钢—混组合结构中PBL剪力键的静力及疲劳性能研究

摘要

本文针对在钢-混组合结构中使用日益广泛的PBL剪力键展开研究，系统地研究了PBL剪力键的静力性能，并对其疲劳性能进行初步探索。
　　论文总结了部分国内外典型的PBL剪力键推出试验，对比了试验结果之间的差异，根据试件构造特点将已有推出试验构造分为两类，设计了不同构造的推出试验来验证两种构造之间的差异。试验结果表明，两种构造的荷载-滑移曲线、极限荷载、极限滑移量以及破坏过程、破坏形态都存在明显差异。造成两种构造试验结果差异的根本原因是剪力键埋置深度不同，剪力键周边混凝土的应力环境不同。对于钢-混结合梁和钢-混结合段中的PBL剪力键，在进行试验研究时应给予区分。
　　在推出试验结果的基础上，对PBL剪力键力学性能的合理定义进行研究，并给出了各种规格PBL剪力键的设计承载力、抗剪刚度、极限承载力和延性系数。分析了PBL剪力键力学性能的影响因素，综合比较了PBL剪力键设计承载力计算公式的研究成果并根据推出试验结果，提出了综合考虑各种影响因素的PBL剪力键设计承载力计算公式。
　　提出了PBL剪力键的双线性弹簧简化计算模型，建立了PBL剪力键集群的荷载-滑移协调模型;将双线性弹簧简化计算模型应用到PBL剪力键集群的荷载-滑移协调模型中，提出了PBL剪力键集群的简化计算方法，验证了这种计算方法的可靠性，并分析了PBL剪力键集群的荷载分布规律及其影响因素。
　　对PBL剪力键的推出试验展开非线性数值模拟，将试验结果与数值分析结果对比，验证了数值模拟的可靠性。通过数值模拟方法再现了PBL剪力键的破坏过程，结合推出试验结果与数值模拟结果，分析了两类试验构造中PBL剪力键在不同受力阶段的传力机理;对PBL剪力键的破坏机理进行了研究，分析了各种破坏模式的起因，归纳了不同构造参数可能引起的破坏模式及力学性能差异。
　　按照正交试验方法设计了PBL剪力键的数值仿真试验以研究构造参数对力学性能的影响，对仿真试验结果的统计分析表明:PBL剪力键设计承载力的显著影响因素是钢板开孔直径、贯穿钢筋直径、混凝土强度以及开孔钢板厚度，抗剪刚度的显著影响因素是混凝土强度、钢板开孔直径、贯穿钢筋直径及开孔钢板厚度。根据PBL剪力键力学性能影响因素的次序、交互作用以及因素指标变化关系，确定了合理的构造参数。结合钢-混组合结构的实际情况，给出了钢-混结合段与结合梁中PBL剪力键的合理参数取值范围。
　　通过18个试件的疲劳试验，对PBL剪力键的疲劳性能进行了研究。疲劳试验得到了不同疲劳荷载对应的疲劳寿命，以及钢和混凝土之间的残余滑移量与疲劳荷载之间的关系。将静力破坏过程与疲劳破坏过程进行对比，研究了PBL剪力键的疲劳破坏机理。利用极差分析与方差分析方法，分析了PBL剪力键构造参数对其疲劳性能的影响，研究发现在混凝土强度等级相同的情况下，钢板开孔直径及厚度是PBL剪力键疲劳性能的主要影响参数，并且开孔直径的影响更大。建立了PBL剪力键的疲劳荷载与疲劳寿命之间的关系表达式，为评估PBL剪力键的疲劳寿命提供了便利。
　　选取残余滑移量作为损伤变量，按照残余滑移量与荷载循环之间的关系建立了PBL剪力键的二阶段线性疲劳累积损伤演化模型。对PBL剪力键疲劳损伤后的静力性能进行了试验研究，研究结果显示，疲劳损伤使得PBL剪力键的承载力有所降低。对于有贯穿钢筋的PBL剪力键，疲劳损伤使得其抗剪刚度增大，而对于无贯穿钢筋的PBL剪力键，疲劳损伤后的抗剪刚度减小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究背景

1．2 PBL剪力键静力性能研究概况

1．2．1 推出试验

1．2．2 结构试验

1．2．3 数值分析

1．3 PBL剪力键疲劳性能研究概况

1．4 PBL剪力键在工程应用中存在的问题

1．5 本文主要研究内容

第2章 PBL剪力键的推出试验研究

2．1 推出试验介绍

2．1．1 标准推出试验

2．1．2 构造A推出试验

2．1．3 构造B推出试验

2．1．4 既有推出试验对比

2．2 推出试验设计

2．2．1 试件构造

2．2．2 加载及测试

2．3 推出试验结果

2．3．1 荷载-滑移曲线

2．3．2 荷载-应变曲线

2．3．3 破坏过程及破坏形态

2．3．4 极限荷载与极限滑移量

2．4 两种构造试验结果比较

2．5 本章小结

第3章 PBL剪力键的静力性能评价指标与计算模型

3．1 静力性能指标的评定方法

3．2 PBL剪力键的静力性能指标

3．2．1 设计承载力

3．2．2 极限承载力

3．2．3 抗剪刚度

3．2．4 延性系数

3．3 静力性能的影响因素

3．4 PBL剪力键承载力公式研究

3．5 PBL剪力键的简化计算模型

3．5．1 单键计算模型

3．5．2 键群计算模型

3．5．3 键群计算方法

3．5．4 键群荷载分布的影响因素

3．6 本章小结

第4章 PBL剪力键的传力、破坏机理

4．1 荷载、滑移与应变的关系

4．2 推出试验的非线性有限元分析

4．2．1 几何非线性问题

4．2．2 材料非线性问题

4．2．3 边界非线性问题

4．2．4 非线性有限元分析模型

4．2．5 荷载-滑移曲线

4．3 承载过程分析

4．3．1 线性阶段

4．3．2 非线性阶段

4．3．3 破坏阶段

4．4 传力破坏机理研究

4．4．1 传力机理

4．4．2 破坏机理

4．5 本章小结

第5章 PBL剪力键的构造参数

5．1 补充推出试验

5．2 非线性有限元参数分析

5．2．1 正交试验设计方法

5．2．2 参数取值

5．2．3 有限元模型的建立

5．3 参数分析结果

5．3．1 荷载-滑移曲线

5．3．2 静力性能结果

5．3．3 试验结果分析

5．4 PBL剪力键的合理构造参数

5．4．1 参数优化组合

5．4．2 因素指标趋势图

5．4．3 参数选取及验证

5．4．4 合理构造参数范围

5．5 本章小结

第6章 PBL剪力键疲劳性能试验研究

6．1 疲劳试验设计

6．1．1 模型参数及试验安排

6．1．2 试验模型构造

6．1．3 模型加载测试方案

6．2 疲劳试验结果

6．2．1 疲劳寿命

6．2．2 残余滑移量

6．2．3 疲劳破坏形态

6．3 疲劳破坏机理

6．4 F-N关系

6．5 PBL剪力键疲劳性能影响因素

6．5．1 试验结果的离散性

6．5．2 混凝土强度

6．5．3 构造参数

6．5．4 疲劳荷载

6．6 本章小结

第7章 PBL剪力键疲劳累积损伤模型

7．1 材料疲劳累积损伤理论

7．1．1 线性疲劳累积损伤理论

7．1．2 双线性疲劳累积损伤理论

7．1．3 非线性疲劳累积损伤理论

7．2 PBL剪力键的疲劳累积损伤模型

7．2．1 损伤变量

7．2．2 疲劳损伤演化模型

7．2．3 剩余寿命估计

7．3 疲劳损伤剩余性能研究

7．3．1 试验设计

7．3．2 剩余强度

7．3．3 剩余刚度

7．4 有待进一步研究的问题

7．4．1 损伤等效累积

7．4．2 非确定性疲劳累积损伤

7．4．3 复杂应力环境中PBL剪力键的疲劳性能

7．4．4 键群的疲劳累积损伤

7．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果