钢-高强度混凝土组合结构焊钉节点力学性能试验研究毕业论文

 2021-04-16 01:04

摘 要

钢-高强混凝土组合结构现在越来越多的运用在桥梁的设计建造中。利用焊钉剪力连接件将梁与混凝土有效的连接在一起,形成钢-高强混凝土组合结构在将来的建筑领域有广阔的发展前景。本文通过对6个组合结构不同焊钉尺寸的试验,开展以下几方面的工作: (1)分析组合结构中焊钉节点的抗剪承载力的影响因素。

(2)分析组合结构中焊钉节点的静载力学性能。

(3)分析组合结构在受力情况后的破坏形态,确定实际工程中最可能出现的破坏形式。

(4)对比国内已有的结果,评述焊钉节点的承载力计算公式。

试验表明:破坏通常产生在焊缝处,焊钉被剪断而混凝土没有被压碎。对比三种直径的焊钉可以发现,随着焊钉直径的增加,极限承载能力有着较大的提升。三组组合结构的荷载滑移曲线都有着类似的性质。加载前期几乎没有产生相对滑移。力达到最大值附近时位移持续增加最后突然破坏。

关键词:高强混凝土;组合结构;破坏形态;节点受力性能;荷载滑移

Steel and high strength concrete composite structure welding node experimental study the mechanical performance

ABSTRACT

Steel - high-strength concrete composite structures are more and more used in the design and construction of bridges now. Use of welding stud shear connectors beaming with concrete and effective connection forms steel and high strength concrete composite structure. This structure has broad prospects in construction field in the future. This paper carries out the work in the following aspects by the experiment of different welding pin sizes of six composite structures:

(1) analyzing the influence factors of the shear bearing capacity of the welded joint in the composite structure

(2) analyzing the static capacity of the welded nailing in the composite structure

(3) analyzing the destruction form of the composite structure after the stress situation, and determine the most likely form of destruction in the actual project

(4) describing the formula for calculating the bearing capacity of the welded nail joint by comparing the existing results

Test shows that the damage was often produced in the weld. The welding is cut while the concrete is not crushed. Contrasting of the three kinds of diameter of the pin welding can found that with the increase of welding pin diameter, ultimate bearing capacity has a larger increase. Three groups of load slip curves of composite structures have similar properties . The early stage of the load almost have no relative sliding. When force reaches near the maximum, displacement increasing and make sudden destruction finally.

Key words: High-strength concrete;Composite-structure;Fracture morphology;Node force performance;Load slip

目 录

1 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2钢-混凝土梁的发展现状 1

2 钢-高强混凝土的材料性能 3

2.1高强混凝土的性能 3

2.1.1高强混凝土的力学性能 3

2.1.2体积稳定性 6

2.1.3 耐久性 6

2.2 焊钉的相关性能 7

2.2.1焊钉的基本概念 8

2.2.2国内外学者对焊钉性能的研究 8

2.2.3焊钉的抗剪承载能力计算 11

2.2.4焊钉的破坏形态 12

3 实验准备 15

3.1 试件设计 15

3.2试件制作 17

3.2.1配置高强混凝土 17

3.2.2应变片的粘贴 21

3.2.3钢筋笼的绑扎 22

3.2.4立模板 22

3.2.5浇筑混凝土与养护 23

3.2.6试件的运输 24

3.3试验设备的选定 25

3.4应变和位移测量方案 25

3.5加载方案 26

4 试验结果与分析 28

4.1试验过程描述 28

4.2试件的破坏形态 29

4.3试件的荷载滑移曲线 31

4.4焊钉的抗剪承载力 33

4.5试验结果分析 34

结 论 37

致 谢 38

参考文献 39

1 绪论

1.1课题背景及研究意义

钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构,这种结构是用型钢或钢板焊接(或冷压)钢截面,在其上面、四周或内部浇注混凝土与型钢形成整体,从而形成了共同受力的结构体系。钢-混凝土组合结构是继钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构和砖石混凝土结构之后的第五大类型结构形式。该结构利用了钢结构和混凝土结构的优点,达到了充分利用材料特性的目的。大量工程实践表明,钢-混组合结构具有自重轻,地震作用小,构件截面尺寸小,工期短,节省支模工序和模板,增加构件和结构的延性,用钢量小,刚度大,结构抗火性和耐久性大等优点。钢-混凝土组合结构以其极富创造新空间的结构特色,以及土木工程学科和材料学科相互交叉的研究特色,将会成为21世纪桥梁创新设计的重要发展方向。

高强混凝土是完全剔除了粗骨料,基于最大密实度理论,其组成材料不同粒径颗粒间以最佳比例形成最紧密堆积,细颗粒活性成分硅灰的掺入和低水灰比使得材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)大幅减少,以获得最大强度(尤其抗拉强度)及优异的耐久性,同时微细钢纤维的掺加使材料表现出优良的韧性和延性。高强混凝土以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性,在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高,一般为普通强度混凝土的4~6倍。目前,普通混凝土与钢组合结构剪力件的研究已经有初步的结果,但是钢-高强混凝土组合结构焊钉节点的研究还比较少。

1.2钢-混凝土梁的发展现状

组合梁的发展过程可以简单的分为以下四个阶段[1]。组合梁出现于20世纪20年代,这个时期可以认为是组合梁的创始阶段,当时主要考虑防火的要求钢梁作外包混凝土,而未考虑两者的组合作用,随后在30年代中期出现了在钢梁与覆盖的混凝土之间加入各式各样连接件的构造方法。1926年J.Kahn获得组合梁的专利权。20世纪40-60年代可以认为是组合梁发展的第二阶段,许多国家都对组合梁进行了深入、细致、全面的研究,并制定了相关的规范和规程,使得组合梁的应用在科学指导下逐步普及。20世纪60-80年代是组合梁发展的第三阶段,这一阶段组合梁的设计理论逐步从弹性理论转化为塑性理论,应用和发展也逐渐成熟,几乎日趋赶上钢结构的发展,并受到了广泛重视。从20世纪80年代至今为组合梁应用和发展的第四阶段。在这一阶段相继出现了装配式钢-混凝土组合梁、叠合板组合梁、预应力钢-混凝土组合梁等多种新的结构形式。同时对组合梁在使用中所产生的问题以及新材料、新工艺的应用开展了更为细致的研究,从而使组合梁的应用范围更加广泛,且在一定的领域内可以代替钢结构及钢筋混凝土结构。随着混凝土技术和钢铁冶炼技术的发展,桥梁所用的混凝土和钢的强度也在不断的攀升。高强混凝土在公路与铁路桥梁中已有大量的应用,并取的了较好的工程效果,如日本明石海峡大桥、上海南浦大桥、武汉长江二桥等。C50,C60混凝土在桥梁工程中已是常用的强度等级。2004年颁布的公路桥梁设计规范已允许使用C80级高强高性能混凝土。我国现行的铁路桥梁规范中可用的最高强度结构钢为Q420q。公路桥梁目前常用的是Q345q,在局部也采用Q420q。美国AASHTO 2000版规范中已规定可应用高强钢建造桥梁。由于高强钢具有良好的抗腐蚀和耐候性能,因此,高强钢在美国桥梁工程界受到青睐。到目前为止,采用高强钢建造的桥梁有200多座[2]。高强钢和高强混凝土己在桥梁工程有了较为广泛的应用,若将两者结合在一起形成钢-高强混凝土组合梁,既能同时发挥高强钢和高强混凝土的力学性能,又能充分利用组合梁的优越结构性能,因此钢-高强混凝土组合梁是新材料和新结构的有机结合,在桥梁工程界将有广阔的应用前景。

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