港工钢管桩与上部结构剪力键连接方式的设计方法研究

摘要

钢管桩以自身抗拉、抗压强度高，抗弯、抗剪能力强等优势在港工工程结构中得到了广泛、迅速的应用。然而，钢管与上部结构的连接部分一直关系着整个结构的安全与稳定，也是结构正常使用的基础。钢管桩与上部结构的连接方式中一种形式就是采用剪力键连接，剪力键的连接方式国内外相关规范尚无明确规定，也没有完整的计算理论。因此，关于钢管桩与上部结构剪力键连接的设计方法研究，具有重要的意义。
　　本文探讨了剪力键连接方式的破坏模式，分析总结了其破坏机理。在研究钢管受力过程中，以广义胡克定律为基础，基于一定假设条件推导了核心混凝土在轴力作用下轴向应力与环向应力的关系表达式，得到混凝土作用在钢管上的径向力。将弹性地基梁比拟法应用到解决钢管问题上，把钢管看作弹性地基上的梁，选用SAP2000有限元分析软件对钢管不同受力模式进行数值模拟。通过施加不同轴向力，得到不同荷载作用下钢管剪力键处的环向应变的数值模拟结果，与实验实测应变值相比较，验证轴力作用下钢管近似分析方法的有效性。结果显示:钢管近似分析方法得到的结果与实验实测结果比较接近且具有相同的变化规律，并发现钢管在剪力键处环向应变值最大。钢管在轴力作用下的近似计算方法可用来计算剪力键连接处钢管的受力、位移、应力、应变，为剪力键连接的钢管承载力计算及设计方法提供参考。
　　本文运用轴力作用下钢管近似分析方法来研究连接处设置多个剪力键的受力特性，将总轴力按不同比例分配到各个剪力键来承担，研究发现:更靠近端部的剪力键承担的轴力超过总轴力的一半，且随着轴力的增大所占轴力的比值也越来越大;剪力键间距越小，更靠近桩顶的剪力键所承担的轴力占总轴力的比越大。剪力键连接处的应力集中不容忽视，本文在研究中发现剪力键与钢管在焊接连接处，应力集中系数约为1.9～2.1。
　　本文提出的轴力作用下钢管近似分析方法，以及此方法在研究剪力键连接相关问题中的应用都将为剪力键连接的设计方法提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 钢管桩与上部结构剪力键连接问题研究背景

1．2 钢管桩与上部结构剪力键连接问题的研究现状

1．2．1 钢管混凝土粘结性能研究现状

1．2．2 剪力键连接方式的研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 研究目的与意义

第二章 钢管桩与上部结构的剪力键连接及其受力特征

2．1 钢管桩与上部结构的剪力键连接方式

2．2 剪力键的形式

2．3 剪力键连接的破坏模式

2．3．1 剪力键处混凝土的压碎破坏

2．3．2 剪力键处水泥砂浆的折断破坏

2．3．3 剪力键间混凝土的剪切破坏

2．3．4 剪力键处钢管的屈曲破坏

2．3．5 剪力键连接的其他破坏

2．4 剪力键连接的承载力

2．4．1 灌浆套筒剪力键连接的承载力

2．4．2 钢管与上部结构剪力键连接的承载力

2．5 本章小结

第三章 Gebman针对剪力键连接的实验研究

3．1 实验概况

3．2 试验模型设计

3．3 模型制作

3．3．1 主要材料及性能要求

3．3．2 实验试件装置

3．4 数据采集

3．5 实验加载

3．6 本章小结

第四章 轴力作用下剪力键连接的钢管近似分析方法

4．1 剪力键连接的钢管近似分析方法

4．1．1 剪力键连接处混凝土的受力性能研究

4．1．2 弹性地基梁计算理论与方法

4．1．3 基本微分方程及其解

4．1．4 弹性地基梁法在壳体结构的应用

4．2 有限元模型的建立

4．3 数值模拟计算结果分析

4．3．1 混凝土在径向与环向均无应变条件下的应力关系

4．3．2 混凝土在无径向应变有环向应变条件下的应力关系

4．3．3 混凝土在径向与环向均有应变条件下的应力关系

4．4 数据总结分析

4．5 本章小结

第五章 剪力键连接的钢管近似分析方法应用

5．1 多个剪力键承担轴力的研究

5．1．1 有限元模型的建立

5．1．2 剪力键承担轴压力

5．1．3 轴压力作用下数值模拟计算结果

5．1．4 剪力键承担轴拉力

5．1．5 轴拉力作用下数值模拟计算结果

5．2 剪力键应力集中问题的研究

5．2．1 应力集中

5．2．2 剪力键处钢管应力集中数值模拟

5．3 本章小结

第六章 弯矩作用下剪力键连接的承载性能

6．1 钢管混凝土的约束效应系数

6．2 钢管混凝土承载力性能

6．2．1 钢管混凝土的轴压承载力

6．2．2 钢管混凝土的抗弯承载力

6．3 剪力键连接的抗弯承载力

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果