配置PBL剪力键的钢-UHPC预制组合桥面板纵向受拉性能研究

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剪力键是使钢-混组合结构中钢与混凝土能共同工作的关键元件,目前常用的剪力连接件有栓钉和PBL剪力键。PBL剪力连接件因具有承载力大、延性好、疲劳性能优良等优点而被广泛研究和应用。然而,目前国内外有关PBL剪力键对钢-UHPC组合桥面板受力性能影响规律的研究尚未见报道。基于此,本文以国家自然科学基金“超大跨度高性能材料缆索承重桥梁结构设计及风致灾变理论与方法”(项目批准号:51938012)为依托,以丹江口水库特大桥为工程背景,为明确配置PBL剪力键钢-UHPC组合桥面板的纵向受力性能,特别是湿接缝的结构性能,本文研究了剪力键类型、数量和湿接缝类型等试验参数对钢-UHPC组合桥面板纵向抗拉性能的影响,从而为工程应用提供参考。完成的主要研究内容如下:(1)以剪力键类型、剪力键数量以及湿接缝类型为试验参数,以本团队提出的带主副槽口PBL剪力键为原型,设计并制作了7块钢-UHPC组合桥面板局部足尺模型试件,并进行了静力轴拉试验。结果表明:与采用栓钉剪力键相比,配置PBL剪力键的钢-UHPC组合桥面板具有较好的综合受拉性能,PBL试件的初裂强度较栓钉试件增加较小,但其开裂后的刚度显著提高,PBL试件对应裂缝宽度0.05mm时的名义抗拉强度较栓钉试件有所提高,PBL无缝和平缝试件的初裂强度较相应的栓钉试件仅分别提高了3.6%和5.1%,开裂后的刚度提高了52.7%和63.2%,名义抗拉强度分别增加了3.3%和10.0%;增加PBL剪力键数量对钢-UHPC组合板的初裂强度和开裂后刚度略有提升,但能有效提高组合桥面板的名义抗拉强度,组合板试件PBL剪力键数量由1道增加至3道,初裂强度、名义抗拉强度和开裂后刚度分别提高了20.0%、61.0%和28.6%;PBL齿缝试件的抗裂性能明显优于平缝试件,齿缝试件的初裂强度、名义抗拉强度和开裂后的刚度分别较平缝试件提高了55.3%、66.2%和53.3%;增加接缝界面的配筋率可大幅提高接缝界面的名义抗拉强度。(2)基于试验结果验证的钢-UHPC组合桥面板试件有限元模型,对开孔板厚度、配筋率以及PBL剪力键间距等进行了参数分析。结果表明:无缝组合板的初裂荷载和极限荷载受开孔钢板厚度和PBL剪力键间距的影响并不显著,但组合板的开裂后刚度随着开孔钢板厚度增加、PBL剪力键的间距减小而提高,且开孔钢板主槽口的设置与否对组合板的纵向受拉性能影响较小。开孔钢板厚度由6mm分别增大至8mm、10mm和12mm时,组合板的开裂荷载分别增加了0.2%、0.3%和0.4%,开裂后刚度分别提高了6.0%、10.7%和15.2%,极限荷载分别提高了0.2%、0.5%和0.7%;PBL剪力键的间距由600mm分别减小至400mm、200mm时,组合板的开裂荷载分别提高了0.7%、1.4%,开裂后刚度分别提高了9.4%、20.2%;组合板的极限荷载分别约增加了1.0%、1.9%;配筋率对钢-UHPC无缝组合桥面板的开裂后刚度和极限荷载的影响显著,对初裂荷载的影响较小,配筋率由2.0%分别增大至2.8%、4.0%时,组合板的开裂荷载分别增加了0.3%、1.3%,开裂后刚度分别提高了46.3%、113.5%,极限荷载分别增加了4.7%、11.3%;对于平缝组合板试件,组合板的开裂强度和极限荷载均随着接缝截面配筋率的增加而略有提高,开裂后刚度受接缝截面配筋率的影响显著。接缝截面配筋率由2.0%分别增大至2.8%、4.0%时,组合板的开裂强度分别提高了8.4%、14.7%,开裂后刚度分别提高了50.8%、115.5%,极限荷载分别提高了4.6%、12.2%;对于矩形齿缝试件,齿缝侧边长d对齿缝组合板的初裂荷载和极限荷载影响较小,齿缝组合板的开裂后刚度和随着齿缝侧边长d的增加而提高。齿缝侧边长d由100mm分别增大至200mm、300mm时,齿缝组合板的开裂荷载分别提高了1.2%、1.6%,开裂后刚度分别提高了10.9%、43.7%,极限荷载分别提高了0.7%、0.8%;齿缝端部边长l对齿缝组合板的初裂荷载影响较小,齿缝组合板的开裂后刚度和极限荷载均随着齿缝端部边长l的增加而降低。齿缝端部边长l由200mm分别增大至300mm、400mm时,开裂荷载分别减少了0.1%、0.8%,开裂后刚度分别降低了6.4%、10.0%,极限荷载分别降低了0.2%、2.9%。
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