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预制装配式钢-混凝土组合梁栓钉抗剪连接件推出试验研究
 
 
[修改时间:2019-11-20 浏览次数:106]
 
 
第 1 章 绪论

1.1 概述
钢—混凝土组合结构是在混凝土结构和钢结构基础上发展起来的一种新型结构形式[1]。
钢—混凝土组合结构通过抗剪连接件将钢筋混凝土构件与钢构件组合,抗剪连接件不仅能够提供钢筋混凝土构件和钢构件之间的剪力,同时具有抵抗两种构件之间掀起的作用,使混凝土与钢材协同工作共同受力。在组合结构受拉区布置钢材,受压区布置钢筋混凝土,充分利用了钢结构和混凝土结构的优点,相比于普通的混凝土结构,钢—混凝土组合结构具有结构自重轻、构件的截面尺寸小、承载能力高、刚度大、延性和抗震性能好,且钢材具有绿色环保、材料回收利用率高等优点,应用于多高层建筑、大跨结构、高耸结构、桥梁结构等结构工程领域优势明显,并且更容易实现结构的“便于拆卸”和“可修复性”[2] [3]。
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1.2 钢-混凝土组合梁的发展应用
钢-混凝土组合结构最早于美国和欧洲国家发展起来,在美国、日本和加拿大等欧洲国家应用广泛。
钢-混凝土组合梁的研究可以追溯到 20 世纪初,随着发达国家经济的快速发展,涌现了大量以钢结构为主的高层建筑和大跨结构,但钢材在高温下性能差,容易因为火灾而出现结构失稳倒塌,便有学者提出在钢构件外包裹混凝土的方法来提高钢结构在高温下的性能。
20 世纪初到 30 年代,加拿大学者通过试验研究发现,钢-混凝土组合梁中钢梁和混凝土之间是通过粘结力进行共同作用的,英国学者在钢梁翼缘布置剪力连接件将钢梁和混凝土板组合,试验结果发现采用剪力连接件可以提高组合梁的受力性能。20 试件 30 年代末期,由于认识到抗剪连接件能够增强组合梁的工作性能以及提高组合梁的极限承载力,学者们开始将研究重点放在不同类型的剪力连接件上,并提出了不同类型的剪力连接件构造形式,而且不同形式构造的剪力连接件均能较好的用于组合梁中。
20 世纪 40 年代,在大量学者研究成果的基础上,各国开始制定关于组合梁的规程、规范和标准。美国于 1944 年将有关组合梁设计条文列入美国洲际公路协会的《公路桥涵》(AASHTO)中,之后德国的《桥梁结构设计规范》中也加入组合梁的设计条文。美国和德国分别于 1946 年和 1956 年将组合梁设计内容加入到房屋设计规范中。到 20 世纪 60 年代,组合梁结构设计趋于成熟,国际上成立了组合结构委员会,并颁布了组合结构规范“Composite Structure”[4]。20 世纪 80 年代中期,欧洲共同体委员会(CEC)在组合结构规范的基础上,于1985 年首次正式颁布了关于钢-混凝土组合结构的设计规范“Eurocode 4”[5],这是世界上第一本最完整的组合结构设计规范,并于 2004 年对此规范进行修订。
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第 2 章 试验概况

2.1 试验设计
2.1.1 试件设计
影响栓钉剪力连接件力学性能的因素主要有栓钉的直径和混凝土强度,本文试件的设计参照欧洲 EC4[5]中的标准推出试件,并根据试验的实际需求对试件的设计作出了部分修改,钢筋混凝土板的设计强度等级为 C40,板中采用直径10mm 的 HRB335 级钢筋,钢筋网采用点焊的方式,推出试件尺寸以及配筋如图2.1 所示,不同试件的连接构造形式如图 2.2 所示。

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2.2 试验现象
2.2.1 现浇混凝土板推出试验现象
(1)NS-13 试件在循环加载过程中可以听到试件发出轻微的响声,说明此时已经克服钢梁翼缘和混凝土板界面之间粘结力,循环加载完作动器位移读数为 4.63mm,改用速率为 0.3mm/min,作动器位移为每级 0.6mm 的位移控制方式进行加载。当作动器位移为 7.1mm 时,由于浇筑时施工原因,钢梁翼缘表面与混凝土表面并未绝对平齐,钢梁翼缘下方混凝土被挤压产生轻微响声;当作动器位移加载到 10.1mm 时,栓钉承载力开始下降;作动器位移加载到 11.3mm 时,试件连续发出两声响声,说明有一侧钢梁上的两根栓钉已经被剪断,随后“砰”一声剩余两根栓钉也被剪断,四根栓钉断裂部位均在栓钉根部,并没有出现焊缝处破坏,说明栓钉的焊接牢靠,混凝土板上栓钉根部处的混凝土不同程度上的被压碎,两侧混凝土板内外侧均未出现可观测到的裂缝。
(2)NS-16 在循环加载过程中与 NS-13 试件相同可以听到试件发出轻微的响声,说明已经克服钢梁翼缘和混凝土板界面之间粘结力,最后一次循环加载完后作动器的位移为 5.0mm,然后采用位移控制的方式继续加载。当作动器位移为 6.2mm 时,钢梁翼缘下端混凝土板表皮开裂,说明此时钢梁和混凝土板之间已经产生相对滑移;作动器位移为 6.8mm 时,钢梁翼缘下方混凝土板表剥落,继续加载到作动器位移为 9.8mm 时,左右两侧混凝土板外侧均出现可观测到的竖向裂缝,裂缝从板的中部位置发展到混凝土板底;作动器位移为 10.4mm 时,观测到右侧混凝土板底端位置处局部混凝土被压碎;作动器位移为 11.0mm 时,试件发出轻微响声,为栓钉根部混凝土被压碎的声音,右侧混凝土板外侧裂缝开始向混凝土板上方发展,此时承载力继续上升;加载至作动器位移为 13.4mm时,承载力开始出现急剧下降,一声巨响,右侧栓钉全部剪断,破坏瞬间试件向右侧混凝土板倾斜,左侧混凝土板底部被压碎,同时混凝土板外出现横向贯穿裂缝,原因为试件倾斜导致左侧混凝土板受弯,NS-16 试件破坏时栓钉剪断的声音比 NS-13 更大,破坏时现象也更加明显,混凝土板裂缝的发展也比较多,如图 2.18 所示。

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第 3 章 推出试验结果分析............................ 30
3.1 破坏形态....................................30
3.2 荷载-滑移曲线............................ 31
3.2.1 现浇混凝土板推出试验荷载-滑移曲线...........................31
3.2.2 预制装配式混凝土板不同孔径比推出试验荷载-滑移曲线...................32
第 4 章 推出试验有限元模型建立与验证......................... 47
4.1 引言.......................................474
.2 有限元软件介绍.......................................47
4.3 材料本构.................................48
第 5 章 结论与展望................................. 65
5.1 结论........................................65
5.2 研究展望...............................66

第 4 章 推出试验有限元模型建立与验证

4.1 引言
在建筑结构领域,试验研究和有限元模拟分析是最重要的两种研究方法,而在实际科研过程中,由于试验条件、试验水平以及试验成本的限制,很多情况下不能理想的模拟出试验的边界条件和加载条件,在试验过程当中也避免不了出现各种误差,并且在试验过程当中很难对试件内部的情况进行实时的观测,随着科学技术和计算机技术的高速发展,用有限元对结构进行分析的方法越来越普遍,ABAQUS 作为最常用的有限元分析软件之一,不仅能够解决上述试验过程中遇到的问题,而且可以模拟不同荷载工况和边界的试验条件。
本章将采用大型通用有限元分析软件 ABAQUS 对预制装配式钢-混凝土组合梁栓钉剪力连接件推出试验进行模拟分析,对推出试验有限元模型的建立进行介绍,将有限元模拟出的变形以及荷载-滑移曲线和试验所得结果进行对比分析,验证模型的正确性。
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第 5 章 结论与展望

5.1 结论
本文进行了共进行了 24 个栓钉剪力连接件的推出试验,其中包括 6 个现浇混凝土组合梁推出试件和 18 个预制混凝土板组合梁推出试件。从试验结果的荷载-滑移曲线预制装配式组合梁栓钉抗剪连接件的力学性能,并非线性有限元分许软件 ABAQUS 对推出试验进行模拟分析,通过分析所得的荷载-滑移曲线、抗剪承载力以及抗剪刚度,本文得出以下结论:
(1)根据推出试验的结果表明:试件的破坏形态分为栓钉剪断和栓钉剪断,混凝土开裂两种形态,随着栓钉直径的增大,抗剪刚度、抗剪承载力以及极限滑移量也增大,混凝土板的裂缝也越更多,预制装配式混凝土板裂缝均由预留孔位置处向混凝土板其他部位发展。
(2)所有试件的破坏都是由栓钉剪断破坏控制,所以施工误差对于栓钉的抗剪承载力影响比较小;由于 HPG 强度和弹性模量都比混凝土板大,预制装配式推出试件栓钉的抗剪刚度均大于现浇混凝土板推出试件,施工误差对于栓钉抗剪刚度的影响比较大,控制施工误差能够有效的提高栓钉抗剪刚度,所以在实际施工过程中应当严格控制试件尺寸,防止出现连接件在预留孔中位置偏差过大。
(3)预制装配式组合梁推出试件具有良好的抗剪承载力,试验结果高于各国规范公式计算的理论值,通过和各国规范进行对比分析,美国规范 AISC360-05可以用于预制装配式组合梁栓钉剪力连接件的设计计算,本文试验中得出的最优孔径比在 4.6 左右。
(4)通过非线性有限元软件 ABAQUS 进行了 8 个推出试验的模拟,模拟得到的破坏形态与试验结果比较符合,栓钉根部发生较大的剪切变形,栓钉根部处混凝土受压变形,预制装配式混凝土板试件有限元模型中混凝土板的变形呈扇形发展,预留孔较大时,混凝土的变形主要为预留孔内 HPG 的变形。模拟得出的荷载-滑移曲线和试验结果比较符合,其中 16mm 直径栓钉预制装配式混凝土组的模拟结果和试验结果最为符合,本文所用模型可以用于预制装配式组合梁推出试验的模拟。
参考文献(略)
 
 

 

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