钢-UHPC组合结构大直径焊钉剪力连接件力学行为研究

发布时间：2020-05-09 17:41

【摘要】：焊钉是钢-混组合结构桥梁中最常用的剪力连接件。目前较为常用的焊钉直径为16~22mm,然而对于组合结构中剪力较大的区域,若仍采用该类小直径的焊钉,则会造成焊钉布置过密,从而不利于实际施工。此外,随着现代桥梁跨径的增大,所用的混凝土在性能方面的要求也逐渐提高,以至于桥梁结构中越来越多使用到高强钢纤维混凝土(HSSFC)甚至是超高性能混凝土(UHPC)。HSSFC和UHPC与普通混凝土相比,不仅抗压、抗拉强度高,同时在耐久性方面也有很大提高,尤其是UHPC。因此,本文针对大直径焊钉在UHPC中的力学性能进行研究,并与在HSSFC中的力学性能进行对比,主要内容包括:(1)制作8组共24个推出试件,其中改变的参数包括混凝土强度(HSSFC和UHPC)以及焊钉直径(16~25mm),并对所有试件进行了加载,结果表明:所有试件的破坏形态主要包括两种,分别为焊钉剪断破坏和焊缝破坏;不同直径的焊钉在相同类型的混凝土中,抗剪承载力和抗剪刚度均随着焊钉直径的增大而有不同程度的提高,而峰值滑移的变化规律则相反,随着焊钉直径的增大而减小;相同直径的焊钉在不同类型的混凝土中,抗剪刚度随着混凝土性能的提升而有较大幅度的增加,而对于抗剪承载力则提高不明显,峰值滑移更是出现减小的情况。(2)通过ABAQUS建立推出试件的三维非线性有限元模型,从而可以进一步研究分析焊钉和混凝土板的受力情况。根据数值模拟结果发现,随着混凝土强度强度的增加,焊钉的有效受力长度变小,从而导致焊钉钉杆中部上下缘的应变值很小,且变化的趋势也与普通混凝土中的不同。此外,基于有限元模拟进一步增加焊钉的直径以及扩大混凝土强度的范围,从计算结果可以发现,当采用高强或者是超高性能混凝土时,与大直径焊钉组合效果更好。(3)在试验以及有限元计算结果的基础上,对《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中所给的抗剪承载力公式进行修正,同时也给出了抗剪刚度和峰值滑移的计算建议式。最后,利用上述三者的计算公式,并结合考虑峰值滑移与极限滑移的相关性,提出了较为简单的三折线荷载-滑移曲线本构模型的计算方法。
【图文】：

组合结构,桥梁

（c）祥临澜沧江大桥（d）泼河大桥图 1-1 国内组合结构桥梁Fig.1-1 The bridges of compsosite structure in China1.1.2 组合结构桥梁的结构形式近年来，随着组合结构理论的日趋成熟，以及应用范围不断的开拓，已经远不满足于将其应用在普通桥梁中，对于公路桥、铁路桥、公铁两用桥以及人行桥中也均已有涉及。此外，组合结构桥梁的形式也逐渐丰富，从一开始的简支梁桥，到现在的连续梁桥、连续刚构桥、拱桥、斜拉桥以及悬索桥等，截面形式也由原来较为单一的钢板梁逐渐拓宽到钢箱梁、钢桁梁等[9][10]，其不同形式的选取主要取决于跨径、经济性、适用性、美观性等一系列因素。在我国，将钢-混凝土组合结构桥梁大致分为 9 类，除较为常用的组合钢板梁桥和组合箱梁桥之外，还有波形钢腹板组合梁桥、组合桁架梁桥、组合刚构桥、组合斜拉桥、组合结构悬吊桥面系、预应力组合梁桥以及其他较为特殊的形式，图 1-2 为几类较为经典的结构形式[11]。

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（e）组合桁架桥（f）组合刚构桥图 1-2 组合结构桥梁的典型形式Fig.1-2 Typical form of steel-concrete composite bridge1.3 钢-混凝土组合结构桥梁的受力特点桥梁结构的建造材料主要包括钢材和混凝土。对于钢材，其抗拉性能较好，而对于土，则抗压性能较好，故若单一的使用其中一种材料进行桥梁的建造，，则会造成结构能往往受到材料性能的不足而有所欠缺。图 1-3 混凝土梁、钢梁和组合梁受力及其破坏模式示意图ig.1-3 The mechanical character and failure model of concrete, girder and steel-concrete composite bea对于常见的钢筋混凝土梁、钢梁以及钢-混凝土组合梁，其基本受力特点如图 1-
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441

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