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.     

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-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。     

钢-轻骨料混凝土栓钉连接件推出试验研究

为研究钢-轻骨料混凝土栓钉连接件的力学性能,以某长江大桥钢—混组合梁为原型设计制作钢-轻骨料混凝土栓钉连接件,进行推出试验,研究其破坏形态、荷载-滑移曲线、栓钉的抗剪承载力和受力行为。结果表明,试件的破坏形式为栓钉剪断;试件的滑移过程包括弹性和塑性两个阶段;栓钉的设计承载力为113.8kN,大于按Eurocode 4规范和我国《钢结构设计规范》计算的栓钉抗剪承载力设计值;栓钉在加载过程中的受力以受拉为主,同时受弯。     

不同抗剪连接程度的钢—砼连续组合梁性能分析

运用ANSYS12.0建立5个不同抗剪连接程度钢-砼连续组合梁有限元非线性分析模型,分析正、负弯矩区不同抗剪连接程度对组合梁极限承载力、挠度、界面滑移及开裂荷载的影响。结果表明,抗剪连接程度对钢-混组合梁的滑移及变形均有一定程度的影响,其中负弯矩区抗剪连接程度对钢-砼组合梁承载性能的影响较大。     

钢-混凝土组合梁负弯矩区的承载力与刚度试验分析

文章以大宁河大桥为工程依托,开展了4根不同连接件的钢-混凝土组合梁负弯矩区承载力与刚度试验研究,测得了组合梁负弯矩区的弯曲极限承载能力,弯矩-曲率曲线,荷载-位移变化曲线。分析试验结果得出:采用焊钉和开孔板两种不同的连接件,从加载至破坏三个阶段的受力模式。从承载力和刚度两方面分析,采用开孔板连接件试验梁均大于配置焊钉连接件试验梁。试验结果对探讨钢-混凝土组合梁负弯矩区的细部构造设计,具有一定的参考价值。     

钢筋锈蚀的配斜筋混凝土梁抗剪性能试验研究

为了解钢筋锈蚀对配斜筋混凝土梁抗剪破坏形态和抗剪承载力的影响,设计制作14片配斜筋混凝土梁,采用电化学方法对试验梁钢筋进行快速锈蚀,达到设计锈蚀率后进行抗剪试验,分别研究仅箍筋锈蚀和全部钢筋锈蚀对试验梁抗剪破坏形态和抗剪承载力的影响,并考虑钢筋截面减少、力学性能退化及混凝土截面损伤等因素提出配斜筋混凝土梁抗剪承载力的简化计算方法。结果表明:剪跨比相同的情况下,钢筋锈蚀对试验梁的抗剪破坏形态影响不大;箍筋轻微锈蚀在一定程度上能提高梁的抗剪承载力,严重锈蚀时抗剪承载力下降较为明显;全部钢筋锈蚀时,梁的抗剪承载力随锈蚀率的增加显著减小,其下降速率比仅箍筋锈蚀时更快;提出的混凝土梁抗剪承载力计算方法具有较高的精度。     

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。     

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.     

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。     

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。     

U形UHPC永久模板RC无腹筋组合梁抗剪性能试验

为了研究UHPC永久模板RC无腹筋组合梁的抗剪性能,以UHPC永久模板的厚度和界面条件为试验参数,分别开展了UHPC材料力学性能与UHPC永久模板RC无腹筋组合梁四点加载试验。由于组合梁的抗剪性能与UHPC的基本力学性能密切相关,因此首先对UHPC的抗拉与抗压性能进行了试验研究。UHPC的力学性能试验结果表明,UHPC在单轴单调荷载作用下具有一定程度的应变硬化特征,其拉伸极限强度为4.87 MPa,极限拉应变为0.6%。在材料试验结果的基础上,通过考虑UHPC永久模板厚度与界面方式这2种试验参数,分别设计了1根RC参照梁,1根UHPC参照梁,以及2种UHPC/RC界面类型（光滑与均布剪力键）、3种永久模板厚度（15,20,25 mm）、共计6根U形UHPC永久模板RC无腹筋组合梁。在对这8根梁分别进行四点加载破坏试验的基础上,分析了UHPC永久模板不同厚度与界面类型对组合梁抗剪承载力的影响。结果表明：组合梁的抗剪承载力及其变形能力较相同尺寸及配筋的RC无腹筋梁至少提高了103.7%和117.7%;且无论何种界面类型下,抗剪承载力随着UHPC永久模板厚度的增加而增加;界面为均布剪力键的UHPC永久模板较光滑界面能提供更高的抗剪承载力与变形能力。最终,基于修正桁架模型理论,分析了UHPC永久模板与RC无腹筋梁的抗剪承载力及其抗剪构成,提出了UHPC永久模板RC无腹筋组合梁的抗剪承载力计算公式,且公式计算值与试验值吻合较好。     

钢板组合梁桥面板与主梁连接受力性能研究

针对一座钢板组合梁桥,通过有限元程序ANSYS对组合梁中混凝土桥面板与钢主梁连接进行建模计算分析,并进一步通过试验研究得到群钉连接件的抗力性能。理论计算结果表明：在承载能力极限状态组合下,支点位置附近群钉剪力最大,焊钉抗剪承载力满足设计要求。抗剪试验结果表明：相比于单钉推出试件的承载力,大部分群钉试验试件中单钉平均承载力减少10%~20%左右,但即便是焊钉数量最多的试件,其平均单钉承载力仍远高于现行规范的设计抗剪承载力。     

钢-混凝土组合梁疲劳性能试验研究

为研究以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳破坏机理及疲劳损伤过程,制作3根钢-混凝土组合梁试件进行疲劳试验,研究组合梁在疲劳荷载作用下的破坏过程、挠度以及混凝土和栓钉应变的变化规律。结果表明:钢-混凝土组合梁的疲劳寿命对疲劳荷载相当敏感,疲劳荷载幅及荷载峰值都会显著影响组合梁的疲劳寿命;以栓钉剪切破坏为表征的钢-混凝土组合梁的疲劳损伤可以分为3个阶段,第1阶段,部分剪力较大的栓钉发生疲劳损伤,但栓钉群的整体抗剪性能无显著变化,组合梁的挠度无显著变化,第2阶段,随着疲劳荷载持续作用,部分栓钉发生严重疲劳损伤甚至断裂,栓钉群的抗剪性能劣化,组合梁的挠度明显增加,第3阶段,大部分栓钉被剪断,钢梁与混凝土板退出协同工作模式。     

钢-混组合结构中栓钉连接件长度对抗剪承载力影响研究

为研究钢-混组合结构中采用不同长度形式布置的栓钉连接件的抗剪性能,利用有限元软件ABAQUS建立推出试验试件有限元模型进行分析,并将分析结果与试验结果进行比较,两者相差9.6%,差值在10%以内,有限元数值模拟分析具有较高的精度;从栓钉根部至端部应力呈现逐渐减小的趋势,推出试件失效时栓钉的应力最大处为根部位置,栓钉根部也是最先达到屈服强度并破坏的部位;栓钉变形最大部位也是栓钉根部,从根部至端部形变程度不断减小;在栓钉连接件根部附近受压侧混凝土损伤最严重,表现为局部压碎,对应实际试验中受压侧混凝土被压碎。调整推出试件中栓钉长度进行试验,分析栓钉长度变化对试验结果的影响,结果表明,采用不同长度的栓钉连接件布置形式对其抗剪承载力影响不大,从理论上看,上长下短的栓钉布置形式可在实际施工过程中适当代替同等长度的布置形式。     

波形钢腹板内衬混凝土组合梁弯、剪性能试验

为改善波形钢腹板组合梁负弯矩区受力性能,避免波形钢腹板剪切屈曲以及受压翼缘局部屈曲,提出波形钢腹板内衬混凝土形成组合构造的措施。通过设计具有不同弯、剪比参数的2个试件,开展波形钢腹板内衬混凝土组合梁模型试验,研究其承受弯矩与剪力共同作用下的力学性能,明确不同弯、剪比对极限承载能力以及失效模式的影响,建立弯、剪共同作用的相关方程。试验结果表明:试件的破坏模式为明显的弯、剪耦合破坏,内衬混凝土出现弯曲、剪切2类主裂缝;弯剪比对试件未开裂截面抗剪刚度影响较小,但对初始开裂后试件抗剪刚度影响较大;弯剪比增大,试件开裂荷载减小,结构的延性增加;在弯、剪共同作用下,未开裂截面应变基本满足平截面假定,但受拉区混凝土开裂后,相应区域波形钢腹板由于"折叠效应"应变较小,平板段几乎为0,斜板段由于混凝土的挤压作用应变不为0。最终依据模型试验与数值模拟结果,建立弯、剪共同作用下波形钢腹板内衬混凝土组合梁承载力评价准则,为今后的设计提供参考。     

装配式钢桁-混凝土组合梁抗裂性能研究

为解决常规钢-预制混凝土桥道板组合梁剪力键预留孔和板间现浇接缝易开裂的问题,提出了带预埋抗剪栓钉(PCSS)剪力键的装配式钢桁-混凝土组合梁(Prefabricated Steel Truss-concrete Composite Beam,PSTC),为考察其抗裂性能,在介绍基本概念的基础上,阐述了PSTC组合梁的制作方法,进行了1组3个带预应力的PSTC组合梁负弯矩区段加载试验,并分析了在负弯矩作用的开裂极限状态下PSTC组合梁截面应变的构成特征;依据考虑滑移影响后的截面应变协调条件和PCSS联结构造的剪力-滑移本构关系,分别建立了PSTC组合梁微段内混凝土板和钢梁的静力平衡方程,推导得到了考虑滑移后PSTC组合梁的开裂弯矩计算公式。研究结果表明:PSTC组合梁首先需要在预制混凝土板内预埋带栓钉的剪力传递钢板,然后在钢桁梁上安装预制混凝土板并施加纵向预应力,最后对剪力传递钢板与钢桁梁顶面的纵缝施焊联结形成组合梁;PSTC试验梁初始裂缝出现在加载点附近的混凝土板边,开裂荷载随混凝土板预应力的增大而增大,相邻预制板间接缝的初始裂缝均略晚于板内首条裂缝出现,PSTC组合梁无明显的抗裂薄弱部位;得到的计算公式计算结果与试验数据吻合良好,可为同类桥梁提供参考。     

多部件非均匀锈蚀对钢混组合梁承载力退化的影响研究

为明确钢混组合梁构件多部件非均匀锈蚀对其承载力退化的影响,对均匀锈蚀、非均匀锈蚀情况下锈胀应力场进行了理论推导,并采用有限元方法对解析解进行验证,利用通过验证的仿真模型建立方法,针对某钢混组合梁工程实例进行简化有限元计算,通过推导锈蚀率与锈蚀层厚度、有效截面的关系,实现单部件非均匀锈蚀、多部件非均匀锈蚀和不同锈蚀率工况的加载,对钢混组合梁承载力退化情况进行定量分析。结果表明,非均匀锈蚀与均匀锈蚀环向、径向应力分量的分布存在差异,非均匀锈蚀下应力分量显著大于均匀锈蚀;通过指定锈蚀率可计算锈蚀层厚度、有效截面,实现有限元模型加载;全圆周非均匀锈蚀下结构承载力退化幅度大于半圆周非均匀锈蚀,钢筋、栓钉全圆周非均匀锈蚀组合工况下峰值荷载相较于未锈蚀工况降低了23.0%,且组合工况下降幅度大于单部件工况下降幅度之和;承载力退化程度随锈蚀率增加而增大,相较于栓钉锈蚀,钢筋锈蚀对结构承载力的影响更为显著。     

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。