装配式组合梁剪力连接件的传力机制与计算方法研究

摘要

装配式和组合结构可谓世界桥梁发展的两大趋势，其中装配式钢-混凝土组合梁更成为工程中的研究热点。而剪力连接件作为组合梁中重要的组成部分，其受力性能直接影响组合梁的整体工作性能，由于构造复杂，影响因素众多，至今还缺乏完整的研究体系。且现有研究成果多针对剪力连接件垂直布置于钢梁上翼缘的情况，对其它布置情况的剪力连接件设计算法尚不够完备，特别是对剪力连接件存在被动约束情况下的受力机理、传力机制以及受纵向剪力和竖向上拔力共同作用时的受力算法的研究还有待深入。本文以装配式钢-混凝土组合梁中剪力连接件为研究目标，对其传力机制与计算方法展开研究，主要内容如下:
　　(1)通过两类8组共24个剪力连接件模型试件的推出试验，研究了剪力钉水平布置的装配式剪力连接件（以下简称HS试件）和剪力钉竖向布置的常规剪力连接件（以下简称VS试件）两类试件的抗剪行为。试验表明，与VS试件相比，HS试件在推出力作用下表观裂缝出现较晚，极限承载力更大，荷载-滑移曲线的屈服平台较长，剪力钉剪断后试件仍能承担部分推出力。根据试验数据的分布特征，提出两段式荷载-滑移本构关系统计曲线;探讨了弹-塑性阶段的抗剪刚度特征系数分析方法。
　　(2)基于本文和收集的72组剪力连接件推出试验数据的统计分析，对剪力钉剪断和混凝土局部压碎两种破坏模式下的剪力钉现有计算方法进行了评估，对不同情况下设计算法提出了建议;系统分析了剪力钉直径、钢板横向间距、混凝土强度，以及钢板与混凝土接触界而特性对试件抗剪性能的影响，发现剪力钉直径和接触界面特性对试件承载力影响显著，结合界面的摩擦对HS试件承载力有较大贡献;计入HS试件两竖钢板间混凝土受约束和界面摩擦作用的影响，提出HS试件抗剪承载力的修正计算公式。
　　(3)通过5组钉群剪力连接件推出试验，研究了在装配式组合试验构件中，剪力沿钢板纵向传递的规律;发现弹性阶段剪力传递钢板沿构件纵向在各排剪力钉处的应变服从“洛伦兹”分布，弹-塑性阶段滑移呈线性分布，据此推导了弹性和弹-塑性两个阶段钉群剪力分配的计算公式;分析表明构件各排钉的荷载分配不均匀性呈现初始显著，随后期荷载增大逐渐趋于稳定的非线性分布特征。
　　(4)通过6组共计10个HS试件的静力循环荷载试验，研究了循环荷载的上限和循环作用次数对HS试件的滑移及抗剪刚度的影响;结果表明，在正常使用荷载的循环作用下，HS试件表现弹性行为，荷载-滑移关系基本为重复的斜直线;循环荷载上限超过弹性承载力后，试件的最大滑移和残余滑移均随荷载上限呈非线性增长;在同一上限的多次循环荷载下，试件的刚度退化率随着循环次数的增加而逐渐减小;基于试验数据的统计分析建立了刚度退化与循环荷载上限及循环次数的关系式。
　　(5)开展了装配式钢-混凝土组合构件的受载性能试验研究，采用数值模拟的方法对比分析了装配式钢-混凝土组合简支梁和常规钢-混凝土组合简支梁的受载性能;根据经典力学理论，研究了两类组合梁中剪力钉抗剪性能的差异;针对均布荷载作用下的装配式钢-混凝土组合简支梁，建立了计算水平剪力钉上拔力的微分方程组，利用克拉姆法则求解微分方程得到水平向设置剪力钉上拔力的理论计算表达式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 钢-混凝土组合桥梁的发展

1．2 剪力连接件的发展

1．2．1 剪力连接件的基本形式

1．2．2 适于装配式施工的剪力连接件

1．3 剪力连接件的研究现状

1．3．1 抗剪机理试验研究

1．3．2 抗剪承载力计算方法

1．3．3 荷载-滑移本构关系及抗剪刚度

1．4 本文主要研究内容

第二章 装配式剪力连接件推出试验研究

2．1 剪力连接件推出试验方案

2．1．1 试件设计与制作

2．1．2 加载及测试方案

2．2 一次性加载下试件的力学行为

2．2．1 受载行为特征分析

2．2．2 试件破坏情况

2．3 试验结果分析

2．3．1 滑移性能

2．3．2 抗剪刚度

2．3．3 抗剪承载力

2．4 本章小结

第三章 装配式剪力连接件的承载力计算方法

3．1 破坏模式与承载力

3．1．1 破坏过程

3．1．2 破坏模式

3．2 影响极限承载力的因素分析

3．2．1 主要影响参数

3．2．2 各参数的影响程度

3．2．3 钢-混凝土界面粘结特性的影响

3．3 界面摩擦提供的残余承载力分析

3．3．1 测试方法

3．3．2 结果分析

3．4 抗剪承载机理分析

3．4．1 版肋混凝土的约束效应

3．4．2 钢板与混凝土的界面作用

3．5 抗剪承载力计算方法

3．5．1 计算公式

3．5．2 算法评估

3．6 本章小结

第四章 装配式剪力连接件钉群的传力规律研究

4．1 装配式剪力连接件群钉效应试验研究

4．1．1 推出试验情况

4．1．2 应变分析

4．1．3 滑移分析

4．2 装配式钢-混凝土组合构件纵向抗剪的数值模拟

4．2．1 分析模型建立

4．2．2 模拟结果分析

4．3 装配式组合构件中剪力钉的荷载传递模型

4．3．1 弹性阶段的传力机制

4．3．2 弹性阶段基于“洛伦兹”的应变分布

4．3．3 弹-塑性阶段的传力机制

4．3．4 弹-塑性阶段的应变分布

4．4 剪力钉的荷载分配算法

4．4．1 多排剪力钉的荷载分配

4．4．2 各排剪力钉荷载计算

4．4．3 群钉效应对抗剪性能的影响

4．4．4 钉群荷载分配不均匀性计算

4．5 本章小结

第五章 装配式剪力连接件在循环荷载下抗剪性能研究

5．1 循环荷载试验

5．1．1 试件设计

5．1．2 正常使用下的上限荷载

5．1．3 上限逐次递增循环加载方案

5．1．4 分级变幅循环加载方案

5．2 循环荷载作用下的受力行为

5．2．1 上限逐次递增循环加载下的受力行为

5．2．2 分级变幅循环荷载下的受力性能

5．2．3 循环荷载对试件抗剪性能的影响

5．3 弹性阶段循环荷载作用下的抗剪性能

5．4 弹-塑性阶段循环荷载作用下的抗剪性能

5．4．1 变形性能

5．4．2 刚度变化规律

5．5 构件的刚度退化规律及延性分析

5．5．1 刚度退化规律分析

5．5．2 结构的延性分析

5．6 本章小结

第六章 装配式组合梁中剪力连接件的力学性能研究

6．1．1 试件的设计与制作

6．1．2 加载方案与测试方法

6．1．3 变形测试结果

6．1．4 应变测试结果

6．2 装配式组合简支梁的数值模拟

6．2．1 模型建立

6．2．2 材料本构

6．2．3 对比试验模型

6．3 两类组合简支梁在均布荷载下的受力分析

6．3．1 两类组合简支梁的应力及变形比较

6．3．2 两类组合简支梁剪力钉的受力特点

6．4 组合梁中剪力钉的纵向剪力传力机制

6．5 装配式简支组合梁中剪力钉的受力力模型

6．5．1 模型推导

6．5．2 模型的求解

6．6 装配式组合桥梁中剪力连接件的应用

6．6．1 装配式组合简支梁桥应用实例

6．6．2 剪力连接件构造

6．6．3 设计计算

6．6．4 布置形式

6．6．5 装配式组合简支梁桥的荷载试验

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 进一步的展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果