CN106836650B - 一种抗剪钢筋 - Google Patents
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Abstract
一种抗剪钢筋，本发明涉及钢板‑混凝土组合结构中的抗剪钢筋，它要解决现有钢筋在往复荷载作用下抗剪承载能力较低的问题。本发明的抗剪钢筋在钢筋的两端均为喇叭锥形钢筋段，钢筋中部的钢筋直径为d，喇叭锥形钢筋段的长度为5d，喇叭锥形钢筋段的钢筋直径向着钢筋端面方向逐渐增大，喇叭锥形钢筋段的端面直径为2～2.5d，在喇叭锥形钢筋段的端面上还设有焊接层。本发明通过优化抗剪钢筋的外形结构，使此抗剪钢筋能够有效提高抗剪钢筋在往复荷载作用下的极限抗剪承载力与极限抗剪滑移量，实现抗剪钢筋在往复荷载作用下的延性破坏。
Description
技术领域
本发明涉及钢板-混凝土(SC)组合结构中的抗剪钢筋。
背景技术
目前，抗剪钢筋作为一种常用的抗剪连接件在钢板-混凝土(SC)组合结构中大量应用，从以往的试验研究结果与有限元分析结果来看，抗剪钢筋提供的抗剪承载力主要由距离抗剪钢筋与板件(或管件)连接处4倍直径范围内的抗剪钢筋与焊接接头决定，焊接接头的应力最为集中也最为复杂，4倍直径范围内抗剪钢筋的应力值最高，超过6倍直径范围外的应力基本不变。
普通抗剪钢筋均为圆棒形，常用的焊接方式有摩擦焊与手工焊。采用CO2气体保护焊-坡口焊焊接方式，通过对抗剪钢筋在单向荷载作用下与往复荷载作用下抗剪承载力进行试验研究，从试验结果来看，断裂位置处于抗剪钢筋与板件(或管件)的焊接接头的热影响区。同时，与单向荷载作用下的抗剪承载力相比，往复荷载作用下抗剪钢筋的极限抗剪承载力与极限抗剪滑移量均显著下降，下降幅度在40％左右。由于焊接接头属于不均匀体，在高温热循环作用下，抗剪钢筋与板件(或管件)的母材金相组织发生改变，硬度提高，延性降低，形成热影响区，当抗剪钢筋提供界面内的抗剪作用力时，焊接接头处应力集中尤其显著，在较低抗剪作用力下，应力集中处产生塑性应变，经过十几次循环荷载，塑性应变累积达到阈值，发生脆性断裂。正是由于焊接接头的超低周疲劳，造成抗剪钢筋往复荷载作用下抗剪承载能力的显著下降。
发明内容
本发明的目的是要解决现有钢筋在往复荷载作用下抗剪承载能力较低的问题，而提供一种抗剪钢筋。
本发明的抗剪钢筋在钢筋的两端均为喇叭锥形钢筋段，抗剪钢筋中部的钢筋直径为d，喇叭锥形钢筋段的长度为5d，喇叭锥形钢筋段的钢筋直径向着钢筋端面方向逐渐增大，喇叭锥形钢筋段的端面直径为2～2.5d，在喇叭锥形钢筋段的端面上还设有焊接层。
鉴于抗剪钢筋4倍直径范围内的应力值最高以及螺柱焊焊接接头的超低周疲劳显著降低了其在往复荷载作用下的抗剪承载力，本发明对现有抗剪钢筋的造型进行改进，降低抗剪钢筋自身的最大应力，提高抗剪钢筋在往复荷载作用下屈服极限的抗剪承载能力，抗剪承载能力能达到普通钢筋的1.5～2倍。同时降低焊接接头热影响区的应力，将塑性应变转移到4倍直径范围以外延性较高的抗剪钢筋本身，避免焊接接头在往复荷载作用下的超低周疲劳。
本发明的抗剪钢筋能够有效提高抗剪钢筋在往复荷载作用下的极限抗剪承载力与极限抗剪滑移量，实现抗剪钢筋在往复荷载作用下的延性破坏，同时与具有相同极限抗剪承载力的普通抗剪钢筋相比，可以极大程度上节省材料，充分发挥抗剪钢筋材性特征。并且抗剪钢筋造型的改进方法简单，容易操作。
附图说明
图1是具体实施方式五中所述抗剪钢筋的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是配套瓷环的结构示意图；
图4是具体实施方式七中所述抗剪钢筋的结构示意图；
图5是实施例中抗剪钢筋5倍直径长度与钢筋半径随高度的变化曲线图；
图6是实施例中试件的荷载加载示意图；
图7是实施例中抗剪钢筋与普通钢筋抗剪承载力荷载位移曲线图，图中实线代表实施例的抗剪钢筋，虚线代表普通钢筋。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的抗剪钢筋1在钢筋的两端均为喇叭锥形钢筋段1-2，抗剪钢筋中部1-1的钢筋直径为d，喇叭锥形钢筋段1-2的长度为5d，喇叭锥形钢筋段1-2的钢筋直径向着钢筋端面方向逐渐增大，喇叭锥形钢筋段1-2的端面直径为2～2.5d，在喇叭锥形钢筋段1-2的端面上还设有焊接层2。
本实施方式所述的抗剪钢筋中部与喇叭锥形钢筋段平滑圆角过渡。
在钢筋往复荷载作用下抗剪承载力的试验研究中，抗剪钢筋抗剪承载力显著下降，并且低于单向荷载作用下的抗剪承载力。本实施方式所述的抗剪钢筋，结合试验数据分析与有限元模拟，能够显著降低抗剪钢筋自身4倍直径范围内的应力值，同时显著降低在焊接接头处热影响区的应力集中，避免了焊接接头的超低周疲劳问题，从而有效提高抗剪钢筋在往复荷载作用下的抗剪承载能力。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是喇叭锥形钢筋段1-2中距端面为d处，钢筋的直径为1.2～1.4d。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是喇叭锥形钢筋段1-2中距端面为3d处，钢筋的直径为1.1～1.2d。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是焊接层2的厚度为4～6mm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是当采用螺柱焊方式焊接抗剪钢筋1时，在焊接层2的端面中心处设置有引弧结3。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是在抗剪钢筋1的焊接处套设有瓷环4。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是当采用手工焊方式焊接抗剪钢筋1时，抗剪钢筋1的焊接层2设置成坡口。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是所述坡口为V型坡口。
实施例：本实施例的抗剪钢筋1在钢筋的两端均为喇叭锥形钢筋段1-2，抗剪钢筋中部1-1的钢筋直径为d＝16mm，喇叭锥形钢筋段1-2的长度为5d，喇叭锥形钢筋段1-2的钢筋直径向着钢筋端面方向逐渐增大，喇叭锥形钢筋段1-2的端面直径为40mm，在喇叭锥形钢筋段1-2的端面上还设有4mm的焊接层2。
本实施例抗剪钢筋1的总长度为400mm。
本实施例应用通用有限元软件ABAQUS，对直径16mm的普通钢筋与本实施例的抗剪钢筋的抗剪承载力进行有限元模拟分析，通过对比说明该抗剪钢筋在提高往复荷载作用下抗剪钢筋的抗剪承载力有非常明显的优势。
在有限元分析过程中，本实施例抗剪钢筋的外轮廓采用样条曲线，以对称轴和底面边线分别为y轴和x轴，样条基准点为(8,80)、(10,64)、(12,16)以及(20,0)，以此四点为基点绘制了如图5所示样条曲线作为抗剪钢筋的外轮廓曲线。
标准推出试件的加载示意图如图6所示，试件由两个混凝土块体与钢梁组成，钢梁翼缘焊接抗剪钢筋，每侧四个。进行抗剪钢筋抗剪承载力试验时，将混凝土底部固定，在钢梁上施加竖向荷载，将荷载均分得到抗剪钢筋的平均抗剪承载力。
钢结构部分包括抗剪钢筋和钢梁，采用合并(Merge)连为整体。其中单元类型选择C3D8R减缩积分三维实体单元。对于边界条件与相互作用的定义，约束混凝土，并在钢结构部分中钢梁一侧施加水平力，同时，定义钢结构部分与混凝土接触面内的切向摩擦(Penalty)与法向应接触(Hard contact)。对于材料的本构模型定义，混凝土采用塑性损伤本构模型(concrete damaged plasticity)，钢材采用理想弹塑性模型(plasticity)，各类材料的强度等级如下:混凝土强度等级为C40，钢板为Q345，抗剪钢筋为HRB400。
其中，混凝土弹性模量为3.02×104Mpa，膨胀角为32°，抗拉强度与抗压强度比值为0.1，双轴抗压强度与单轴抗压强度比值为1.6，偏心率为0.667，粘性系数为0.001。抗剪钢筋的屈服强度440MPa，极限抗拉强度为650MPa，钢梁的屈服强度为345MPa。
图7所示为本实施例抗剪钢筋与普通抗剪钢筋抗剪承载力荷载位移曲线对比图，从图中可以看出，本实施例抗剪钢筋可以极大程度上提高屈服极限抗剪承载力，普通抗剪钢筋的极限抗剪承载力为137.93kN，而抗剪钢筋的极限抗剪承载力为245.22kN，是普通抗剪钢筋的1.78倍。当抗剪滑移量均达到普通抗剪钢筋抗剪滑移量的极限时(4.21mm)，抗剪钢筋的抗剪承载力为240.57kN，为普通抗剪钢筋的1.74倍，并且当抗剪钢筋达到普通抗剪钢筋的极限抗剪承载力时的抗剪滑移量也是普通抗剪钢筋极限抗剪滑移量的2.5倍。
本实施例抗剪钢筋能够提高往复荷载作用下抗剪钢筋的极限抗剪承载力，从抗剪钢筋与普通抗剪钢筋极限抗剪承载力时应力分布分析中看出，当普通抗剪钢筋达到极限抗剪承载力时，焊接接头以及杆身同时受拉，并出现应力集中在焊接接头处，而本实施例抗剪钢筋达到极限抗剪承载力时，焊接接头与杆身都是一侧受压，另一侧受拉，焊接接头没有出现应力集中，而是在杆身上有应力集中。从应力值分析，抗剪钢筋的应力值远低于普通抗剪钢筋的应力值，在达到极限抗剪承载力时，抗剪钢筋也刚进入屈服平台，而普通抗剪钢筋则基本达到了极限抗拉强度。以往在抗剪钢筋往复荷载作用下的抗剪承载力研究中，抗剪钢筋的极限抗剪承载力取决于抗剪钢筋与焊接接头的连接处进入屈服时的抗剪承载力，而抗剪钢筋在达到极限抗剪承载力时，抗剪钢筋与焊接接头连接处依然处于弹性阶段，可知，抗剪钢筋在往复荷载作用下的极限抗剪承载力与单向荷载作用下的极限抗剪承载力相近，从而极大程度上提高了抗剪钢筋在往复荷载作用下的极限抗剪承载能力。
Claims (6)
1.一种抗剪钢筋，其特征在于该抗剪钢筋(1)在钢筋的两端均为喇叭锥形钢筋段(1-2)，抗剪钢筋中部(1-1)的钢筋直径为d，喇叭锥形钢筋段(1-2)的长度为5d，喇叭锥形钢筋段(1-2)的钢筋直径向着钢筋端面方向逐渐增大，喇叭锥形钢筋段(1-2)的端面直径为2～2.5d，喇叭锥形钢筋段(1-2)中距端面为d处，钢筋的直径为1.2～1.4d，喇叭锥形钢筋段(1-2)中距端面为3d处，钢筋的直径为1.1～1.2d，在喇叭锥形钢筋段(1-2)的端面上还设有焊接层(2)。
2.根据权利要求1所述的一种抗剪钢筋，其特征在于焊接层(2)的厚度为4～6mm。
3.根据权利要求1所述的一种抗剪钢筋，其特征在于当采用螺柱焊方式焊接抗剪钢筋(1)时，在焊接层(2)的端面中心处设置有引弧结(3)。
4.根据权利要求3所述的一种抗剪钢筋，其特征在于在抗剪钢筋(1)的焊接处套设有瓷环(4)。
5.根据权利要求1所述的一种抗剪钢筋，其特征在于当采用手工焊方式焊接抗剪钢筋(1)时，抗剪钢筋(1)的焊接层(2)设置成坡口。
6.根据权利要求5所述的一种抗剪钢筋，其特征在于所述坡口为V型坡口。
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