焊接栓钉型钢混凝土梁受扭性能试验研究及理论分析

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本文属于在国家自然科学基金资助项目“压弯剪扭复合受力型钢混凝土组合构件的性能及设计方法研究”的关键内容,以纯扭作用下焊接栓钉的型钢混凝土构件为研究对象,以栓钉设置位置、栓钉长度、栓钉直径和栓钉间距为主要变化参数,自行设计了实现纯扭作用的加载装置(已申请专利),完成了9个纯扭试件(其中8根型钢混凝土梁和1根钢筋混凝土对照梁)的试验,揭示了不同变化参数下受纯扭焊接栓钉型钢混凝土构件的受力破坏过程和形态,分析了各变化参数对焊接栓钉型钢混凝土受扭构件的影响规律,并进行理论分析提出了扭矩作用下焊接栓钉型钢混凝土构件的强度计算公式,最后给出了能有效提高其抗扭性能的合理构造措施。研究结果表明:(1)焊接栓钉型钢混凝土梁的受扭破坏过程历经四个阶段:弹性阶段,开裂阶段,弹塑性阶段(其中包括近似弹性阶段、突变阶段、强化阶段)和破坏阶段。试件开裂前扭矩主要由保护层以外的外围混凝土承担,开裂后保护层混凝土逐渐退出工作,此时转变为由试件内部的型钢骨架和钢筋笼协同混凝土共同作用抵抗扭矩,并且焊接栓钉能有效增强型钢骨架与混凝土的协同作用,使试件的整体抗扭承载力得到提高;(2)纯扭作用下,普通型钢混凝土试件的破坏特征表现为试件表面以螺旋式裂缝的形态开展、延伸及贯通。而焊接栓钉的型钢混凝土试件破坏特征则表现为除了试件表面的螺旋形裂缝外,试件表面的螺旋形主裂缝之间还出现大量横向的水平粘结裂缝,并随着扭率的增加而逐渐开展。焊接栓钉后试件的裂缝分布更加均匀细密;(3)型钢混凝土构件在焊接栓钉后,受扭性能较普通型钢混凝土构件得到显著提高(平均提高了24.1%),且栓钉焊接在不同位置,提高的长度不同。栓钉焊接在型钢翼缘位置的试件极限扭矩仅提高了约9.0%,而栓钉焊接在型钢腹板位置的试件极限扭矩提高约25.9%,若在型钢翼缘和腹板位置均焊接栓钉的试件极限扭矩则提高约33.0%。栓钉焊接在翼缘腹板位置以及栓钉外伸到箍筋以外的构造措施均能较好的提高扭矩作用下型钢混凝土构件的抗扭性能;(4)通过有限元软件ABAQUS的模拟分析,扩展了焊接栓钉型钢混凝土构件在各多种变化参数情况下的受扭性能研究,在综合大量数值模拟分析和试验研究的基础上,提出了焊接栓钉型钢混凝土受扭构件的开裂扭矩和极限扭矩的理论公式,计算值与实测值吻合较好。
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