钢-UHPC轻型桥面板中栓钉研究

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传统的正交异性钢桥面板存在铺装层易损和钢桥面板易疲劳两种病害,而通过栓钉剪力连接件将钢面板和UHPC层组合来形成的轻型组合桥面板可以很好的解决该类问题。轻型组合桥面板中的UHPC层通常较薄,一般为45-60 mm,所以其中的栓钉高度受到严格的限制,为短栓钉。同时由于UHPC与普通混凝土的力学性能有着明显差异,其中的短栓钉受力有别于普通混凝土结构中的传统栓钉,需要对其基本性能进行研究。目前该方面的研究并不多见,为此本文依靠国家自然基金项目(5206080102)主要开展了以下研究工作:(1)介绍了正交异性桥面板的发展历程与传统铺装层存在的病害及其成因,UHPC力学性能的优越性,将其作为铺装层的原因,引入了钢-UHPC轻型桥面板的概念以及其中主要的剪力连接件栓钉的研究现状。(2)通过弹性地基梁理论分析了栓钉连接件的工作机理和两种破坏形式,介绍了各国规范和学者的研究关于栓钉连接件的承载力和抗剪刚度计算公式以及荷载-位移曲线的表达式。(3)为了研究短栓钉剪力连接件的静力性能,对50 mm UHPC层中不同直径(13mm、16 mm、19 mm),不同高度(30 mm、35 mm、40 mm)、的短栓钉试件进行了推出试验,得到了试件的荷载-滑移曲线、抗剪承载力以及破坏模式。试验结果表明;试件破坏均为栓钉根部被剪断破坏,而UHPC层仅在栓钉根部附近出现小范围损伤。栓钉直径对于栓钉抗剪性能有着很大影响,而栓钉长度几乎没有影响。处理试验中栓钉的荷载-位移曲线可以得到栓钉工作主要分为弹性、弹塑性和破坏阶段,试验中栓钉的极限滑移值较小且破坏比较突然,表现出很强的脆性。(4)运用ABAQUS有限元分析软件,对于栓钉进行了非线性有限元分析,并与实验结果相对比,验证了有限元软件模拟结果的合理性。同时分析栓钉连接件的应力和变形情况,得出了栓钉并非仅仅受到剪力,而是处于受剪、受弯、受拉的复杂应力状态。通过对于不同参数的分析,得出栓钉极限承载力主要受栓钉直径的影响,其承载力大小与栓钉直径的二次方成正比关系。栓钉的焊缝对于其承载力有着15%左右的贡献,施工中应对于焊接质量严格把关。UHPC中栓钉的承载力比C50中提高了约50%,抗剪刚度也远远大于普通混凝土,说明UHPC可以显著改善其中栓钉的受剪性能。不同长度栓钉的荷载-滑移曲线几乎一致,说明栓钉长度对于其受剪性能几乎没有影响。(5)对于推出试验结果,搜集了各规范以及学者的关于栓钉的计算公式,与之进行对比,评估了目前已有公式对于短栓钉剪力连接件的适用情况。
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