钢与混凝土组合结构螺栓连接件受剪性能研究

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在钢-混凝土组合结构中,螺栓连接件可实现结构的快速装配、拆卸和替换,可替代传统栓钉进而提高装配组合效率,具有良好的经济效益和社会效益。随着组合结构的发展,螺栓连接件逐渐应用于组合结构中,而螺栓连接件在组合结构中的受力情况与使用状态比较复杂,为研究螺栓连接件在不同受力状态下的基本力学性能,借助有限元软件ABAQUS建立螺栓连接件推出试验模型,研究其初始弹性行为及其影响因素;进一步地,研究螺栓连接件的抗剪承载力及其影响因素。最后,通过推出试验研究螺栓连接件在预制和装配两种方式下的抗剪性能并进一步验证本文的数值模型。本文研究内容包括以下几个部分:(1)通过8组螺栓连接件推出试件进行建模分析,考虑抗剪模型与剪拉模型两种工况,对三种螺栓连接件(双内嵌螺母螺栓、单内嵌螺母螺栓以及无内嵌螺母螺栓)进行参数分析,分析不同参数对初始弹性刚度的影响,并分析不同向刚度(抗拉刚度和抗剪刚度)和它们之间的耦合关系。探讨了三种螺栓连接件的初始弹性阶段的受力机理和影响因素。结果表明:螺栓直径、混凝土强度、钢梁弹性模量以及螺栓预紧力对螺栓的初始弹性行为具有重要影响,最后通过线性回归建立螺栓连接件不同向弹性刚度的拟合公式,将所得到的刚度公式应用到组合梁中,分析组合梁在弹性阶段的受力特性。(2)建立4组螺栓连接件推出试件模型,分析螺栓直径、螺栓长度、混凝土强度以及螺栓预紧力对抗剪承载力的影响,并进一步分析在抗剪模型中施加不同程度的拉拔力对抗剪承载力的影响。结果表明:螺栓直径是影响螺栓抗剪承载力的重要因素,随着螺栓直径的增加,螺栓抗剪承载力明显提高;混凝土强度对抗剪承载力有重要影响,但是当混凝土达到一定程度后对抗剪承载力的影响不再显著;螺栓预紧力影响螺栓进入塑性阶段的时间,但是对抗剪承载力的影响不明显。在抗剪模型中施加拉拔力后,对抗剪承载力具有折减的作用,随着拉拔力程度的增加,削弱程度越明显。通过相关文献中对螺栓抗剪承载力拟合公式与本文模拟所得的承载力进行对比,结果吻合良好,表明本文数值模型分析具有一定的可靠度。(3)通过推出试验研究现浇和预制两种形式下螺栓连接件的抗剪性能,共设计2个试件,一个试件为现浇试件,另一个为预制试件,试验结果表明,尽管预制试件更早进入塑性阶段,但是预制试件的抗剪承载力与现浇试件表现一致。将实验与有限元模型进行对比,结果表明有限元结果与试验结果吻合良好,进一步验证了本文的数值分析模型的正确性。
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