钢-UHPC组合结构中栓钉剪力键力学性能研究

为深入研究栓钉在超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)和普通混凝土(normal concrete,NC)中的力学特性及破坏形态,对8个栓钉剪力键试件进行了推出试验,详细探讨了混凝土类型、栓钉直径及长度对栓钉剪力键极限抗剪承载力的影响规律;基于有限元模型,进一步分析栓钉的极限抗拉强度、直径、长径比及混凝土强度对抗剪性能的影响,并详细研究栓钉直径、长度及混凝土强度对栓钉剪应力有效分布长度的影响。结果表明:栓钉根部附近的剪切断裂是主要的破坏形式;与NC试件相比,UHPC试件的抗剪承载力和抗剪刚度更高,但延性较低;栓钉剪应力在根部出现峰值,并沿钉帽方向迅速衰减;栓钉直径对剪应力有效分布长度影响显著。最后,根据试验结果提出了栓钉剪断破坏模式下的荷载-滑移曲线及抗剪承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合良好,可为工程设计提供一定的参考价值。     

新型组合剪力键抗剪机理及承载力计算方法研究

提出了一种带横向栓钉的新型组合PBL剪力键（简称组合剪力键）,并开展了6个组合剪力键试件的静力推出试验。建立了组合剪力键的精细化有限元模型,在试验验证的基础上,开展了216个试件的数值模拟和参数分析。基于试验研究和有限元分析结果,对组合剪力键的受力机理进行了分析。研究表明:该组合剪力键具有良好的抗剪性能,其抗剪承载力由PBL部分的混凝土榫柱和横向栓钉共同提供,可按叠加原理进行计算。参数分析表明:增加栓钉直径和混凝土强度均可有效提高组合剪力键抗剪承载力。其中,当栓钉直径由16 mm增至22 mm时,其承载力约提高27.7%;当混凝土强度等级由C30提高至C50时承载力约提高20.6%。但增加开孔直径和肋板厚度对抗剪承载力的提高影响并不明显基于可靠度分析和叠加原理提出了该组合剪力键抗剪承载力计算公式。研究结果可为该新型剪力键的工程应用和后续研究提供参考。     

GFRP-混凝土组合板界面抗剪连接性能的试验研究

FRP-混凝土组合板界面的可靠连接是保证其正常工作的基础。为考察组合板中的界面粘结性能,该文对采取4种连接方式的27个玻璃FRP（GFRP）-混凝土组合构件进行双剪推出试验,根据试验结果分析构件的破坏模式、承载力变化及界面滑移情况。研究结果表明:4种连接方式均获得了较高的粘结强度,可考虑作为GFRP-混凝土组合板的界面抗剪构造措施;GFRP-混凝土界面粘结强度与混凝土强度等级、界面粗糙程度、胶结剂的粘结能力、剪力键布置方式有关,且随混凝土强度等级的提高而有所增大。基于该文的试验设计和试验结果,对试验中的3个试件进行了三维非线性有限元分析。     

高变形能力螺栓抗剪连接件抗剪承载力理论分析与验证

螺栓抗剪连接件是实现装配式钢-混凝土组合构件的可拆卸功能的基本元素之一。针对螺栓抗剪连接件变形能力不足的问题,提出了一种高变形能力的插块式螺栓抗剪连接件(plug-type bolted shear connector, PTBSC)。试验和有限元分析表明,PTBSC的剪切-滑移关系曲线存在明显的屈服点和极限点,曲线呈现出近似双线性特征。同时,曲线有较大的屈服后刚度(为初始刚度的1/3~1/2),以及较大的屈服后承载力储备(极限承载力接近2倍的屈服承载力),其屈服抗剪承载力和极限抗剪承载力的评价方法有待研究。针对PTBSC的屈服抗剪承载力,从PTBSC的受力机理出发,推导了其理论计算公式。为检验所提出PTBSC屈服抗剪承载力的计算公式准确性,将理论计算结果与有限元分析结果进行比较验证。对比发现,PTBSC屈服抗剪承载力的理论计算公式具有较高预测精度,误差在正负20%之内,离散系数不超过13%。对该文提出的屈服抗剪承载力计算公式作参数影响分析,考察其随不同参数的变化规律。增大螺栓直径和螺栓强度等级可显著提高PTBSC的屈服抗剪承载力;增大集中变形段长细比会减小屈服抗剪承载力,增大插块材料抗压强度可提高PTBSC屈服抗剪承载力,当强度大于100 MPa,屈服抗剪承载力基本保持不变。针对PTBSC的极限抗剪承载力,通过对有限元结果进行统计分析标定其经验系数。当PTBSC的螺栓极限抗剪承载力表示为0.7倍的极限抗拉承载力,此时误差在20%之内,可较好地预测PTBSC的极限抗剪承载力且具有一定安全储备。     

考虑开孔钢板厚度的PBL剪力键力学性能研究

钢-混凝土组合结构中PBL剪力键的力学性能受到多种参数的影响.为了解开孔钢板厚度对PBL剪力键力学性能的影响,进行了6 组24 个PBL 键试件的推出试验,研究PBL 键的静力性能及影响因素;从荷载-滑移曲线出发对PBL 键的传力机理进行分析;研究PBL 键的破坏机理和开孔钢板厚度对破坏模式的影响.试验研究结果表明:开孔钢板的厚度对PBL 键的设计承载力、抗剪刚度和极限承载力都有显著影响;荷载较小时PBL 键的承载能力由混凝土榫抗剪提供,混凝土榫抗剪失效后转由贯穿钢筋抗剪承载;受开孔钢板厚度的影响,PBL 键的破坏形式有贯穿钢筋的弯剪破坏、剪切破坏或开孔钢板的剪切破坏.结合国内典型推出试验的结果,推导了考虑开孔钢板厚度的PBL键承载力计算公式,公式与试验结果吻合良好.     

钢板-混凝土组合板抗剪承载性能的试验研究与数值分析

主要通过试验研究与数值模拟,分析钢板-混凝土组合板在受剪状态下的承载力、变形、裂缝发展情况以及钢板与混凝土参与抗剪程度等。进行了3块钢板-混凝土组合板试件和1块无钢板混凝土试件的抗剪承载力试验。结果表明:钢板-混凝土组合板试件的剪切破坏形式主要是斜拉破坏;钢板承担了约50%以上总剪力,由于钢板的协同作用,混凝土承担的剪力与按照规范计算的混凝土抗剪承载力相比有较大幅度的提高;随着栓钉间距的增大,构件的抗剪承载力减小。基于修正压力场理论对ABAQUS进行了材料层面的二次开发,建立了适合钢板-混凝土组合板抗剪分析的数值仿真模型,模拟结果与试验结果吻合较好。     

两边连接暗支撑预制墙板抗震性能分析EI北大核心CSCD

提出了一种适用于多、高层装配式钢框架结构的两边连接暗支撑预制墙板。对6个2/3缩尺的暗支撑预制墙板试件进行低周往复循环水平剪力加载试验,分析了几种典型的破坏模型,并对不同试件的抗剪承载力、延性和耗能能力进行研究。试验结果表明:暗支撑预制墙板具有良好的延性和耗能能力,减小剪跨比、增大墙厚能有效提高预制墙板抗剪承载力,但其峰值位移会降低至原来的1/2;设置暗柱构能有效提高预制墙板抗剪承载力;试件的上部连接、T型件与暗支撑骨架下部焊缝为薄弱位置,应对其局部加强,上部连接宜采用长圆孔构造,防止螺栓剪切破坏。有限元参数化分析的结果表明:提高混凝土强度,对暗支撑预制墙板的峰值荷载影响较小,但采用C30以上混凝土能有效提高其屈服荷载;当钢支撑用钢量相同时,相较于增大截面厚度,增大截面宽度对墙板抗剪承载力提升的影响更为显著。     

拟静力作用下群钉连接件抗剪性能研究

为研究低周往复荷载作用下群钉连接件的劣化过程和退化机理,以栓钉直径、混凝土强度等级、加载方式为参数设计9个试件进行试验,并采用ABAQUS进行精细分析,研究群钉抗剪连接件的破坏模式、刚度退化、损伤累积、抗剪承载力及能量耗散等指标。结果表明:混凝土强度相同时,试件的抗剪承载力随栓钉直径的增加而提高,而抗剪刚度和能量耗散等指标变化不明显。对于直径较大的栓钉,各项性能指标还会出现劣化。混凝土强度增加,试件的抗剪承载力和抗剪刚度提高,耗能增加,滑移值减小。低应力循环加载时,试件较早出现损伤累积,其损伤累积速度随栓钉直径的增大而增加。高应力循环加载时,试件表现出损伤累积滞后现象,在第3个循环节开始出现损伤快速累积。群钉多层排列时,栓钉传力不均匀,靠近加载端的栓钉承担的剪力大于其他栓钉。当混凝土强度在C35和C45之间时,建议采用直径16 mm的栓钉与之搭配。     

考虑界面摩擦推出试验ABAQUS仿真分析

推出试验是探讨剪力连接件抗剪性能最常用、受力最合理的方式。本文利用有限元软件ABAQUS对推出试验试件进行仿真分析,同时考虑试件的材料非线性和状态非线性,并对试件进行相应的受力分析。结果表明:随着界面之间摩擦系数的增加,推出试验试件的极限抗剪承载力增大。     

速度脉冲激励作用下混凝土框架柱抗剪性能研究

研究等效速度脉冲地震作用下混凝土框架柱最不利抗剪性能。以混凝土框架结构底层柱为分析对象,采用等效正弦速度脉冲激励作为地震动输入,通过非线性动力时程分析,研究竖直和水平向联合速度脉冲地震作用对框架柱抗剪性能的影响,分析速度脉冲地震作用与竖向和水平向加速度峰值比、峰值输入时差、剪跨比以及基本振动周期等对抗剪需求和抗剪承载力的交互影响规律。结果表明：脉冲速度强度增大,框架柱抗剪需求增大;竖向与水平向峰值比增大,柱抗剪承载力减小。加速度峰值输入时差对柱的最不利抗剪性能有重要影响;剪跨比越大,速度脉冲的影响越显著。基于分析结果的非线性回归,建立了考虑速度脉冲及其交互因素影响的最不利剪力作用效应修正系数     

超高性能混凝土梁正截面受弯承载力理论研究

基于64组超高性能混凝土（ultra high performance concrete, UHPC）抗压性能试验数据,分别建立了峰值压应变ε₀、立方体抗压强度f_cu与轴心抗压强度f_c之间的关系以及弹性模量E_c与立方体抗压强度f_cu的关系;基于复合材料力学,建立了受拉区UHPC等效拉应力;基于平截面假定,建立了UHPC梁正截面受弯承载力计算公式,推导了受压区等效矩形应力图形参数、计算公式,并结合UHPC受压本构确定等效矩形应力图形参数。通过28根试验梁的相关数据,验证UHPC梁正截面受弯承载力计算公式及等效矩形应力图形参数取值的可行性。研究结果表明,等效矩形应力图形参数取值较为合理,梁正截面受弯承载力计算值与试验值吻合良好。     

超高性能混凝土装配整体式框架梁柱节点抗震性能研究

为避免预制构件灌浆套筒连接定位精度要求高、连接质量不易检测等问题,提高梁柱节点的抗震性能,通过5个钢筋搭接后浇UHPC(lap-splice with UHPC,LS-UHPC)装配整体式梁柱节点及1个RC现浇整体式梁柱节点的拟静力试验,研究了LS-UHPC装配整体式梁柱节点的破坏形态、滞回特性、骨架曲线和耗能能力。结果表明:柱纵筋直筋搭接15d_b,梁下部纵筋设置90°弯钩搭接11d_b均未出现拔出破坏;梁上部纵筋锚固长度为16.7d_b或13.6d_b,虽均小于GB 50010?2010中20d_b的要求,但由于UHPC较高的粘结强度未发生明显滑移,均表现出较好的延性。节点核心区采用UHPC,受剪承载力明显提高,即使未配箍筋,也可以取得优于普通混凝土现浇节点的性能;节点核心区箍筋和钢纤维掺量的增加,延缓了节点核心区主斜裂缝的形成,提高了节点核心区耐损伤能力,进而提高了梁柱节点的极限位移,延性系数和耗能能力,且适当配置箍筋对核心区耐损伤能力的提高效果更显著;GB 50010?2010低估了UHPC的抗剪贡献,而高估了箍筋的抗剪贡献,美国规范ACI 318-19高估了UHPC的抗剪贡献;利用UHPC的抗压强度和抗拉强度的关系,分别对GB 50010?2010和ACI 318-19进行修正,修正后的ACI 318-19的计算方法较为准确且保守。     

基于三维形貌和剪胀效应的软-硬节理抗剪强度模型

上、下盘抗压强度不一致的软-硬节理的抗剪强度难以准确获取，应用Barton模型等常用的岩石节理抗剪强度模型也不能准确表征这类特殊节理的抗剪强度。借助三维激光扫描和3D打印技术，浇筑了具有自然节理形貌上下盘抗压强度相同以及上下盘抗压强度不同的人工节理试样，并对其进行常法向应力下的剪切试验。分析了法向应力、三维形貌特征以及节理强度比对软-硬节理的抗剪强度和剪胀角的影响。试验结果表明:节理抗剪强度与法向应力、节理强度比和节理粗糙度呈正相关；剪胀角与法向应力呈负相关，与节理强度比和节理粗糙度呈正相关。通过研究剪胀角在剪切过程中随法向应力和节理强度比的演化规律，建立了含有三维形貌参数和节理强度比的岩石节理抗剪强度模型。通过与Barton模型的对比分析，验证了所提出模型的可靠性。采用该文模型计算云南某水电站库区内不稳定斜坡平硐内出现的软-硬节理的抗剪强度，计算结果和试验值较为接近，论证了该模型的适用性。     

双向荷载作用下空间夹心节点受力性能试验研究

节点核心区采用同梁等强的低强度混凝土浇筑的夹心节点和采用同柱等强的高强度混凝土浇筑的传统节点相比,施工简单且易保证质量,但是我国规范对其规定过于简单,没有明确的验算方法。通过三组不同混凝土强度等级差的空间夹心节点和传统节点对比试件的双向低周往复性能试验研究,对比分析了二者破坏形式、延性、耗能、变形和承载力等方面的差异,结果表明:中低剪压比夹心节点的整体抗震性能稍弱于传统节点,但相差不明显;中低轴压比、剪压比条件下,当柱与梁混凝土强度等级之比小于1.5时,节点区可直接采用与梁相同强度等级的混凝土浇筑,当柱与梁混凝土强度等级之比大于1.5时,其破坏形式可转变为节点核心区剪切破坏,需采取相应的加强措施。最后在此基础上,给出了与试验结果吻合较好的夹心节点抗剪承载力计算公式。     

自攻螺钉双面剪切连接抗剪性能研究

该文通过ABAQUS有限元软件对自攻螺钉双面剪切连接抗剪性能进行了研究,通过已有试验结果验证了有限元模型的准确性,基于此模型讨论了钢材强度等级、钢板厚度、螺钉直径以及不同中间钢板厚度对螺钉双面剪切连接的破坏模式和抗剪承载力的影响。结果表明:螺钉双面剪切连接构件的破坏模式可分成3类,分别为:承压破坏、承压-剪切破坏和剪切破坏。螺钉双面剪切连接抗剪承载力随着钢材强度等级和钢板厚度的增加而提高并趋于稳定;随着螺钉直径的增加,螺钉双面剪切连接抗剪承载力呈线性增加;在一定范围增加中间钢板厚度也可显著提高螺钉双面剪切连接抗剪承载力。将数值模拟结果与中美欧规范计算值进行比较分析得出,当钢板发生承压破坏时,中国、欧洲和AISC规范公式计算值偏于保守,AISI规范计算值较接近有限元值;当螺钉发生剪切破坏时,AISI和中欧规范过于保守。AISC规范公式计算值与有限元值吻合较好,因此,当螺钉发生剪切破坏时,使用AISC规范公式计算具有一定参考价值。     

密集横隔板UHPC箱梁锚固区局部承压性能研究

为获得密集横隔板UHPC箱梁"隔板连通式齿块"的局部承压受力特征及承载能力,该文以某拟建UHPC箱梁桥为工程背景,通过大吨位张拉试验及非线性有限元模型对UHPC箱梁锚固区进行了受力分析,得到了以下结论:UHPC锚固区局压开裂为UHPC的拉应力控制;"隔板连通式齿块"中"局部弯曲效应"和"径向力效应"均不显著,但"锚下劈裂效应"和"隔板弯曲效应"较为明显且为导致锚固区承载失效的重要因素;背景工程中尺寸小巧的"隔板连通式齿块"张拉到4700 kN时无开裂风险,采用25根钢绞线锚固同样能满足承载能力要求,可在实际工程中广泛采纳;UHPC锚固区的拉应变值即便进入到了拉伸应变硬化阶段锚固区仍能正常使用,为建造经济化在设计中可适当利用UHPC的拉伸应变硬化特征。此外,UHPC锚固区局压承载力基于不同承载力公式所得的计算结果差距较大（最大差值达到了40.9%）,其中基于Kim公式、《活性粉末混凝土结构技术规程》以及《超高性能混凝土结构设计技术规程》（征求意见稿）中局压承载力计算公式所得结果与FEA结果较为接近。     

钢骨高强混凝土边节点抗震性能试验研究

进行了5个低周期反复荷载下钢骨高强混凝土柱与钢筋高强混凝土梁边节点试验,分析了其破坏模式与受力性能,明确该类节点的滞回曲线特征,得到其延性系数和等效粘滞阻尼比系数,该类节点延性系数、等效阻尼比系数比钢筋高强混凝土节点大,与钢骨普通混凝土节点比较接近。通过试验,分析了钢骨、高强混凝土及箍筋等对节点的抗剪承载力的影响,建立了该类节点的抗剪承载力计算公式,理论计算结果与试验结果吻合良好。     

基于三维能量屈服准则的新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度统一计算方法

已有新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度的计算方法分为考虑正应力和不考虑正应力2类,两类方法不仅存在理论依据不充分的问题,而且计算精度也有待提高,能够考虑正应力以及正应力为0的统一计算公式还未见报道。根据剪切试验破坏特征、机理,分析新老混凝土无锚筋结合面破坏机构,基于三维能量屈服准则、虚功原理和塑性极限分析理论,详细推导新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度理论计算公式。引入考虑正应力和粗糙度的综合影响系数,基于已有剪切试验数据并借助三维曲线拟合技术对理论公式进行修正,得到新老混凝土无锚筋结合面抗剪强度统一计算公式。采用不同方法对27个新老混凝土无锚筋结合面压(拉)剪复合受力试验试件以及30个新老混凝土无锚筋结合面纯剪试验试件进行抗剪强度计算,对比分析结果表明:统一计算方法理论依据充分、计算简便,既可用于压(拉)剪复合受力构件,也可应用于纯剪受力构件;对于压(拉)剪复合受力试验试件,该文方法计算值与试验值的偏差率大都在±15%以内,统一计算公式的计算精度高于已有考虑正应力的计算方法;对于纯剪试验试件,该文方法计算值的偏差率大都在±20%以内,除计算低强度混凝土试件偏差率较大之外,统一计算公式的计算精度明显高于已有不考虑正应力的计算方法。     

机器切割条石砌筑石墙灰缝抗剪性能试验研究

随着石材开采和切割技术的发展,建筑砌筑条石正从传统手工粗细料石逐步向机器切割条石过渡。机器切割条石砌筑石墙灰缝界面性能与传统石墙灰缝存在较大差异,开展其灰缝抗剪性能研究是机器切割条石砌筑石墙推广应用的关键。该文通过15 片新型机器切割条石无垫片砌筑石墙灰缝双剪试验,研究这种新型石墙灰缝的抗剪性能。主要的研究参数包括砌筑灰浆强度、压应力水平和界面处理方式。根据试验结果,分析各因素对灰缝的受力特点、破坏模式、界面抗剪强度和变形性能的影响,同时基于正交试验分析各因素对灰缝抗剪性能的影响程度。研究结果表明:新型机器切割条石砌筑石墙灰缝的破坏呈现脆性破坏,灰缝开裂即达最大承载力,同时灰缝迅速滑移;各研究参数对灰缝抗剪性能的影响程度依次为界面处理方式、压应力水平和灰浆强度。通过对试验数据的统计回归,提出机器切割条石砌筑石墙灰缝的抗剪强度计算公式,计算结果和试验值吻合程度较好,可以用于工程设计和实践。