钢-UHPC组合结构栓钉剪力键抗剪性能分析与试验研究

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钢-UHPC组合结构指通过剪力键将钢梁和超高性能混凝土(UHPC)板连接成整体共同受力的新型结构,与传统钢-混凝土组合结构相比,UHPC的应用不仅能够延缓裂缝的扩展、提高结构的刚度,还能提升整体结构的耐久性和使用寿命。栓钉作为组合结构的关键部位,其主要作用是传递钢梁与UHPC板间的纵向剪力,防止二者间出现竖向分离,研究其在钢-UHPC组合结构中的力学性能至关重要。本文依托陕西省自然科学基础研究重点项目《考虑高温、腐蚀及疲劳荷载耦合作用下钢-混组合梁力学性能研究》(编号:2022JZ-32),主要进行了以下几方面的工作:(1)通过16个栓钉推出试验,获得了栓钉剪力键在传统钢-NC组合结构和钢-UHPC新型组合结构中的破坏形态及荷载-应变分布规律,明确了栓钉直径和栓钉高度对栓钉剪力键的抗剪承载力、荷载-滑移曲线及抗剪刚度的影响。结果表明:试件的破坏主要以单侧或双侧栓钉剪断破坏为主,个别试件出现了焊缝破坏的情况;对于钢-UHPC和钢-NC组合结构,栓钉剪力键的抗剪承载力主要与栓钉直径有关,栓钉直径越大,抗剪承载力越高,而栓钉高度对其影响很小;根据本文试验结果,钢-UHPC组合结构的栓钉抗剪刚度和抗剪承载力要优于钢-NC组合结构,但钢-NC组合结构的延性更好。(2)建立钢-UHPC推出试件模型开展了非线性有限元分析,模拟栓钉剪力键从开始受剪变形直至破坏的过程,与试验结果进行对比分析,模拟得到的结构破坏模态、抗剪承载力和荷载-滑移曲线与试验结果吻合程度较高,验证了数值分析方法的准确性。在此基础上,探讨了UHPC强度、焊缝及钢梁与UHPC板间的界面黏结对栓钉剪力键抗剪性能的影响。结果表明:UHPC强度越大,栓钉剪力键的抗剪承载力越高,二者间呈正相关关系;焊缝对栓钉抗剪承载力的影响不可忽视,与无焊缝模型相比,设置了焊缝的模型其栓钉抗剪承载力和抗剪刚度均有所提升;H型钢与UHPC板界面黏结能够提高栓钉初期抗剪刚度,即加载初期抗剪承载力是由栓钉剪力键和层间化学粘结力共同承担,但对抗剪承载力的贡献不大。(3)基于试验结果和有限元结果,明确了栓钉剪力键的破坏模式,揭示了栓钉剪力键的传力机理。结合本文试验结果,现有栓钉承载力公式和荷载-滑移曲线公式得到的理论值与试验值存在一定误差,因此,本文通过回归分析方法提出了适用于钢-UHPC组合结构的栓钉抗剪承载力公式及荷载-滑移公式。基于弹性地基梁理论,提出了栓钉剪力键在弹性阶段的抗剪刚度计算公式。
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