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.     

不同剪力连接程度预应力钢-混凝土组合连续梁的试验研究

探究剪力连接程度对预应力钢—混凝土组合梁中混凝土和钢梁的界面的剪切滑移、截面刚度、挠度变形、极限强度等受力性能的影响 .试验选用栓钉剪力连接件 ,设计 3根不同剪力连接程度的预应力组合连续梁 ,采用跨中加载集中力 ,探究预应力组合梁静载受力全过程受力特性 .     

组合梁应力幅指标的参数分析及其应用

为判断和控制组合梁的疲劳破坏形态，分析了组合梁的截面尺寸、混凝土强度等级、剪力连接程度以及荷载幅值等参数对应力幅指标λ的影响，结果表明：并非所有不完全剪力连接组合梁都只发生栓钉剪坏的疲劳破坏，有时剪力连接程度γ很低的组合梁也可能存在钢梁拉裂的疲劳破坏形态。而且由于完全剪力连接组合梁的计算应力幅指标较大，也可能导致发生栓钉剪坏的疲劳破坏。组合梁的疲劳破坏形态取决于计算应力幅指标与钢梁各个构造细节相应的界限应力幅指标[λ]的相对大小。     

剪力钉刚度对组合梁斜拉桥受力性能的影响研究

结合某斜拉桥实际工程,建立了考虑界面粘结滑移的有限元仿真模型,分别研究了不同剪力钉刚度对组合梁斜拉桥界面滑移、挠度、应力应变特性以及极限承载能力的影响.结果表明:剪力钉刚度对组合梁界面滑移值以及桥梁竖向挠度均有影响,界面滑移值和桥梁的竖向挠度均随着剪力钉刚度的减小而增大,当界面无剪力钉时,其跨中挠度增幅达22.2%.应变沿梁高的分布规律偏离平截面假定的程度随着剪力钉刚度的减小而增大,随着剪力钉刚度的减小,组合梁截面中和轴下移,将导致混凝土出现受拉的情况.剪力钉刚度对组合梁斜拉桥的极限承载能力影响较大,当混凝土板和钢梁界面无剪力钉时,结构的活载系数和整体安全系数减小约一半.     

钢管轻集料混凝土组合梁受弯性能的试验研究

对钢管轻集料混凝土组合梁进行纯弯试验,研究组合梁破坏形态、协同工作性能、荷载-应变关系及抗弯刚度.研究结果表明:开孔钢板作为组合梁的剪力连接件可以保证混凝土板和钢管轻集料混凝土梁的协同工作性能,混凝土板与钢管轻集料混凝土梁的弯曲变形一致,两者相对滑移量小于1.0 mm;组合梁具有较高的抗弯承载能力且位移延性系数大于 5.0;钢管对受拉轻集料混凝土具有良好的环向约束作用,在正常使用阶段,保证了组合梁良好的抗弯刚度;在未考虑钢筋混凝土板和钢管轻集料混凝土梁的相对滑移情况下,提出采用组合刚度法对钢管轻集料混凝土组合梁的抗弯刚度进行计算,计算值与试验实测值较吻合.     

重复荷载作用后栓钉连接件的剩余力学性能

为研究钢-混凝土组合结构中栓钉连接件在疲劳荷载作用后的力学性能退化规律,基于标准推出试验方法,对共计11个栓钉连接件的推出试件进行了三组试验,分别为推出试件的静载破坏试验、完全疲劳破坏试验以及经历一定疲劳荷载循环次数后的静载破坏试验.在得到栓钉推出试件的静力承载力和疲劳寿命的基础上,分析总结了不同疲劳荷载循环次数后的栓钉推出试件的抗剪承载力、抗剪刚度、延性等力学性能的变化情况,并建立了考虑力学性能退化的栓钉荷载-滑移本构模型.结果表明:(1)栓钉连接件在静载破坏、疲劳破坏以及疲劳后静载破坏下呈现三种不同的截面破坏特征;(2)疲劳荷载作用下,栓钉推出试件的各项剩余力学指标均呈非线性退化,退化趋势显著;(3)文中所建立的栓钉荷载-滑移本构模型,形式简单,便于应用,且计算值与试验值吻合良好.     

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.     

预制-装配式组合梁剪力群钉推出试验研究

为揭示预制-装配式组合梁剪力群钉的破坏机制,通过开展一组3个试件的装配式剪力群钉推出破坏试验,研究了装配式剪力群钉的变形、滑移、裂缝发展以及栓钉破坏等典型破坏特征,并结合数值方法分析了栓钉与混凝土的相互作用关系。结果表明:加载全过程可分为两个阶段,线弹性阶段和塑性破坏阶段;试件均为延性破坏,最先出现预留孔四周界面裂缝,其次预制混凝土在预留孔下方角隅处45°向下开裂,最后栓钉全部或大部剪断;栓钉在弯剪共同作用下断裂;装配式剪力群钉中栓钉受力性能略弱于现浇群钉,建议采用规范计算时应适当折减,可取0.85装配折减系数。     

钢-混凝土组合梁刚度的研究

考虑到存在于钢梁和混凝土之间的相对滑移效应使钢—混凝土组合梁变形增大,刚度降低,按现行换算截面法计算组合梁的刚度未能考虑滑移效应,导致刚度计算值偏大,用于变形验算偏于不安全,该文建立了考虑滑移效应的钢—混凝土组合梁短期和长期刚度计算公式,并建立了刚度折减系数的简单实用表达式,长期刚度公式还考虑了混凝土徐变系数和收缩的影响。根据该短期刚度计算公式得到的组合梁挠度计算值与实测结果吻合良好。该刚度公式不仅适用于完全剪力连接组合梁,而且适用于部分剪力连接组合梁。     

栓接装配式钢-混凝土组合梁及其抗剪键的力学性能研究

为了探究摩擦型高强度螺栓在装配式钢-混凝土组合梁中的适用性,采用ABAQUS有限元软件建立了推出试件和简支梁试件的有限元模型。在试验结果验证模拟可靠性的基础上,研究了螺栓预拉力、螺栓孔径、混凝土强度和螺栓强度等因素对单个抗剪键及整体组合梁的影响。分析结果表明：抗剪键的受力过程分为摩擦、滑移、承压和破坏四个阶段；螺栓预拉力、混凝土强度的增大有利于提高摩擦型高强度螺栓的极限承载力和承压抗剪刚度,较大的混凝土孔隙显著降低了螺栓抗剪刚度；提高螺栓预紧力或提高混凝土强度均可增强钢与混凝土部件的组合作用,相反,在抗剪连接程度不变的情况下,提高螺栓等级导致界面刚度分布不均,不利于滑移控制。     

大直径焊钉连接件抗剪性能试验

为了解决部分情况下组合结构桥梁钢-混结合面焊钉布置过密的问题,通过直径22mm,25mm和30mm焊钉的抗剪承载性能模型试验比较分析了直径25mm和30mm大直径焊钉相对于直径22mm常规焊钉破坏模态、承载力、刚度和变形性能的差异,并对国内外桥梁规范中焊钉抗剪承载力设计式对于大直径焊钉的适用性进行了评估.研究结果表明,相对于直径22mm焊钉,直径25mm和30mm焊钉的抗剪承载力平均增大约14%和42%,抗剪刚度平均增大约35%和106%.《公路钢结构桥梁设计规范(送审稿)》、规范Eurocode 4和规范AASHTO LRFD中的抗剪承载力设计式均可较为保守地计算大直径焊钉的抗剪承载力,其中Eurocode 4最为保守.试验值与设计值的比值随焊钉直径的增加而减小.     

不同连接程度GFRP-混凝土桥面板力学性能试验研究

提出了一种简便的改进GFRP-混凝土组合板连接程度并进一步改进组合板延性的方法,即通过砾石覆盖率来改变GFRP-混凝土界面的黏结强度,并利用界面黏结失效前后组合板连接机理的变化来改变组合板的弯曲刚度,进一步改变组合板的延性.通过5片足尺T形GFRP-混凝土组合板四点弯曲试验研究了不同连接程度下组合板受力性能的差异.试验中,重点关注了变形、板端滑移、应变分布、破坏模式等力学参量.试验结果表明,尽管无黏结T形GFRP板与混凝土的界面光滑,但GFRP板与混凝土间已表现出部分组合作用.砾石覆盖率的变化可以改变组合板的连接程度、破坏模式、极限荷载及其延性.合理的砾石覆盖率可以使组合板在板端出现滑移前具有很好的抗弯刚度,在出现板端滑移后仍具有较好的变形能力,并且不会显著降低组合板的极限荷载.最后,通过理论方法对组合板的开裂荷载和抗剪承载力进行了计算分析.研究结果表明,理论值与试验值吻合较好.     

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.     

多向受力状态焊钉连接件受力特性分析

 鉴于索塔锚固结构中焊钉受力状态的特殊性,对混凝土竖向承压、水平力及两者共同作用下焊钉连接件的受力特性进行研究。通过对单钉推出试验进行有限元分析,验证了有限元模拟方法的正确性。采用有限元方法,研究了在混凝土竖向承压、水平力及两者共同作用下,焊钉连接件抗剪承载力、剪切刚度以及焊钉变形、应力的变化规律。研究表明,混凝土竖向承压对焊钉连接件抗剪承载力和剪切刚度均产生影响;在幅值变化相同的情况下,水平拉力的变化对焊钉极限承载力的影响显著,而水平压力的变化则对焊钉剪切刚度的作用明显;两种受力状态下焊钉变形和应力分布规律相近;混凝土竖向承压和水平力共同作用下,钢板与混凝土接触状态不同,焊钉连接件抗剪承载力和剪切刚度的变化规律则不同。     

冷轧带肋钢筋混凝土受弯构件疲劳性能的试验研究

对不同配筋率的冷轧带肋钢筋混凝土简支标准梁 (5 5 0mm× 1 5 0mm× 1 5 0mm)进行了等幅疲劳荷载试验研究 ,疲劳试验试件 60根 ,试件配筋率分别为 0 % ,0 2 9% ,0 487% ,0 93 4%和1 946% .这批试件的疲劳破坏形式为 :折断破坏、弯拉破坏和剪压破坏 .针对不同的疲劳破坏形式 ,分析了产生不同破坏形式的原因 ,提出了界限配筋率的概念 .受弯构件适当配置冷轧带肋钢筋不仅具有良好的抗裂性能和延性 ,而且其疲劳寿命也有显著的提高 .提出了考虑不同配筋率影响的、可供配筋混凝土路面设计参考的疲劳方程     

桥面板徐变对曲线组合梁桥剪力钉受力性能的影响

钢-混组合梁桥中桥面板与钢主梁通过剪力键连接,混凝土板徐变效应会对剪力键内力产生影响。为探究这种影响,本文以某座钢-混组合曲线梁桥为背景,使用ANSYS建立精细化实体有限元模型,按金属蠕变原理模拟混凝土板徐变效应,在考虑施工阶段的基础上研究混凝土板徐变效应下剪力钉的力学行为。研究表明：钢纵梁处剪力钉横桥向徐变内力约为顺桥向2.0倍,但徐变内力变化趋势均相同即每跨跨中向两侧支点逐渐递增,徐变内力极值均出现在支点湿接缝附近剪力钉上。钢横梁剪力钉横桥向、顺桥向内徐变内力均由横截面中线向两侧逐渐增加,但受“弯扭耦合”影响,横梁内、外侧剪力钉徐变内力相反。徐变影响下全桥剪力钉顺桥向徐变滑移分布较横桥向更加均匀,绝大多数剪力钉顺桥向徐变滑移量仅为横桥向的30%~50%。混凝土板徐变效应对剪力钉内力影响随时间的增加而减弱,内力影响最大是成桥初期3个月;增加混凝土板预制龄期可显著降低成桥时剪力钉的徐变内力,推荐采用龄期为180d的桥面板,并计入10年徐变效应可满足工程要求。     

剪力连接件对预应力钢—混凝土组合梁受力性能的影响

概述组合梁剪力连接件研究与理论模型发展 ,指出剪力连接件形式、剪切滑移效应、剪力连接程度等因素影响预应力钢—混凝土组合梁挠度变形、强度、延性等受力性能 ,并阐述现存问题 .