钢-混凝土组合梁开孔板连接件抗剪承载力计算研究.pdf
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1、第 1 2卷第 4期 2 0 1 5年 8月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra il wa y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g Volu me 1 2 Nu mb e r 4 Au g u s t 2 0 1 5 钢一 混凝土组合梁开孔板连接件 抗 剪承载力计算研究 王采 , 寇立亚 , 胡夏闽 ( 1 南京工业大学 土木工程 学院, 江苏 南京 2 1 1 8 1 6 ; 2 江苏城 市职业学院, 江苏 南京 2 1 0 0 3 6 ) 摘要: 为研究开孔板连接件的受力性能, 建立其抗剪承载力计算方法。设计制作6
2、个推 出试件, 完成单调加载试验。试 件的变化参数为开孔孔径、 板厚和孔洞个数, 并研究分析各试验参数对开孔板连接件的破坏形态、 荷载滑移特性、 受剪承载 力和刚度的影响, 以及横向贯通钢筋应变随荷载变化规律。研究结果表明: 开孔板连接件具有很好的延性; 各个试件的破 坏形态大致相 同, 破坏 时钢梁与混凝土板 出现明显相 对滑移, 钢梁上段 与混凝土板 分离, 混凝土板发 生劈裂破坏 ; 孔洞 直径 和孔洞个数是影响开孔板 连接件抗 剪承载 力和 刚度的重要 因素 ; 通过对试件在 受荷初期的荷栽 一滑移 曲线分析 , 定 义开孔 板连接件的抗剪刚度。最后, 分析对比国内外开孔板连接件抗剪承
3、载力计算公式。基于4 9个模型试验提 出了新的开孔板 连接件抗剪承载力的计算公式, 该式考虑因素全面, 物理意义明确, 与试验结果吻合良好。 关键词: 开孔板连接件; 静力推 出试验; 抗剪承载力; 抗剪性能; 计算方法 中图分类号: T U 3 9 8 文献标志码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 8 9 2 0 8 S t u d y o f f o r mu l a f o r t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f p e r f o b o n d c o n n e c t o r s f
4、or s t e el c o n cr e t e c omp os i t e b eams W ANG Ca i ,KOU Li y a ,HU Xi a mi n ( 1 I n s t i t u t e o f C i v i l E n g i n e e r i n g o f N a n j i n g T e c h U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 1 8 1 6 ,C h i n a ; 2 T h e C i t y V o c a t i o n a l C o l l e g e o f J i a n g s u ,
5、Na n j i n g 2 1 0 0 3 6 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :I n o r d e r t o s t u d y t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f p e r f o b o n d c o n n e c t o r s a n d d e ri v e t h e c a l c u l a t i o n me t h o d, s i x t e s t s a mp l e s we r e d e s i g n e d a n d ma d e i n t h i s e x
6、 p e rime n t Be s i d e s,t h e u l t i ma t e b e a r i ng c a pa c i t y t e s t s we r e c o n d u c t e d a s we l 1 Th e p a r a me t e r s i nc l u d e s t h e s i z e o f h o l e st h i c k n e s s o f s t e e l p l a t e a n d n u mb e r o f t h e h o l e s Th e e f f e c t s o f d i f f e
7、r e n t c o n s t r u e t i o na l pa r a me t e r s o n t h e f a i l u r e mo de s1 c a d v e r s us s l i p c h a r a c t e r i s t i c ss h e a r r e s i s t a n c e a n d s t i f f n e s s。a n d v a r i a t i o n r u l e o f t r a n s v e r s e r e b a r s t r a i n we r e ma i n l y s t u d i
8、e d Te s t r e s u l t s s h o w t h a t p e ffo b o n d c o nn e c t o r s h a v e g o o d d u c t i l i t yTh e f a i l u r e mo d e s o f p e r fob o n d c o n n e c t o r s a r e b a s i c a l l y s i mi l a r,o b v i O U S s l i p o c c u r s t o s h e a r c o n n e c t o r s,t h e c o n c r e
9、t e s l a b s mo v e o u t wa r d s a n d l o n g i t ud i na l l y s p l i t Th e s i z e o f h o l e s o n t h e s t e e l p l a t e a n d t h e n u mb e r o f h o l e s a r e t he ma i n f a c t o r s i n fl ue n c i n g t h e u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y a nd s t i if- ne s s o f p
10、 e r f o b o n d c o n n e c t o r s Th e s h e a r s t i f f n e s s o f p e r f o b o n d c o n n e c t o r s i S d e fin e d b a s e d o n t he a n a l y s i s o f l c a d v e r s u s s l i p c u r v e d urin g t h e p r e l i mi n a r y l o a d i n g s t a g e F i n a l l y,t h i s p a p e r d e
11、 v e l o p s t he f o r mu l a f o r c a l c u l a t i ng t h e s h e a r r e s i s t a n c e o f t h e p e r f o b o n d c o n n e c t o r s b a s e d o n 4 9 t e s t r e s u l t s c o l l e c t e d wo r l d wi d e I t i S i n d i c a t e d t h a t t h i s e x p r e s s i o n h a s de fin i t e ph
12、y s i c a l me a n i n g,a n d t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s a g r e e b e t t e r wi t h t h e t e s t r e s u l t s c o mpa r i n g wi t h e x i s t i n g d e s i g n f o r mu l a s Ke y wo r d s :p e ff o b o n d c o n n e c t o r ;s t a t i c p u s ho u t t e s t ;s h e a r r e s i s t
13、 a n c e;s h e a r b e h a v i o r ;c a l c u l a t i o n me t h o d 收稿 日期 : 2 0 1 41 22 5 基金项 目: 江苏省高校 自然科学研究项 目( 1 3 K J B 5 8 0 0 0 2 ) 通讯作者 : 胡夏闽( 1 9 5 8一) , 男 , 浙江安吉人 , 教授 , 从事新型结构和组合结构的研究; Ema i l :v e r b u n d b a u 1 6 3 c o rn 第 4期 王采 , 等: 钢一混凝土组合梁开孔板连接件抗剪承载力计算研究8 9 3 钢一混凝 土组合结构是在钢结构和钢筋混凝
14、 土结构基础上发展起来 的一种新型结构构件 , 其通 过剪力连接件将钢梁和钢筋混凝土翼板连接成整 体共同受力 , 钢梁受拉, 钢筋混凝土翼板承受压力 , 剪力连接件传递两者之间的纵 向剪力 , 保证钢梁和 混凝土翼板共同工作 。目前 , 工程中应用较为广泛 的是栓钉连接件 j , 它具有 良好的变形 能力 , 但经 过长期 的使用 ,也暴露 出很多缺点如抗剪 承载力 小 、 使用荷载作用下变形较大 , 不宜承受疲劳荷 载 等。L e o n h a r d t 等 提出了将设置 圆孔的钢板沿着 作用力方向过焊接方法焊接在钢梁翼缘上、 埋在混 凝土 中作为连接件使用 。这种剪力连接件的抗 剪 承
15、载力 主要 由 4部分组成 : 1 ) 开孔板孔洞 中的混 凝土榫纵 向和竖 向抗剪作用 ; 2 ) 横 向贯通钢筋 的 纵向抗剪作用 ; 3 ) 开孔板底部混凝 土承压作用 ; 4 ) 开孔板表面与混凝土的粘结作用。相 比传统的栓 钉剪力连接件 , 开孔板连接件在力学性能和加工制 作方面都有很大的优势, 并且 由于其 自身形状和尺 寸的特点, 在生产运输 中也不需任何 的防护措施 。 从 2 0世纪 9 0年代开始 , 国内外学者对这种新型的 连接 件 进 行 了 一 系 列 试 验 研 究 和 理 论 分 析 。 H a n s 在 L e o n h a r d t 研究 的基础上 ,
16、根据试验结果 修正 L e o n h a r d提出的开孔板连接件抗剪承载力公 式。O r u e j i o f o r 等 考虑 了孔 洞中横 向贯通钢筋 、 开孔位置、 圆孔数量及混凝土强度等级对开孔板连 接件受力性能的影响。研究结果发现 , 设置贯穿钢 筋 、 提高混凝土强度和增大开孔直径可以提高开孔 板连接件抗剪承载力 , 孔洞间距应最少取为孔径的 2 2 5倍 , 各孑 L 洞 中混凝土才能充分发挥作用 。最 后根据试验结果提出了开孑 L 板连接件 的极限抗剪 承载力计算公式。R o b e r t s 等 进行 了剪力箱的试 验 , 研究了钢板与混凝土间摩擦力对开孔板连接件 抗
17、剪性能的影响 , 同时也研究 了不 同的孔径大小及 贯通钢筋所提供 的横向约束影响。我 国对开孔板 连接件的研究工作起步较晚 , 但随着国内基础设施 的大量建设 , 特别是钢 一混凝土组合桥梁的不断发 展 , 使得工程界对开孔板连接件 的研究 日趋重视 , 目前对开孔板连接件 的研 究也有 了一定 的进展。 薛伟辰等 对开孑 L 板连接件受力性 能展开 了系 统研究 , 分析对 比了不 同试 验参数对其抗 剪承载 力 、 破坏形态的影响, 建立了相应的极限承载力计 算公式 。但 由于试验参数不够全面 , 试验构件不统 一 ,所得 出的试验结果相差较大。各 自提出的极 限 承载力计算公式 , 适
18、用性很窄 , 考虑因素不全面, 物 理意义不明确。本文 以开孔板孔洞直径 、 厚度和孔 洞个数等作为试验变化参数对 6个开孔板连接件 进行静力单调推出试验 , 分析开孔板连接件在受荷 初期的荷载 一滑移曲线特征 ; 观察试件在加载过程 中破坏形态 ; 研究试验变化参数对开孔板连接件的 破坏形态 、 抗剪承载力和抗剪 刚度 的影响; 并整理 归纳 国内外 已有的钢 一混凝土组合梁开孔板连接 件推出试验数据, 提出物理意义明确, 计算精度更 高的开孔板连接件抗剪承载力计算式。 1 试验概况 1 1 试件设计 参照欧洲规范 4附录 B _ 9 中规定的栓钉连接 件推出试验方法来进行试验 , 本次试验
19、共设计和制 作了 6个推出试件 , 同时浇筑 了 1 5 0 m m x 1 5 0 mm 1 5 0 m m C 5 0混凝土立方体试块, 与推出试件同 时养护 , 普通钢 筋和贯通钢 筋采用 HR B 3 3 5级 钢 筋 ,开孑 L 钢板采用 Q 3 4 5 q 。试件设计主要考虑开 孔直径, 厚度和孔洞个数等参数, 试件编号及参数 详见表 1 。试件几何尺寸如 图 1所示 。试 验构件 制作时, 孔中的贯通钢筋通过扎丝固定在圆孔的几 何中心位置 , 在开孔板底部设置 1 2 0 m m的泡沫垫 块 , 用来消除钢板底部混凝土的局部承压作用。 表 1 试件 明细 Ta bl e 1 De
20、 t a i l s o f s pe ci me n s 第4期 王采, 等: 钢一混凝土组合梁开孔板连接件抗剪承载力计算研究8 9 7 变 , 这 主要 是 因为 滑移 沿 竖直 方 向 的传递 和 累 积 导致最下部孔洞 中的横 向贯通钢筋所受荷载 相对较大。 3 ) 靠近开孔钢板的截面 11处的同一根钢筋 的受拉应变远大于其受压应变 , 并且在达到极限荷 载时, 部分试件, 截面 2 2处 的同一根钢筋的上下 两个测点的应变均为拉应变见 图 8 ( b ) , 这表明孔洞 中的横向贯通钢筋在受荷过程 中不仅受到弯 曲作 用 , 而且还受到轴拉作用 。主要原 因是开孔板连接 件在加载过程
21、中, 包裹在贯通钢筋周 围的混凝土限 制贯通钢筋弯曲变形所产生的轴向约束作用力。 ( a ) 试件 P S I , 测点 S G 1 , S G 2 , S G 5 , S G 6; ( b ) 试件 P S I , 测点 S G 4, S G 3, S G 7, S G 8; ( c ) 试件 P S 4, 测点 S G1 , S G 2, S G 5, S G 6; ( c ) 试件 P S 4, 测点 S G 3, S G 4, S G 7, S G 8 图 8 荷载一横 向贯通钢筋应 变曲线 F i g 8 L o a d v e r s u s s t r a i n c u r v
22、 e s o f s t e e l b a r s 3 开孔板连接件抗剪承载力计算公 式 目前 , 国内外学者对开孔板剪力连接件的承载 力作 了一些研究 , 并根据各 自的研究成果提出了抗 剪承载力的计算表达式 , 2 0世纪 9 0年代 , O g u e j i o f o r 和 H o s a i n主要考虑 了开孔钢板底端混凝土的局 部承压 、 混凝土板中的钢筋以及开孔钢板孔洞中混 凝土榫的影响, 并结合 自己的推 出试验结果 , 回归 分析 出公式( 1 ) , 但该式过高地估计 了混凝土的局 部承压和混凝土板 中钢筋对抗剪承载力的贡献 , 故 导致式( 1 ) 的计算结果与试验
23、值相 比偏 高。此后 , O g u e j i o for 和 H o s a i n通过有限元软件对试验结果进 行模拟 , 考虑 了开孔钢板 的高度和厚度对抗剪力的 影响 , 对式( 1 ) 进行了修正, 提出式 ( 2 ) 作为开孔板 连接件抗剪承载力的计算公式。 P u : 0 5 9 0 A 0 f e 1 2 3 3 A 0 2 8 7 n D 、 l e ( 1 ) P =4 5 0h t 。+0 91 A +3 31 n D 。 ( 2 ) 式中: P k N为开孔板剪力连接件的极限抗剪承载 力 ; ram为开孔板连接件的高度 ; t s c m m为开孔 板连接件的厚度 ;
24、MP a为混凝土的圆柱体抗压 强度 ; 4 m m 为贯穿钢筋截 面总面积 ; f y M P a为 横 向钢筋的屈服强度 ; 凡为开孔钢板 的孑 L 洞个数 ; D m m为开孔钢板 的孔洞直径。A 1 一D a r z i 等 在 推出试验 以及有限元模拟的基础上 , 提出了如下 的 开孔板连接件抗剪承载力计算公式 : P =25 5 31+7 6 2 1 0一 h s c t 一 7 5 9 1 0 一 A t 十 2 5 3 + 1 0 一 A 厂 ( 3 ) 式 中: A MP a为开孔板连接件对应 的孔洞中受剪 混凝土的面积。A h n等 考虑孔洞个数 、 孔洞 中 贯通钢筋数量和
25、混凝土强度等因素进行推出试验 , 并将试验结果与现有公式对比 , 回归得到新的抗剪 承载力计算公式 : n P : 3 1 4 h + 1 2 1 A f y + 3 7 9 n T r ( 等) ( 4 ) V e r i s s i m o等 在推 出试验 以及 O g u e j i o f o r 和 H o s a i n提出的计算公式的基础上 , 提出了如下 的开 孔板连接件抗剪承载力计算公式 : h P = 4 0 4 t + 2 3 7 n D + L , A 0 1 6 A 。 + 3 1 8 5 1 0 。 ( 5 ) Ac c 式中: A MP a 为每个开孔板连接件对应
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