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。     

改进螺旋线型组合销剪力连接件承载力试验研究

为研究新型剪力连接件——改进螺旋线型(MCL)组合销剪力连接件的受力性能,考虑粘结摩擦力、椭圆开孔等因素,设计3组MCL组合销剪力连接件试件与3组开孔板(PBL)剪力连接件试件共同进行推出试验,对比分析2类剪力连接件的破环形态、极限承载力、抗剪刚度、延性及结构应变,并根据试验结果得到MCL组合销剪力连接件承载力计算公式。结果表明:2类剪力连接件试件破坏形态均为混凝土剪切破坏,且为延性破坏;MCL组合销剪力连接件的极限承载力高于PBL剪力连接件,在MCL组合销剪力连接件上开椭圆孔会明显提高其极限承载力,但会降低其刚度;MCL组合销剪力连接件的抗剪刚度和延性均优于PBL剪力连接件;钢销下部应变变化幅度较大,为MCL组合销剪力连接件应力集中区域。文中提出的MCL组合销剪力连接件承载力公式计算方法考虑了组合销、粘结摩擦力和椭圆孔承载力,工程适用性较好。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

FRP开孔板连接件界面剪切性能研究

为研究纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)开孔板连接件与混凝土的界面剪切性能,对3组不同开孔个数的FRP开孔板与混凝土连接件进行了拔出试验,基于试验数据建立了有限元模型,进一步研究了开孔直径对界面剪切性能的影响。对比分析了试验结果和数值模拟结果,提出并验证了FRP开孔板界面抗剪极限承载力计算公式。结果表明：增大开孔个数和开孔直径可有效提高界面的抗剪能力;简化公式的计算结果与试验和模拟结果吻合较好。     

带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板受力性能试验研究

为研究不同剪力键条件下GFRP-混凝土空心箱型组合板的受力性能,进行了4个带剪力键组合板试件的静力弯曲试验,分析了开孔间距、截面形式等参数对试件破坏机制、极限承载力的影响,并得到了不同参数影响下试件的裂缝分布规律、荷载-应变曲线、荷载-滑移曲线、跨中沿截面高度应变分布的演化规律等内容。试验结果表明:试件破坏形态为跨中截面受压区混凝土被压碎;由于界面出现滑移导致剪力键破坏,但其整体工作性能良好,表明此新型组合结构具有良好的受力性能及协同变形能力;影响组合板受弯极限承载力的关键参数在于开孔间距大小,对比不同开孔间距试件,减小开孔间距能提高试件承载力,降低界面滑移;截面形式对于试件的极限承载力没有明显的影响,T形肋与矩形肋相比可以有效降低组合结构交界面的滑移量。基于试验结果并参考现行设计规范,提出了一种带剪力键的GFRP-混凝土空心箱型组合板抗弯承载力计算方法。计算值与试验值比较表明:所提方法可以有效预测GFRP-混凝土空心箱型组合板的抗弯承载力,且具有一定的安全储备,可供工程设计参考。     

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。     

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。     

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。     

超高性能混凝土开孔板连接件抗剪性能研究

为探讨混凝土强度对开孔板连接件性能的影响,开展了6个开孔板连接件的插入式试验。通过分析连接件的破坏形态可知,所有的开孔板连接件中的贯穿钢筋均在开孔钢板和混凝土的界面处被剪断。在加载过程中,普通混凝土板出现了明显的表面裂缝,而超高性能混凝土板没有出现裂缝,超高性能混凝土抗裂性能良好。通过分析开孔板连接件的推出试验情况以及荷载—滑移曲线可知,连接件具有良好的延性,超高性能混凝土能显著提高开孔板连接件的承载能力和抗剪刚度。将开孔板连接件的插入式试验数值与其他学者的承载力公式预测的结果进行对比可知,现有研究得到的承载力公式相对保守。选择其中与超高性能混凝土开孔板连接件试验结果吻合良好的承载力公式进行相关的系数修正,提高了公式的计算精度,可以更好地支撑超高性能混凝土开孔板连接件的研究与推广工作。     

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、...     

FRP型材-混凝土组合梁桥界面抗剪计算模型与试验

为研究FRP型材-混凝土界面抗剪性能与设计计算方法,针对规范推荐的胶接FRP剪力键形式,从细观角度,取胶层为计算分析对象,推导出粘结胶层所受剪应力分布规律的解析解。依据界面连接材料的强度准则,对界面存在的3种失效模式(胶层剪切破坏、FRP剪力键直剪破坏、混凝土板局部压碎)提出界面承载力计算模型。对2根跨度为2 600mm、高度为300mm的FRP工字梁-混凝土板组合梁进行试验,试验结果表明:所提出的FRP型材-混凝土组合梁的界面承载力计算公式与试验结果吻合良好,能够较准确地预测胶接FRP剪力键的抗剪承载力及界面破坏类型。     

波折开孔板连接件基本力学性能试验

为了研究和开发钢与混凝土组合结构中的新型连接件,提出了一种新型连接件——波折开孔板连接件。进行了3个波折开孔板连接件推出试验和3个普通开孔板连接件推出试验,测试了这2种连接件的基本力学性能,对试验结果进行了比较和分析,得到了波折开孔板连接件的荷载-滑移关系,并拟合出在正常使用状态和极限承载力状态下的相对刚度表达式。试验结果表明：波折开孔板连接件具有优越的力学性能,其抗剪强度比普通开孔板连接件提高24%,其抗剪刚度比开孔板连接件也有较大提高,达到极限荷载时其延性为普通开孔板连接件的1.9倍。     

FRP筋与混凝土粘结性能试验研究

进行了FRP筋与混凝土粘结性能的拉拔试验,试件的破坏形式为FRP筋滑移拔出及FRP筋断裂。试验结果表明,随着FRP筋表面加肋,锚固长度减少,混凝土强度提高,FRP筋与混凝土的平均粘结强度都有了提高。同时,对带肋FRP筋与光圆FRP筋的粘结滑移本构模型进行了分析。     

胶层厚度对CFRP板材与混凝土界面黏结性能影响

根据8个单剪试件的试验研究结果,采用有限元通用软件ABAQUS进行了数值模拟,通过分析试件的破坏模式、FRP板应变分布规律和极限承载力的变化情况,考察了胶层厚度对CFRP-混凝土界面黏结强度的影响。研究结果表明:胶层厚度对CFRP-混凝土界面的黏结性能有显著影响,黏结强度随胶层厚度增加而提高,增加到3 mm时达到最大;超过3 mm时,强度等级低的混凝土界面黏结强度随着胶层厚度的增加而减小,而强度等级高的混凝土界面黏结强度随着胶层厚度的增加而继续增大,但增加幅度减小。