装配式胶合木—混凝土组合梁抗弯性能研究

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近年来,国内外对现浇木-混凝土组合梁的抗弯性能进行了大量研究,但装配式木-混凝土组合梁的研究较少。本文提出了结合螺钉连接-环氧树脂粘接的新型装配式连接方式,环氧树脂提供组合梁正常使用极限状态(SLS-Serviceability Limited States)的刚度,螺钉连接主要提供组合梁承载能力极限状态(ULS-Ultimate Limited States)的抗弯强度。该连接方式较好的提供刚度和延性。基于木-混凝土组合梁桥的全桥足尺模型,共设计了 5根胶合木-混凝土组合试验梁,其中装配式混合连接(螺钉-环氧树脂)组合梁2根,装配式环氧树脂粘接、装配式螺钉连接、现浇式混合连接组合梁各1根。通过试验研究,探讨环氧树脂胶、螺钉对组合梁抗弯性能影响,以及装配式混合连接组合梁与现浇式混合连接组合梁的性能差异。进一步,建立非线性有限元分析模型,进行计算分析,比较试验与有限元计算结果,主要研究成果和结论如下:(1)通过抗弯试验,得到新型装配式混合连接组合梁的抗弯承载力、荷载-挠度关系、滑移发展规律,探讨其破坏模式、抗弯刚度、组合系数、理论抗弯承载力。结果表明:装配式混合连接组合梁在环氧树脂胶破坏前具有较高的抗弯刚度,滑移量极小。环氧树脂胶破坏后,螺钉单独承受界面剪力,组合梁的滑移及跨中挠度快速发展。混合连接组合梁在加载前期刚度极高,后期延性较好。(2)装配式混合连接组合梁在弹性工作阶段的抗弯刚度达到完全组合作用木-混凝土组合梁的84.6%。达到正常使用极限状态时(组合梁跨中挠度达到挠度限值L/250),装配式混合连接组合梁抗弯刚度比装配式环氧树脂粘接组合梁、装配式螺钉连接组合梁分别提高了 11.8%和60.1%。数据表明添加环氧树脂明显提高装配式混合连接组合梁在正常使用阶段的抗弯刚度,而螺钉对装配式混合连接组合梁抗弯刚度的贡献较小。(3)装配式混合连接组合梁较装配式螺钉连接组合梁具有更高的抗弯承载力。试件破坏时的承载力提高了 12.5%。表明环氧树脂有效提高组合梁在ULS状态下的抗弯承载力。(4)装配式混合连接组合梁与现浇式混合连接组合梁对比分析表明,两者的破坏过程类似,但破坏模式不同。加载前期均具有较高的刚度,且两者抗弯刚度十分接近。环氧树脂胶破坏后,跨中挠度快速发展,最终结构失效。装配式混合连接组合梁在ULS状态下的抗弯承载力较现浇式混合连接组合梁提高了 9.8%。(5)采用ABAQUS软件建立组合梁有限元分析模型,计算得到荷载-挠度曲线以及荷载-滑移曲线,试验结果与计算结果吻合良好。进一步,通过改变螺钉直径、混凝土强度、环氧树脂粘接面积,对装配式混合连接组合梁抗弯性能进行了参数分析。有限元分析结果表明,螺钉直径从8mm增加到14mm,组合梁的极限承载力提高了 30.78%;混凝土强度从C30提高到C50时,组合梁的抗弯承载力提高了 29.8%,说明螺钉直径、混凝土强度对组合梁的抗弯承载力影响较大。在一定粘接面积范围内,增加环氧树脂胶粘接面积对组合梁的抗弯承载力影响较小。
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