装配式组合梁中摩擦型螺栓连接件抗剪性能与设计方法研究

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装配式组合梁的应用有助于提高结构建造效率。螺栓连接件是装配式组合梁中常用的抗剪连接件,可以避免现场混凝土的浇筑作业;若混凝土面板出现不可修复的损伤需要更换时,使用螺栓连接的组合梁更换混凝土面板的施工周期更具优势。传统装配式组合梁需要在混凝土板上预制螺栓装配所需孔洞,在混凝土板上预制孔洞尺寸的精确性较差,预制孔洞尺寸的偏差会导致预制部件在装配时存在困难,降低结构的抗剪性能。为了解决以上问题,提出一种带焊接短钢管的预埋钢板的构造措施,并对采用此种构造措施的螺栓抗剪连接件的抗剪性能开展了推出试验研究和数值分析,主要研究内容如下:(1)以螺栓直径、螺栓埋置长度以及螺栓纵向间距等为参数,按照Eurocode 4规范设计并进行了7个推出试件的推出试验,明确各参数对装配式组合梁摩擦型螺栓连接件抗剪性能的影响。对比发现,试件的破坏模式均为螺栓剪断,剪断位置处于预埋钢板与钢梁的接触摩擦界面,断面较为平整,有明显新月状的滑移痕迹。螺栓直径和螺栓埋置长度对螺栓连接件极限抗剪性能有显著影响,螺栓直径为20 mm的试件极限抗剪承载力比螺栓直径为16 mm的试件增加了48%,螺栓埋置长度为130 mm的试件极限抗剪承载力比螺栓埋置长度为80 mm的试件提高了14%,而螺栓纵向间距对螺栓连接件抗剪性能的影响可忽略不计,其极限承载力变化幅度小于5%。(2)结束推出试验首次加载后,使用同批次的螺栓将钢梁与混凝土板重新装配,并按照首次加载的加载制度进行推出试验。试验结果表明,重新装配的推出试件的破坏模式与首次加载并无显著区别,更换后的螺栓连接件的抗剪承载力具有一定的离散性,与第一次推出试验相比,更换螺栓后试件的极限抗剪承载力最大降幅为11%。(3)使用ABAQUS有限元软件对推出试件进行建模,分析不同参数对摩擦型螺栓连接件抗剪性能的影响,有限元分析结果表明增加静摩擦系数可以有效地增加螺栓连接件的极限抗剪承载力,当界面摩擦系数由0.5分别调整至0.6和0.7时,螺栓的极限抗剪承载力依次提高了5%和11%;模型极限抗剪承载力随预紧力的增加而增加,增幅最高可达6%;双排和三排螺栓布置的模型与单排螺栓模型的极限抗剪承载力相比最大降幅分别为6%和10%,三排螺栓的布置明显降低了模型极限抗剪承载力,且降幅不随螺栓纵向间距的增加而有所缓解;螺栓集束式布置的模型极限抗剪承载力不随螺栓群间距的增加而增加,其与三排螺栓布置模型的极限抗剪承载力无显著区别。(4)基于试验数据与有限元分析结果,提出了考虑螺栓预紧力、结构损伤以及群钉效应的摩擦型螺栓连接件抗剪承载力计算公式,建立了螺栓抗剪连接件的荷载-滑移曲线的模型和抗剪刚度的退化模型。本文的研究成果可为装配式组合梁中摩擦型螺栓抗剪连接件的抗剪计算提供参考和依据。
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