基于断裂力学的组合梁栓钉疲劳性能

为研究钢-混凝土组合梁中的栓钉在疲劳荷载作用下的强度及寿命等问题,在有限元静力分析的基础上,根据断裂力学的基本原理,采用合理的假设,推导出了组合梁栓钉的疲劳寿命计算公式。分析结果表明:初始缺陷和应力幅对栓钉的疲劳寿命影响最大,应力上限对栓钉疲劳寿命的影响较小。建议在实际工程中栓钉的应力幅控制在极限抗剪强度的20%以下,应力上限控制在极限抗剪强度的70%以下。     

装配式混凝土阶梯钢板式节点应力应变分析

目的研究装配式混凝土阶梯钢板式节点的应力应变分布规律,提出一种装配式混凝土阶梯钢板式节点.方法以混凝土强度和穿心板厚度为参数制作装配式混凝土阶梯钢板式节点,以节点试件的外加梁其两端加载点的竖向荷载和位移、节点的核心区柱应力分布、节点核心区穿心钢板应力分布以及外加梁的应力分布等作为主要量测内容.对试件进行低周往复加载试验.结果穿心钢板的应变大多表现为横向应力应变远大于纵向应力应变,外加梁上梯段钢筋的应变远大于其下梯段钢筋的应变.在其他参数不变的情况下,装配式混凝土阶梯钢板式节点的混凝土强度越高则其主要受力部位的应力应变越小;穿心钢板越厚其主要受力部位的应力应变就越小;节点试件的承载力随混凝土强度提高而增大.其中极限荷载在混凝土强度C20时为110.5 k N,C40则达到228.94 k N,较C20提高107.2%.结论提出的装配式混凝土结构梁柱节点构造具有较好的应用价值,为今后预制装配式混凝土结构深入研究及推广提供试验与理论基础.     

钢-混凝土预制板组合梁的组合性能

通过制作了12个推出试件,研究了栓钉连接件在不同工作环境下的抗剪承载力及其抗滑移性能;并对不同孔型、不同抗剪连接度的3根钢-混凝土预制板组合梁进行了静力性能试验,对比分析了钢-混凝土预制板组合梁的荷载-滑移、荷载-挠度、荷载-组合梁全截面应变及截面整体工作性能.结果表明:预留后灌孔为方孔推出试件的栓钉承载力比圆孔好;孔内填充混凝土强度对栓钉承载力影响很大,孔内混凝土强度高则栓钉承载力好;3根试验梁的截面应变分布满足平截面假定的要求,且均为弯曲破坏形式;组合梁具有良好的组合效应及受弯性能,完全抗剪连接的组合梁与部分抗剪的承载力接近,但完全抗剪组合梁钢梁与混凝土板界面间得滑移值明显小于后者.本文结果将增进对钢-混凝土预制板组合梁的理解和认识,为今后改进该类型梁工程设计提供有价值的参考.     

单调荷载下体外预应力钢-混凝土组合梁的受力性能

基于3根模型梁试件的单调静力试验,对体外预应力钢-混凝土组合梁的受力性能进行了研究.研究表明:施加体外预应力可以有效提高组合梁的抗弯承载力,但试件的延性有所降低;试件纯弯段截面应变分布符合平截面假定;增大栓钉间距可以提高试件的极限变形能力,但对其抗弯承载力的影响不大;试件的抗剪连接程度越低,达到极限荷载时栓钉滑移值越大.结合试验并通过有限元建模,分析了混凝土强度等级、有效预应力、预应力筋线型、栓钉间距等对体外预应力组合梁受力性能的影响.最后,在考虑了预应力筋作用的基础上,提出了体外预应力组合梁抗弯承载力的简化计算方法,该方法可为体外预应力组合梁的设计计算提供参考.     

蜂窝组合梁-复合螺旋箍混凝土柱节点试验

为推广组合梁-复合螺旋箍混凝土柱结构体系,提出了一种梁贯通式的蜂窝组合梁-复合螺旋箍混凝土柱节点,节点核芯区采用双U形箍筋贯穿梁腹板,并在梁上下翼缘位置设置柱短钢板箍.对两个1/2缩尺的蜂窝组合梁-复合螺旋箍混凝土柱节点试件和一个模拟节点核芯区试件进行了低周反复荷载试验.试验结果表明扩张比为1.2的试件在非洞口处出现了钢梁的弯曲破坏,扩张比为1.3的试件同时在洞口和非洞口处同时出现了钢梁的弯曲破坏.提出了节点抗剪承载力计算公式,节点试件试验值与计算值吻合.两个节点试件的荷载位移曲线呈理想的梭形,且延性系数分别为4.55和4.30,等效粘滞阻尼系数分别为0.46和0.38,说明节点有良好的抗震性能.     

型钢-混凝土组合梁桥面连续抗裂性能

为了掌握常规设计方法下型钢-混凝土组合梁桥面连续的开裂特征和破坏模式,从而优化结构设计,对此类结构开展足尺模型试验和有限元分析。试验结果表明:常规设计方法下桥面连续构造抗裂性能差,在较低荷载下便会出现开裂;裂缝分布集中在桥面连续区域1.2 m范围内,裂缝数量少;试件破坏模式是剪力钉被剪断随后连接板钢筋屈服。基于试验结果,建立有限元模型进行进一步分析,分析结果表明:与不考虑滑移的梁相比,考虑滑移的组合梁的开裂荷载将提高,极限荷载取决于剪力连接件抗剪强度;栓钉间距、连接板厚度的增加能提高桥面连续的开裂荷载和极限承载力,栓钉直径对桥面连续的开裂荷载影响不大,但对其承载力影响较大;连接板底部与钢梁做无粘接处理可以大幅提高桥面连续开裂荷载。     

弹性混凝土与钢组合梁的疲劳性能分析及寿命预测

基于8个组合梁试件的疲劳试验结果,采用有限元计算与名义应力法相结合的方法,提出用于模拟滑移和疲劳破坏过程的精细有限元模型和计算方法.研究了混凝土中不同橡胶掺量对组合梁极限承载力、最大滑移、栓钉应力及破坏特征的影响,得到相应的应力-疲劳寿命曲线.结果表明,简支组合梁的疲劳破坏首先发生在端部栓钉,破坏过程为栓钉依次断裂.虽然疲劳断裂为脆性破坏,但组合梁在疲劳荷载作用下的整体破坏具有一定的延性.使用弹性混凝土代替普通混凝土后,组合梁的极限承载力和刚度略有降低,但延性有所提高;当橡胶掺量为5%,10%和15%时,疲劳寿命分别提高约15%,64%和125%.基于非线性数值分析得到的组合梁极限承载力和疲劳寿命与试验所测结果吻合较好,为组合梁的抗疲劳设计提供了参考.     

装配式地铁车站侧墙-顶板节点抗震性能试验研究

针对装配式地铁车站结构,提出了一种新型的车站顶板与侧墙连接节点.该节点通过车站侧墙顶部伸出的竖向U形钢筋与预制顶板两端伸出的水平U形钢筋搭接连接,从而实现侧墙与顶板间的内力传递.结合实际工程,设计制作了3个U形筋搭接构造形式各不相同的装配式足尺节点试件.通过拟静力试验,研究了节点试件的破坏形态、滞回性能、承载能力、变形性能以及耗能能力.结果表明,装配式节点试件的破坏形态包括U形筋弯弧内侧混凝土的局部受压破坏和侧墙剪切破坏.节点试件的位移延性系数为2.7-3.4,试件顶板端部的极限转角为1/22～1/27.增加节点中受拉钢筋的搭接长度,可以有效确保U形筋搭接连接在往复荷载作用下的有效性.     

高温下栓钉剪力连接件受力性能的试验

为研究高温下栓钉的抗剪性能,对24个栓钉推出试件进行了高温下推出试验.试验考虑了平板、压型钢板肋与钢梁垂直和压型钢板肋与钢梁平行三种混凝土板型式,考察了栓钉在不同温度下不同混凝土板型式中的受力特点和破坏模式.试验结果表明:平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件均为焊缝上侧栓钉剪断破坏,而压型钢板肋与钢梁垂直的试件在温度较低时为混凝土拔出破坏,温度较高时转为栓钉剪断破坏.另外,三种混凝土板型式中栓钉的抗剪承载力和刚度均随温度的升高而降低,且平板混凝土试件和压型钢板肋与钢梁平行的试件中栓钉的承载力比压型钢板肋与钢梁垂直的试件中栓钉要高.通过对试验数据的拟合,提出了高温下栓钉抗剪承载力的计算公式.     

钢筋桁架楼承板-U形钢组合梁 不同抗剪连接方式的受弯性能

为了合理利用在装配式钢结构建筑中应用广泛的钢筋桁架楼承板,将钢筋桁架的下弦钢筋焊接于U形钢梁的上翼缘作为一种新型的抗剪连接件,设计了4根采用钢筋桁架、角钢、栓钉及其组合抗剪连接方式的简支U形钢-混凝土组合梁,并对其进行了静力试验研究和有限元分析,考察了不同抗剪连接方式对其正截面受弯性能的影响.试验结果表明:试件的破坏形态为整体弯曲破坏和端部滑移破坏;仅采用钢筋桁架作为抗剪连接件的试件不能达到完全抗剪连接,可再配置适量栓钉以提高其组合作用;采用钢筋桁架与栓钉作为组合抗剪连接方式的试件的抗剪连接性能优于采用钢筋桁架与角钢作为组合抗剪连接方式的试件.同时运用ABAQUS对试件进行了有限元分析,有限元分析的受弯承载力值与试验值吻合较好.最后在试验研究和有限元分析的基础上,基于全截面塑性理论,提出了完全抗剪连接的钢筋桁架楼承板-U形钢组合梁在正弯矩作用下的受弯承载力计算公式.     

复合内嵌碳纤维筋和预应力螺旋肋钢筋加固混凝土梁试验

对高强度的螺旋肋钢筋施加预应力,将螺旋肋钢筋和非预应力的碳纤维筋用不同的组合方式嵌入混凝土梁受拉区混凝土保护层中进行弯曲试验。结果表明:内嵌2根螺旋肋钢筋和1根碳纤维筋(BF1P2梁)或内嵌1根螺旋肋钢筋和2根碳纤维筋(BF2P1梁),且对螺旋肋钢筋施加的预应力水平分别为其极限强度的30%,45%和60%,加固混凝土梁的极限承载能力、刚度及抗裂性能均有显著改善。与对比梁相比,BF1P2梁的开裂荷载提高了86.70%~133.33%,屈服荷载提高了32.25%~72.04%,极限荷载提高了72.73%~90.00%;BF2P1梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载则分别提高了50.00%~133.33%,50.54%~136.56%和72.20%~173.60%;BF2P1梁的加固效果优于BF1P2梁,且对螺旋肋钢筋施加预应力的水平为45%时,混凝土梁的加固效果最佳。     

钢-混凝土组合梁纵向抗剪非线性分析

在钢-混凝土组合梁中,栓钉传递的剪力作用在混凝土板上,当横向钢筋配筋率低于一定值时,混凝土板会发生纵向剪切破坏,从而会导致组合梁的极限承载力降低,不能充分发挥组合梁的优势.采用了ANSYS软件对组合梁进行了非线性有限元分析,并结合试验结果探讨了横向钢筋对组合梁极限受弯承载力的影响,同时对组合梁的挠度及滑移进行了分析.计算结果表明,为保证组合梁混凝土板不发生纵向抗剪破坏,横向钢筋配筋率应不小于0.6%,利用给出的模型可反映出栓钉对混凝土板的作用.     

后张无粘结PC平板-T形柱节点的试验研究

进行了6个足尺PC（预应力混凝土）平板-T形柱节点试件在竖直荷载作用下的冲切性能试验．其中，5个试件的平板中配有无粘结预应力筋，1个对比试件的平板中配普通钢筋．通过试验阐述了节点试件的破坏特征．结果表明：所有试件都产生弯曲冲切复合破坏特征；当接近极限荷载时，预应力筋的应力有较大幅度的增加，但未达到其极限强度；在保持一定的延性的条件下，平板中的预压应力可提高节点的冲切承载力和刚度．文中还根据试验结果给出了临界截面的形状和节点弯曲破坏的位置，最后采用美国ACI规范和我国规范所推荐的计算公式对上述节点的冲切承载力进行了验算．     

钢-混凝土连续组合梁纵向开裂问题的验算

试验表明,以单排栓钉连接的钢-混凝土组合梁在竖向荷载的作用下混凝土翼板易发生沿梁长方向的纵向开裂．根据8根连续组合梁的试验研究结果及有关资料,分析了组合梁混凝土板纵向开裂的原因及影响因素,分别按照以混凝土板中栓钉剪力和混凝土横向应力的关系建立的计算模型以及混凝土板的受剪计算模型两种方法对连续组合梁的开裂荷载计算公式进行了推导,并分别和实测结果进行比较,进而给出了连续组合梁混凝土板纵向开裂的验算公式．     

带疲劳损伤的钢-混凝土组合梁受力性能试验研究

钢-混凝土组合梁在桥梁结构中应用广泛.车辆荷载会造成组合梁疲劳损伤的不断累积,从而对结构安全产生不利影响.为了研究疲劳损伤对钢-混凝土组合梁受力性能的影响,对7根组合梁试件开展了单调静力加载试验,其中5根组合梁试件在开展静力试验前经历了100万次的等幅疲劳加载.试验结果表明:在经历100万次的疲劳加载后,疲劳损伤会导致组合梁的极限变形能力降低,但组合梁的延性系数仍大于4.6,最终破坏形态均属于弯曲破坏;疲劳加载使钢材发生了强化效应,组合梁的屈服荷载均有所提高;部分抗剪连接组合梁的极限承载能力普遍降低,最大降幅约为初始极限承载力的7.3%;在抗剪连接程度相同的情况下,采用直径13或16 mm栓钉对组合梁的极限承载力无明显影响.     

考虑疲劳损伤的栓钉式组合梁剩余承载力计算方法

为研究钢-混组合梁在疲劳荷载下剩余承载力退化规律，引入考虑栓钉初始缺陷的基于断裂力学的承载力退化模型及经典钢梁、混凝土板承载力退化模型，并通过考虑不同疲劳荷载后退化为非完全抗剪结构的剩余极限承载力计算模型，建立了组合梁在常幅疲劳荷载下的剩余承载力预测计算方法，通过典型5组试验梁疲劳试验数据的对比验证了所提出的预测方法的有效性，在此基础上对关键影响因素进行了参数分析.结果表明：本文提出的承载力计算方法具有较高的准确性，误差控制在8%以内；疲劳加载下，组合梁各构件强度以不同速率发生退化，栓钉最快，钢梁次之，混凝土板最慢，且加载前期组合梁承载力退化程度由钢梁主导，后期由栓钉连接件主导；承载力退化速率随着加载次数的增加而不断增加，前期增长较缓，基本呈线性分布，后期增加迅速，呈指数型分布，其后期承载力衰减占总衰减的比例可高达70%以上；栓钉间距（抗剪连接度）、栓钉初始缺陷、荷载幅值是控制疲劳承载力退化的重要因素，需在工程设计中加以控制以满足桥梁正常运营.     

组合钢板梁负弯矩区疲劳损伤效应试验研究

为研究组合钢板梁负弯矩区的疲劳损伤效应,基于某常规跨径组合梁桥结构形式设计了2根不同配筋率组合梁试验模型,在倒置状态下开展了模型梁的初始开裂加载、疲劳加载及极限破坏加载试验,对试件的裂缝发展、挠度、应变等指标进行了观测和分析.试验结果表明,配筋率对组合梁混凝土开裂荷载影响较小,但对后期疲劳裂缝发展速率和裂缝宽度影响较大;疲劳荷载作用下,组合梁挠度和应变响应在达到稳定发展之前,会经历复杂的内力重分布过程,高配筋率试件相比于低配筋率试件有更长的内力调整期;2×106次疲劳试验后,组合梁整体刚度有轻微地退化,但钢梁未出现疲劳开裂.钢梁应变数据的观测以及损伤分析表明,钢梁中性轴指标能较好地反映组合梁负弯矩区的疲劳累计损伤作用.     

开口U形肋组合桥面板基本力学性能

为了检验所提出的开口U形肋组合桥面板在桥梁使用中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板、1个正交异性钢桥面板、1个带U形肋组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形、极限承载力等.试验结果表明,在车轮荷载作用下,开口U形肋组合桥面板的应力远远低于正交异性钢桥面板的应力,避免了桥面板钢结构疲劳的发生;在重量比混凝土桥面板小57%的情况下,组合桥面板的承载力是混凝土桥面板的1.42倍;在用钢量约为钢桥面板1/2的情况下,二者的承载力相当.     

再生混凝土框架边节点抗震性能试验研究

通过2榀再生混凝土框架边节点试件在低周反复荷载作用下的试验,了解了再生混凝土框架边节点核心区剪切破坏和梁端弯曲破坏形态;得到反复荷载作用下节点核心区箍筋和梁端纵筋荷载-应变滞回曲线,以及核心区箍筋应力随荷载变化规律,运用ABAQUS软件建立了节点有限元模型,采用正反向单调加载的方法近似模拟试件的受力状况,2榀试件的混凝土以及钢筋应力数值计算结果与试验实测结果吻合较好,梁端极限荷载计算值与试验值相差在1.3％～10.3％之间.     

开孔板加劲型压型钢板加固混凝土界面黏结-滑移机理

为研究开孔板(perfobond leiste,PBL)加劲型压型钢板加固混凝土界面黏结-滑移机理,首先设计了3组试件进行推出试验,分析了其破坏形态、极限荷载值和滑移量,然后在试验基础上建立了有限元模型,分析了PBL连接件极限荷载值的影响参数.研究结果表明:PBL连接件破坏分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段,试件破坏时混凝土出现贯通裂缝,底部混凝土剥落,试件为混凝土剪切破坏,且为延性破坏.影响PBL连接件极限承载力的参数主要有贯穿钢筋、黏结摩擦力、混凝土强度、开孔直径和PBL厚度,其中贯穿钢筋影响最明显,有贯穿钢筋的试件比无贯穿钢筋的试件极限承载力提高了约73.8％,贯穿钢筋也可以提高极限滑移量,增加延性.黏结摩擦力通常作为安全储备,混凝土强度和开孔直径的增加也可显著提高极限承载力,而PBL厚度影响不显著,开孔钢板强度对极限承载力基本无影响.