钢-混组合梁负弯矩区应变控制研究

为了解焊钉连接件和开孔板连接件对钢-混组合梁应变的影响,设计基于实桥的室内模型试验,以设置焊钉连接件和开孔板连接件的模型试件为研究对象,通过在钢梁、混凝土板、连接件以及纵向受拉钢筋等部位布设应变片测量应变,分析不同加载条件下2种模型试件组合梁截面的应变状态。研究结果表明:开孔板试验梁的临界荷载大于焊钉试验梁的临界荷载,即开孔板连接件的钢-混组合梁能承受更大的荷载;焊钉试验梁和开孔板试验梁的危险截面在混凝土板的裂缝控制中应予以考虑;针对该试验模型,开孔板连接件可以有效控制试验梁不同位置处的应变分布和裂缝的间距,并能提高试验梁的整体刚度,在负弯矩区中能发挥出更好的作用。     

大宁河特大桥钢-混组合连续梁负弯矩区受力特性模型试验研究

大宁河特大桥桥面系采用16×27m钢-混组合连续梁,由工字钢梁、预制混凝土板、现浇剪力连接键湿接缝和现浇整体化层组成。为研究钢-混组合连续梁负弯矩区的受力特性,进行焊钉和开孔板2种剪力键类型的1∶2大比例模型试验研究。试验结果表明,开孔板连接件能参与结构受力因而具有较高的整体刚度、较大的初裂荷载;焊钉连接件延性较好;2种连接件均有效且试验梁具有相近的极限荷载。综合比选,该桥桥面系采用焊钉连接件方案。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑界面滑移的钢-混组合连续梁负弯矩区抗裂性试验

为了解界面滑移效应对钢-混组合连续梁负弯矩区混凝土桥面板抗裂性的提升效果及工作机理,设计并制作采用常规剪力连接件和抗拔不抗剪连接件的钢-混组合梁各1组进行负弯矩区加载试验,分析试验梁预应力施加效率、关键部位纵向应变、梁体刚度及关键截面界面滑移情况。结果表明：采用抗拔不抗剪连接件时,梁体抗裂性更好,界面滑移效应可避免以往负弯矩区预应力通过常规剪力连接件传递到钢梁的情况发生,明显提高预应力效率;同时可使负弯矩区混凝土桥面板承受的拉应力分布更均匀,有效降低中支点截面的拉应力峰值,使后续裂缝宽度增长缓慢;加载前期2组梁体总体刚度没有明显不同,加载后期界面滑移使梁体结构刚度下降,变形增加,但变化幅度较小;抗拔不抗剪连接件对钢-混组合连续梁负弯矩区混凝土桥面板的抗裂性提升效果较好。     

具有新型连接件的钢-混组合梁界面抗滑移试验与分析研究

为了解具有波折开孔板连接件的组合梁的界面抗滑移性能,采用试验与有限元模拟分析相对比的方法对设有双排波折开孔钢板连接件的钢-混凝土组合梁进行了研究。通过试验得到试验梁跨中截面沿梁高的应变分布、钢梁与混凝土板的界面相对滑移、相对滑移沿梁长的分布和组合梁破坏形态;通过与试验过程相应的有限元计算分析,得到组合梁的理论界面相对滑移曲线;实测与计算结果吻合较好。研究结果表明:波折开孔钢板连接件的抗滑移性能良好,混凝土板和钢梁具有良好的协同工作性能。     

考虑焊钉非线性作用的钢-混结合部受力性能

无格室-承压板是钢-混凝土结合部的主要构造形式之一,在实际工程中得到了较广泛的应用.利用混合有限元法建立无格室-承压板钢-混凝土结合部计算模型,并根据焊钉连接件性能试验测得单钉荷载一位移曲线及抗剪刚度等基本计算参数,分析了考虑焊钉非线性影响情况下,钢-混凝土结合部焊钉连接件的受力行为、荷载方向焊钉剪力分布状态,钢、混凝...     

连续曲线双重组合梁桥的畸变性能分析

连续曲线组合梁桥在竖向荷载作用下会产生弯扭耦合效应,并且其负弯矩区的钢底板也存在受压失稳问题。为改善负弯矩区的钢底板受力情况,提出连续曲线梁桥负弯矩区双重组合的结构形式,即由混凝土桥面板、槽形钢梁及底部混凝土板通过连接件相结合,形成共同受力的截面结构形式。在负弯矩区域采用双重组合结构形式,不仅可以提高钢底板的受压稳定性能,亦能增强截面的抗弯和抗扭刚度。为探讨该结构的受力性能,本文通过有限元数值模拟方法,对负弯矩区双重组合结构混凝土底板的长度和厚度2个变量进行参数分析,研究偏载作用下,连续曲线双重组合梁桥截面的纵向畸变应力和畸变角变化情况,为提出双重组合曲线梁桥的混凝土底板设计提供参考。     

钢-UHPC连续组合梁抗弯性能试验

为研究钢-超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）连续组合梁的抗弯承载能力,完成了2根大比例缩尺模型的静载试验,包括1根钢-UHPC连续组合梁和1根预应力钢-普通混凝土（Normal Strength Concrete,NC）连续组合梁,对其挠度、应力分布、裂缝发生发展模式及承载能力进行分析,并研究了钢-UHPC连续组合梁的弯矩重分布性能。同时,采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型（CDP）进行数值模拟。结果表明：钢-UHPC连续组合梁UHPC板的名义开裂强度为普通组合梁预应力NC板的2.2倍,钢-UHPC连续组合梁的极限承载力约为普通组合梁的1.2倍;UHPC板开裂后裂缝密集、间距小,且以长度较小的微裂纹为主;UHPC板/NC板与钢梁均采用群钉连接,二者相对滑移较小,可有效形成整体共同工作;采用塑性理论计算钢-UHPC连续组合梁的抗弯承载能力,应考虑UHPC的抗拉强度,与现有组合结构规范公式相比,根据所提出方法计算得到的负弯矩区截面抗弯承载力与试验值吻合较好;考虑UHPC抗拉强度后,钢-UHPC连续组合梁负弯矩区塑性铰转动能力降低,弯矩调幅需求及有效弯矩重分布能力均明显下降。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

栓钉锈蚀钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下的力学性能研究

基于受弯性能试验和数值分析,研究栓钉锈蚀钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下的力学性能。对5根梁进行试验,其中4根梁采用恒定电流通电加速锈蚀方法(CCAC)使其抗剪栓钉锈蚀,栓钉锈蚀率为0%~40%。加载结果表明:随着栓钉锈蚀率的增加,组合梁抗弯承载力轻微减小,但其抗剪承载力则明显减小。根据试验结果,建立一个新的计算分析模型,以研究负弯矩下栓钉锈蚀组合梁的力学性能。该数值分析模型能够相当准确地预测试验结果。     

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。     

波纹腹板开孔对预应力钢-混凝土组合梁抗火性能影响研究

桥梁工程中为了方便工程检修与管线布设,经常在梁腹板上开孔。为研究腹板开孔对预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能的影响,按照完全抗剪连接设计了2片承受两点对称集中荷载作用的预应力波纹腹板钢-混凝土简支组合梁,其中一片是预应力波纹腹板开孔组合梁,另一片是预应力波纹腹板无孔组合梁;采用ISO834国际标准升温曲线对其进行了恒载升温耐火试验,同时采用有限元软件ABAQUS对其进行了数值研究。研究结果表明:高温下2类预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁均在剪弯区发生剪切屈曲;在截面尺寸和跨度相同条件下,承受相同的绝对荷载时,腹板开孔后的预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于后者在临界状态下抗弯刚度降低,抗火性能下降;在高温作用下,腹板开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁相对于腹板未开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁,预应力拉索的效率更高,下降速率更慢;腹板开孔后的预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁,在升温后期其滑移曲线发展速率略高于腹板未开孔钢-混凝土组合梁;对于腹板开孔波纹腹板钢-混凝土组合梁,在未出现腹板局部屈曲截面上,腹板分担的剪力可达截面总剪力的78%;开孔截面的总剪力几乎完全由混凝土板承担;临界状态下钢梁腹板正应力略高于常温下的腹板正应力水平。