寸PBL连接件的力学性能和承载机理,以开孔形状、开孔尺寸以及是否设置贯穿钢筋为参数,进行了6组共18个试件的单调加载推出试验,所有推出试件均通过密集配置构造钢筋以保证约束效果;结合有限元分析方法研究混凝土榫、贯穿钢筋和钢-混凝土界面的受力状态。试验和有限元分析结果表明:圆形和加宽型连接件呈现典型的剪切破坏,而加长型连接件破坏模式表现为顶部混凝土压溃;不同开孔形状的连接件剪切刚度相差达191%,但极限承载力相差仅为7.6%;不设置贯穿钢筋的情况下,连接件依然具有良好的承载力和延性;当开孔面积达到17 850mm2时,其名义抗剪强度依然超过49.2MPa,且连接件延性随着开孔尺寸的增大而增大,因此在强约束状态下,PBL连接件合理孔径范围更大,取消贯穿钢筋也不会导致连接件脆性破坏;圆形和加宽型连接件中,贯穿钢筋主要通过抗剪的方式直接提供抗剪承载力;而加长型连接件中,贯穿钢筋不仅直接抗剪,还通过轴向约束混凝土榫的方式间接提供抗剪承载力;尽管贯穿钢筋在不同开孔形状的连接件中承载机理不同,但是贡献的承载力却是相近的;荷载作用下,混凝土榫受到强制剪切产生剪胀效应,进而导致钢-混凝土界面在加载过程中逐渐剥离,极限状态下界面分离超过0.2mm,因此界面的黏结力和摩擦力对连接件极限承载力的贡献有限。     

薄开孔板连接件抗拔性能试验及理论研究

在试验研究基础上,对组合结构索塔中开孔板连接件的抗拔性能进行理论分析。组合索塔中连接件设计主要考虑抗拔性能。为避免剪坏纵向承重钢筋,需要采用薄板。设计了一批34个单孔薄开孔板连接件抗拔试验,通过反力架上方的穿心千斤顶顶升丝杠实现对连接件的拉拔作用,同时千斤顶的反作用也可以将反力架固定在混凝土基体之上。考察了板厚、开孔位置、钢筋在钢板孔中的相对位置、开孔直径、钢筋直径等参数对其抗拔性能的影响;通过对钢筋应变的检测,记录钢筋在薄开孔板连接件受力过程中的应力分布情况。总结薄开孔板连接件拔出过程和破坏形态规律,发现其表现为钢板破坏为主,钢筋在孔中位置对其承载力、刚度、延性等均有一定影响;得到了钢筋在连接件受力过程中的应力分布,发现钢筋在距中心7 cm的位置应力不超过50 MPa,推知并排放置的连接件之间互相影响很小。连接件初始及弹性加载阶段荷载-位移曲线特征研究表明,该连接件具有足够的初始刚度,为其工程应用提供了理论指导。最后,总结薄开孔板连接件受力机理,建立预测其抗拔承载力的计算公式,适用于开孔板连接件钢板部分的抗拔承载力,计算结果与试验符合良好。     

混合梁桥大规格开孔板剪力键受力性能试验研究

为研究混合梁桥大规格开孔板剪力键(PBL剪力键)的荷载~滑移特性和承载能力,制作11种不同开孔直径(40,60,80mm)和贯穿钢筋直径(0,16,22,28,32mm)的PBL剪力键试件进行承载力试验,研究试件的荷载~滑移特性、极限承载力及开孔直径和贯穿钢筋直径对承载力的影响,并根据试验结果拟合承载力计算公式。结果表明:对于大规格PBL剪力键,贯穿钢筋直径较大时,PBL剪力键的荷载~滑移曲线分为弹性段、弹塑性段和强化段3个阶段;无贯穿钢筋和贯穿钢筋直径较小时,PBL剪力键的荷载~滑移曲线分为弹性段、弹塑性段、下降段和残余承载力段4个阶段;PBL剪力键的承载力随开孔面积的增大而增大,随贯穿钢筋面积的增大线性增大;拟合的承载力计算公式具有较高的安全余量和保证率,计算结果与试验结果吻合较好。     

一种新型抗剪连接件试验研究

抗剪连接件在组合梁中主要用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁之间的纵向剪力,是钢腹板与混凝土上、下翼板连接设计的关键环节.提出一种新的翼缘型开孔波折板抗剪连接件,并对传统的开孔直钢板抗剪连接件与这种新型开孔波折板抗剪连接件试件进行推出试验.考察开孔个数、穿筋与否对2种连接件承载力的影响.试验结果表明,在同等条件下,这种开孔波折板抗剪连接件具有更高的承载力.     

开孔板连接件抗剪性能试验研究

开孔板连接件是用于钢与混凝土结合的新型连接件,具有很大的抗剪刚度、强度及抗疲劳性能。对开孔板连接件分别处于正立、侧立、倒立,及其有无贯通钢筋进行抗剪性能试验研究,得到设置贯通钢筋可以大幅度提高抗剪承载力和延性,所处受力状态不同对抗剪刚度和使用阶段承载力影响较大,但对极限承载力影响并不明显等结果。     

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。     

开孔钢板剪力连接件静力性能试验

为了给组合桥梁的设计提供参考,针对组合桥梁中开孔钢板剪力连接件(PBL连接件),考虑端部承压方式、混凝土强度、孔洞数量以及贯穿钢筋直径4个因素的影响,进行了9个PBL连接件的单调加载推出试验。试验结果表明:端承型试件的抗剪承载力和抗剪刚度高于非端承型试件,而且2种试件的破坏形态有所区别,前者是混凝土板的劈裂破坏,后者是孔内混凝土榫的剪切破坏。采用回归分析法在已有承载力计算方法基础上,改进提出了考虑所有横向钢筋对混凝土约束作用的抗剪承载力表达式。在纵向抗剪刚度计算中,依据弹性地基梁理论,结合国内外68个试验模型的回归分析,提出了适用于单排多孔且考虑端部混凝土承压作用的PBL连接件抗剪刚度计算方法,并给出了PBL连接件在静载下的荷载-滑移曲线模型。与试验结果对比发现,所建立的极限承载力、正常使用阶段抗剪刚度计算公式和荷载-滑移曲线模型都与试验值吻合较好,该研究结果对PBL连接件的静力性能研究具有良好的参考价值。     

开孔板连接件初期抗剪刚度试验

为建立组合结构桥梁使用的开孔板连接件抗剪刚度计算方法,以开孔板孔径、混凝土强度和弹性模量及孔中钢筋直径、强度和弹性模量等为变化参数,进行了60个模型试件的抗剪刚度试验;分析各试件剪力-相对滑移曲线的切线与割线的斜率比值变化,提出了以相对滑移0.2mm对应的割线斜率为开孔板连接件抗剪刚度的取值方法;采用弹性地基梁法分析了孔中混凝土及钢筋的抗剪机理,推导了开孔板连接件抗剪刚度的理论计算表达式;基于理论分析和123个模型试验提出了开孔板连接件抗剪刚度的计算式。研究结果表明:计算式反映了孔中混凝土、孔中钢筋及其对混凝土约束的作用,物理意义明确,可用于钢-混凝土组合结构考虑结合面开孔板连接件作用的计算分析。     

空心板梁铰接缝模型有限元仿真数值分析

通过三组模型试验结果和计算机仿真计算分析了空心板铰缝实际受力情况及荷载横向分布比较。计算分析表明,空心板结构在外荷载作用下,铰缝处于底面受拉,顶面受压,竖向伴随着受剪的复合应力状态,铰缝横向弯曲性明显。铰缝间设置钢筋后,可以明显提高空心板横向连接效果,其中以交叉斜门筋最为显著。