约束型PBL连接件受力性能与计算方法研究

发布时间：2020-05-25 04:38

【摘要】：PBL连接件具有抗剪刚度大、极限承载能力高、延性好、抗疲劳性能优异、施工简便等优点,在钢-混凝土组合结构和混合结构桥梁中的应用日趋广泛。已有研究表明,与应用于钢-混凝土组合梁、板结构中的叠合型PBL连接件相比,应用于钢-混凝土结合段等结构中的约束型PBL连接件具有更高的承载力和更好的变形能力。但由于其力学性能的影响因素多,其承载机理尚不明确,不同的承载力计算方法结果差异较大。为此,本文依托国家重点研发计划项目:城市桥梁、停车设施钢结构体系及工程示范(2016YFC0701202),在分析总结了PBL连接件相关研究的的基础上,提出了量化PBL连接件约束状态的约束系数,通过13组共39个推出试验,结合精细有限元方法,系统研究了约束型PBL承载机理和滑移变形行为,分析了约束型PBL连接件在结合段等结构中的力学行为,并基于部分组合理论提出结合段界面滑移简化计算方法;最后,基于承载力模型和变形模型提出了极限承载力、极限滑移、荷载-滑移全曲线以及割线刚度的计算方法。主要的研究工作及成果如下:基于推出试验,研究了开孔形状、开孔尺寸、约束效应、混凝土强度和是否设置贯穿钢筋的影响。试验结果表明:混凝土榫沿贯穿钢筋方向所受到的约束强弱是造成叠合型连接件和约束型连接件力学性能差异的最主要原因。由于约束型连接件混凝土榫受到良好的约束,增大混凝土榫几何尺寸能够显著提高其承载力,同时又不会削弱其变形能力,即使在不设置贯穿钢筋的情况下仍然具有较高的承载力和良好的延性;开孔形状对极限承载力影响较小,但是对破坏模式和刚度影响显著,加长型PBL连接件抗剪刚度远低于同面积的加宽型PBL连接件。基于精细有限元模型分析了PBL连接件受力性能的主要影响因素以及承载机理,有限元分析表明:沿贯穿钢筋方向的约束效应对连接件承载力起主要控制作用;开孔板高厚比直接决定了混凝土榫受剪和局部承压的相对强弱关系,对混凝土榫弹、塑性阶段刚度以及极限滑移都起决定性的影响;混凝土榫抗剪强度随着开孔面积的增加而减小,受凝土榫高宽比的影响较小;沿贯穿钢筋方向的约束较强时,贯穿钢筋所受轴力远小于剪力,接近于纯剪状态;极限状态下,混凝土榫剪胀导致的钢-混凝土界面分离位移显著,界面粘结、摩擦力对连接件极限承载力贡献较小,约束型PBL连接件承载力主要由混凝土榫和贯穿钢筋提供。建立了典型结合段和钢锚板结构精细化有限元模型,研究结构中连接件所处的约束状态和力学性能,分析连接件布置规律对其力学性能的影响。研究结果表明:结合段外包钢箱对连接件约束状态起控制作用,当结合段处于弹性阶段时,PBL连接件沿加载方向受力差异较大,进入塑性阶段后界面剪力分布趋于均匀;连接件布置间距和位置对承载力影响较小;在约束系数一致的情况下,结合段模型中PBL连接件与推出试件承载力吻合良好;钢锚板式钢-混组合索塔锚固结构中,PBL连接件沿贯穿钢筋方向约束主要由钢锚板上下两侧的贯穿钢筋方向普通钢筋和混凝土提供,靠近钢锚板上下两端的连接件受到的约束更强,承载力更大;针对钢锚板结构中PBL连接件提出的约束系数计算方法没有考虑混凝土抗拉作用,结果偏于保守。基于部分组合理论得到了结合段滑移分布解析解,解析解与试验及有限元分析结果吻合良好。并基于滑移分布解析解分析了钢构件刚度、混凝土构件刚度、连接件抗剪刚度对滑移分布规律的影响。参数分析表明:界面刚度和结合段长度的增大可以减小最大滑移值,增大连接件承担的荷载比例,但同时也降低整个连接件群的有效利用率。最后提出了最大滑移,结合段连接件有效利用率以及连接件承担荷载的比例简化计算公式。基于推出试验结果,考虑了约束强度、开孔形状、开孔尺寸、开孔板厚度、混凝土强度、贯穿钢筋尺寸和强度等参数的影响,得到混凝土榫和贯穿钢筋的极限承载力和极限滑移计算公式。承载力计算公式中引入了指数以考虑影响因素与承载力之间的非线性关系,在参数变化范围较大的情况下依然具有良好的计算精度。刚度计算公式中考虑压缩变形和剪切变形的影响,能够准确反映不同形状和不同尺寸PBL连接件的刚度特征。以极限承载力和极限滑移为基准,对试验中得到的混凝土榫和贯穿钢筋荷载-滑移曲线进行无量纲处理,根据无量纲荷载-滑移曲线特征构造函数并通过回归分析得到荷载-滑移曲线表达式,能够反映约束型PBL连接件荷载-滑移曲线的主要特点。
【图文】：

连接件,结合段,钢-混凝土组合梁

著的技术经济效益，在桥梁结构中得到了日益广泛的应用。组合结构中，剪力连接件是连接钢构件与混凝土构件并使两者协同受力形成组合作用的关键构件。目前常用的连接件有栓钉连接件、PBL连接件（图1.1）以及型钢连接件等。其中PBL连接件由德国的研究人员Leonhardt等人于1987年提出[1]，德文名称为“PerfobondLeiste”，因此国内相关文献中通常根据其德文简写称其为“PBL连接件”或根据其结构特点称其为“开孔钢板连接件”。由于PBL连接件具有抗剪刚度大、极限承载能力高、延性好、抗疲劳性能优异、施工简便等优点，在组合梁、混合梁、组合拱肋以及组合索塔锚固区等大跨径桥梁组合结构中得到了广泛应用。(a) 组合梁中的 PBL 连接件 (b) 结合段中的 PBL 连接件图 1.1 钢-混凝土组合梁与结合段中的 PBL 连接件Fig. 1.1 Perfobond connector in steel-concrete composite beams and jointsPBL连接件一开始主要作为钢梁与混凝土桥面板间的连接件兼加劲肋应用到组合梁中，随着对PBL连接件研究的深入，在疲劳性能要求高，所需传递剪力较大的区域均开始积极采用PBL连接件。如采用钢—混凝土混合结构的主梁、索塔以及拱肋结合部主要使用PBL连接件。斜拉桥如果采用钢锚箱、钢锚梁或者钢锚板等结构作为索塔锚固体系时，大部分也会使用PBL连接件。表1.1列出了国内外部分采用PBL连接件的桥梁。由于PBL连接件广阔的应用前景，针对PBL连接件的相关研究也得到国内外学者的广泛关注[2, 3]。组合结构中钢与混凝土结构的组合作用由连接件分布规律和单个连接件的荷载-滑移曲线特征决定[4-9]。PBL连接件的荷载-滑移曲线特征由其中的混凝土榫、贯穿钢筋及其所处的约束状态共同决定[1, 10-12]。对于混凝土榫

连接件,试件

1 绪论所示，下文统称为叠合型PBL连接件推出试件。图中y方向贯穿钢筋方向，z方向为加载方向。而对于混合梁结合段或者钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系等结构中的PBL连接件，，其x和y方向的约束强于组合梁结构中的PBL连接件，导致力学性能差异显著。因此国内学者采用图1.2(b)所示推出试件研究其力学性能[12, 14, 15]，下文统称为约束型PBL连接件推出试件。图1.2(b)所示泡沫的作用在于避免开孔板端部与混凝土接触受力。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9

【参考文献】